朱高峰 張艷蕾 梁平元

摘 要 將任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法靈活運(yùn)用在MATLAB課程教學(xué)中，對(duì)MATALB課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行歸納和優(yōu)化，舉例說明具體任務(wù)的教學(xué)過程。實(shí)踐證明，任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法能顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞 任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法；MATLAB；教學(xué)改革；建模仿真；Simulink

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）06-0083-03

Teaching Reform and Practice in Course of MATLAB//ZHU Gao-

feng， ZHANG Yanlei， LIANG Pingyuan

Abstract The task-driven teaching method is flexibly used in MAT-

LAB course， the content of MATALB curriculum teaching is su-mmarized and optimized， for example， and the specific teaching task

is illustrated by examples. Practice shows that the task-driven teaching

method can improve students' enthusiasm and learning ability.

Key words task-driven teaching method； MATLAB； teaching reform；

modeling and simulation； Simulink

1 前言

MATLAB是美國The MathWorks推出的優(yōu)秀數(shù)學(xué)軟件，現(xiàn)已發(fā)展為一種多學(xué)科、多工作平臺(tái)的大型工具，應(yīng)用非常廣泛，很多高校將其設(shè)置為專業(yè)必修課程。但多數(shù)高校教學(xué)課時(shí)分配較多、教學(xué)考核不嚴(yán)謹(jǐn)、學(xué)生學(xué)習(xí)效果很不理想。由此提出任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法，指導(dǎo)思想是“自學(xué)為主、教授為輔，實(shí)踐為主、理論為輔”，課堂上將實(shí)例和小項(xiàng)目進(jìn)行合理配置，由學(xué)生主動(dòng)上機(jī)操作，教師旁觀輔助，共同完成教學(xué)任務(wù)。

2 任務(wù)規(guī)劃

MATLAB課堂教學(xué)的目的和任務(wù)主要是使學(xué)生理解MATLAB

的數(shù)據(jù)類型、矩陣輸入、語法結(jié)構(gòu)及基本操作方法，使學(xué)生掌握基本的數(shù)值計(jì)算、符合運(yùn)算方法和二維、三維繪圖方法，能利用Simulink軟件進(jìn)行較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)建模仿真處理，并會(huì)使用相關(guān)工具箱，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。輔導(dǎo)教師既要考慮教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)課時(shí)，又要注重學(xué)生的興趣愛好和可操作性。因此，對(duì)MATLAB的課堂教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)和優(yōu)化，項(xiàng)目任務(wù)可以合理配置如表1所示，每周一講（四學(xué)時(shí)），共計(jì)32學(xué)時(shí)；未完成的教學(xué)內(nèi)容作為課后作業(yè)，要求學(xué)生自學(xué)實(shí)踐，并作為期末考核的主要內(nèi)容之一。

3 具體實(shí)例

針對(duì)項(xiàng)目任務(wù)中的教學(xué)內(nèi)容，可以有針對(duì)性地列舉實(shí)際工程進(jìn)行分析和應(yīng)用，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目資料查詢，使項(xiàng)目任務(wù)意識(shí)貫穿整個(gè)教學(xué)過

程?，F(xiàn)以“TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spec-

troscopy，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜）系統(tǒng)檢測(cè)氧氣濃度”的教學(xué)內(nèi)容為例，闡述MATLAB在實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)處理、圖形描繪、系統(tǒng)建模和仿真、工具箱的調(diào)用等應(yīng)用。

教學(xué)說明 在第一講布置課后資料查閱，讓學(xué)生了解TDLAS系統(tǒng)的基本原理及氣體濃度檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型，總結(jié)出二次諧波線型表達(dá)式為[1]：

其中，M=1-x2+m2，，，v0為氧氣吸收峰的中心頻率，vm為高頻正弦波調(diào)制信號(hào)幅度，Δvc代表吸收譜線的半最大值全寬，I0′（t）表示由低頻電流引起的輸出光強(qiáng)的平均變化，N為吸收氣體的體積濃度，L為吸收光程長，P為氣體的靜態(tài)總壓強(qiáng)，S（T）為吸收線線強(qiáng)。其物理意義為：在氣體溫度、壓強(qiáng)、吸收光程及硬件相關(guān)參數(shù)一定的情況下，二次諧波的幅值I2f與氣體濃度N成正比。

任務(wù)驅(qū)動(dòng) 根據(jù)公式（1）所述，可運(yùn)用第一講中的矩形相關(guān)運(yùn)算，進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)式編寫，用linspace函數(shù)或冒號(hào)表達(dá)式產(chǎn)生行向量v的數(shù)據(jù)，從而析取到標(biāo)準(zhǔn)的二次諧波信號(hào)數(shù)據(jù)；通過第三講中的高層畫圖內(nèi)容，描繪出標(biāo)準(zhǔn)的二次諧波信號(hào)波形。為了便于后續(xù)數(shù)據(jù)濾波處理，利用awgn函數(shù)，人為加入高斯白噪聲，對(duì)應(yīng)6000個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)白噪聲的信噪比為30 db（如圖1所示）。

在第三講布置課后資料查閱，了解常見的數(shù)據(jù)濾波算法，如多周期信號(hào)平均處理、維納濾波算法、卡爾曼濾波算法、小波變換濾波、多項(xiàng)式移動(dòng)加權(quán)平均濾波（Savitsky-Golay濾波）算法（S-G算法）等[2]。在第六講中簡(jiǎn)潔總結(jié)以上方法，重點(diǎn)以S-G算法為例開展教學(xué)。S-G濾波算法是對(duì)遞推平均濾波法的改進(jìn)，處理速度非?？?，是工業(yè)在線應(yīng)用非常廣泛的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)；但不能有效克服因偶然因素引起的尖峰脈沖干擾，即如果數(shù)據(jù)存在較大的異常點(diǎn)，用最小二乘擬合所得到的模型就會(huì)有崩潰的危險(xiǎn)。所以可稍作算法改進(jìn)，將采集到的含有噪聲的二次諧波信號(hào)，對(duì)每次進(jìn)入窗口的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)估值處理，即數(shù)值判定：設(shè)當(dāng)前第i項(xiàng)的測(cè)量值為xi，上一次的測(cè)量值為xi-1，允許的偏差值為v，若xi-xi-1大于v，則將此xi用xi-1+v/2代替；若xi-xi-1小于v，則將此xi用xi-1-v/2代替；否則當(dāng)前測(cè)量值xi直接進(jìn)入窗口，再將不含奇異值的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式加權(quán)平均濾波。

加噪的二次諧波信號(hào)分別由普通S-G濾波、小波變換濾波（工具箱的調(diào)用講解）和改正的S-G濾波進(jìn)行處理，得出濾波效果分別如圖2所示。其中S-G濾波的窗口寬度設(shè)置為19，用三階多項(xiàng)式來進(jìn)行最小二乘擬合。小波變換濾波中，選擇的小波函數(shù)為sym，確定分解層次為5進(jìn)行計(jì)算，對(duì)各分解尺度下選擇高頻系數(shù)閾值為6。改正的S-G濾波方法中，允許相鄰數(shù)據(jù)的偏差值v設(shè)置為0.15，窗口寬度同樣設(shè)置為19，用三階多項(xiàng)式來進(jìn)行最小二乘擬合，請(qǐng)學(xué)生對(duì)比數(shù)據(jù)濾波效果。

通過前面任務(wù)的驅(qū)動(dòng)，學(xué)生對(duì)MATLAB的計(jì)算功能和繪圖功能已經(jīng)非常理解，學(xué)習(xí)興趣及主動(dòng)性越來越強(qiáng)。最后進(jìn)行第八講，以TDLAS數(shù)學(xué)模型為例，講述Simulink建模仿真的操作方法，同時(shí)來驗(yàn)證前述模型的準(zhǔn)確性及模型與各主要參數(shù)的關(guān)系。具體分為光源模塊、氣室模塊和數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊，如圖3所示。

其中的數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊的輸入?yún)?shù)有入射光強(qiáng)I0、穿透光強(qiáng)It、入射光頻率v、氣體吸收中心頻率v0、譜線強(qiáng)度S（T）、譜線線型函數(shù)g（v）、光程L、氣壓P、分子濃度N。輸出參數(shù)有穿透光強(qiáng)的二次諧波I2f、氣室吸收曲線。

成果評(píng)價(jià) 為增強(qiáng)學(xué)生的成就感和主觀聯(lián)動(dòng)性，顧及“知識(shí)與技能”“過程與方法”“情感態(tài)度和價(jià)值觀”三個(gè)方面[3]，期末考核采用學(xué)生自評(píng)（30%）、互評(píng)（30%）和教師總評(píng)（40%）相結(jié)合的方式，打破傳統(tǒng)的卷面考試。主要考慮平時(shí)資料收集是否完成、總結(jié)方案是否可行、程序調(diào)試是否成功、實(shí)現(xiàn)方法是否單一、項(xiàng)目完成是否及時(shí)、回答問題是否正確等。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明，將任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法應(yīng)用在電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的MATLAB課程教學(xué)中，最終能顯著提高學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力和綜合素質(zhì)，滿足學(xué)生繼續(xù)求學(xué)深造或社會(huì)需求。但同時(shí)對(duì)教師也提出更高的要求，要求教師精通MATLAB應(yīng)用，有實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，且能有機(jī)聯(lián)系理論知識(shí)點(diǎn)，不斷總結(jié)教學(xué)課堂經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，才能達(dá)到更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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