王叔洋 楊藝

摘 要：電工電子實踐教學(xué)是眾多工科培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的重要課程。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)軟件在工科教學(xué)中的作用越來越重要，但其在應(yīng)用過程中面臨諸多問題。文章分析了數(shù)學(xué)軟件使用面臨的問題，闡述了移動端開源數(shù)學(xué)軟件獨特的優(yōu)勢。介紹了一款優(yōu)秀的開源數(shù)學(xué)軟件，并舉例說明其在電子實踐教學(xué)中取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：移動端；開源；數(shù)學(xué)軟件；實踐教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）16-0100-04

Abstract： The Electrical Engineering and Electronics Practical Teaching is an important course for many engineering students to cultivate their practical ability. With the development of computer technology， the mathematics software plays an increasingly important role in engineering teaching， and there is also a lot of problems in the application process. The article analyzes the problems when the mathematics software was used by students， and proposes the advantages of mobile open source mathematics software. The article introduces an open source mathematics software and shows good results in Electronic Practical Teaching.

Keywords： mobile terminal； open source； mathematics software； practical teaching

電工電子實踐教學(xué)一直在電子信息類、通信類、儀器類和電氣自動化類學(xué)生的培養(yǎng)中占據(jù)十分重要的地位。同時，在計算機類、化工類、材料類等工科學(xué)生的培養(yǎng)中也是相當(dāng)重要的課程。電工電子核心課程在本科培養(yǎng)計劃中處于先序位置，為其他專業(yè)課程的基礎(chǔ)。電工電子實踐教學(xué)強調(diào)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)造性的同時，也被一直強調(diào)理論實踐緊密聯(lián)系和理論的扎實性。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)軟件在電工電子類教學(xué)中的作用越來越明顯。早在22年前工科數(shù)學(xué)課委會就提出建議，強調(diào)了數(shù)學(xué)軟件的重要性。當(dāng)前數(shù)學(xué)軟件已經(jīng)滲透到科研的各個領(lǐng)域[1]。數(shù)學(xué)軟件在電工電子實踐教學(xué)中有不可替代的作用。在講解實踐課的理論部分時，通過數(shù)學(xué)軟件可以非常直觀的向?qū)W生們展示結(jié)果，數(shù)學(xué)軟件可以更方便的驗證許多模型。對于電路、模擬電子課程中，有時其理論分析會依靠學(xué)生的解題能力，學(xué)生不易快速發(fā)現(xiàn)問題[2]，這造成許多學(xué)生認(rèn)為電工電子偏難。數(shù)學(xué)軟件通過簡單的命令即可驗證相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，讓學(xué)生更具信心和興趣。又如實踐課中，在已知模型下找到最優(yōu)參數(shù)類問題，許多同學(xué)依靠Multisim仿真進行參數(shù)掃描，通過不斷調(diào)整掃描范圍和掃描步長得到器件的最優(yōu)近似值。而通過數(shù)學(xué)軟件進行求最值的命令，馬上就可以得到結(jié)果，不僅精確還更具說服力。

一、數(shù)學(xué)軟件在電工電子實踐課使用面臨的問題

數(shù)學(xué)軟件具有很多優(yōu)點，但是在電工電子實踐課中使用卻并不容易。主要面臨以下三個問題。

（一）大學(xué)低年級使用PC端數(shù)學(xué)軟件成為挑戰(zhàn)

電工電子核心課程在本科培養(yǎng)計劃中處于先序位置，為其他專業(yè)課程的基礎(chǔ)，所以其課程均安排在大一和大二上學(xué)期。這時的學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)編程語言，也還未開設(shè)Matlab相關(guān)課程，在PC上使用數(shù)學(xué)軟件成為一個很大的挑戰(zhàn)。

受到計算機游戲的沖擊，許多大學(xué)甚至禁止大學(xué)低年級同學(xué)使用計算機。而安裝PC端商用數(shù)學(xué)軟件也成為問題。一般商用數(shù)學(xué)軟件過于龐大和復(fù)雜，專業(yè)性較強的軟件電子信息和計算機相關(guān)專業(yè)的低年級學(xué)生還可以應(yīng)付，其他專業(yè)的學(xué)生顯得力不從心。

（二）經(jīng)費和設(shè)備問題

事實上，商用數(shù)學(xué)軟件的費用并不便宜，個人不可能負(fù)擔(dān)費用使用。一般在學(xué)校的通用機房不會有什么限制，每個學(xué)生都可以自由上網(wǎng)查找資料，例如圖書館的電子閱覽室或是全校機房。不過，這樣的通用機房都不會安裝價格昂貴的商用數(shù)學(xué)軟件。學(xué)院級的專用機房由專門的實驗室人員管理維護，并不會毫無限制的提供給學(xué)生使用。有些信息化比較好的高校，在沒有課的時間段可以讓學(xué)生們刷卡進入使用。有些專用機房為了便于維護，甚至僅組局域網(wǎng)不與互聯(lián)網(wǎng)相連，所以專用機房在閑時利用率并不高，也不在閑時開放。

（三）實踐課教學(xué)時長受限問題

實踐課是一門動手的課程，能夠?qū)⒗碚搼?yīng)用于實踐，受到理工科同學(xué)的歡迎，一般課堂上留大量時間給學(xué)生實踐。商用數(shù)學(xué)軟件功能強大，操作上手需要一定的時間。每堂課的時間有限，無法為學(xué)生們進行相關(guān)的培訓(xùn)。

在近年的電工電子實踐教學(xué)中，開源軟件技術(shù)、移動通信技術(shù)和手機的普及都在影響著大學(xué)課堂。通過探索，發(fā)現(xiàn)移動端開源數(shù)學(xué)軟件在電工電子實踐教學(xué)中具有很好的應(yīng)用。

二、移動端開源數(shù)學(xué)軟件的優(yōu)勢

（一）移動端帶來的優(yōu)勢

隨著移動網(wǎng)絡(luò)和智能終端的普及，在智能終端上的移動學(xué)習(xí)被重視。移動學(xué)習(xí)本身擺脫了空間和時間上的束縛，讓大學(xué)生利用自己在移動端的智能設(shè)備使用教學(xué)資源。大學(xué)專業(yè)課程新的教學(xué)模式體現(xiàn)了教師在教學(xué)過程中的主導(dǎo)地位，又要能充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主體作用[3]。

移動學(xué)習(xí)在數(shù)字化學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上通過有效結(jié)合移動計算技術(shù)帶給學(xué)習(xí)者隨時隨地學(xué)習(xí)的全新感受。移動學(xué)習(xí)的定義和內(nèi)涵有許多學(xué)者給出了不同的定義，但將移動網(wǎng)絡(luò)和移動端智能設(shè)備結(jié)合為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)模式將會成為趨勢。雖然移動端設(shè)備和移動網(wǎng)絡(luò)在大學(xué)中也具有不良的方面[4]，但“堵不如疏”，應(yīng)該以正確的引導(dǎo)和布置豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容來占用學(xué)生們沉迷游戲的時間，而不是讓游戲時間占用學(xué)習(xí)時間。

1. 移動學(xué)習(xí)具有移動特性。學(xué)習(xí)者可以在任何時間和地點學(xué)習(xí)，通過移動端設(shè)備獲取知識解惑，這就擺脫了在專用機房等待課余時間和地點的限制。

2.移動學(xué)習(xí)真正以學(xué)習(xí)者為中心。學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)狀況來決定學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)方式也可以自由選擇，可以獨立查找資料解決，也可以通過移動網(wǎng)絡(luò)與其它合作者溝通采用協(xié)作的方式解決疑惑。

3. 學(xué)習(xí)者可以獲得豐富的學(xué)習(xí)內(nèi)容。大學(xué)本科培養(yǎng)學(xué)生的目標(biāo)之一就是讓學(xué)生會學(xué)習(xí)，能夠通過自己的努力獲取新的知識。雖然系統(tǒng)的自學(xué)對于低年級本科生還有困難，但對于零散化知識學(xué)習(xí)和搜索，對于當(dāng)前學(xué)生已經(jīng)非常習(xí)慣。

（二）開源數(shù)學(xué)軟件帶來的優(yōu)勢

數(shù)學(xué)軟件含有許多算法程序，商用數(shù)學(xué)軟件由此崛起。商用數(shù)學(xué)軟件包含許多高質(zhì)量的算法，并經(jīng)過長期的測試和使用形成穩(wěn)定的版本。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)軟件也進行了廣泛的擴展，進入到許多數(shù)學(xué)領(lǐng)域和工程領(lǐng)域，使科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)變得更加具有效率。同時，商用數(shù)學(xué)軟件的價格也水漲船高，作為個人使用和開發(fā)則成本過高。開源的數(shù)學(xué)軟件則受到了歡迎。

1. 開源數(shù)學(xué)軟件解決資金和盜版問題

相比傳統(tǒng)商用軟件，在開發(fā)模式上開源軟件更強調(diào)共享、協(xié)同概念[5]。自由開源軟件在各個領(lǐng)域的應(yīng)用已是主流趨勢[6]。商用軟件讓軟件形成產(chǎn)業(yè)并崛起，提供了不計其數(shù)的高質(zhì)量應(yīng)用，顛覆了許多行業(yè)。但是軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展到今天，模式有了很大的變化，開源軟件獲得了令人矚目的成功。計算機操作系統(tǒng)桌面端windows仍然占據(jù)絕對優(yōu)勢，而服務(wù)器端linux則遠(yuǎn)超windows，特別在超算領(lǐng)域更是一枝獨秀。移動端的智能設(shè)備android也大大領(lǐng)先ios，而其他商用移動操作系統(tǒng)甚至無法進入統(tǒng)計。

近年開源的數(shù)學(xué)軟件則更加的熱門。由于編程語言Python的持續(xù)受到歡迎，開源的數(shù)學(xué)軟件包被更多的應(yīng)用。如數(shù)學(xué)計算基礎(chǔ)庫NumPy、數(shù)值計算庫SciPy、符號計算庫SymPy和繪圖庫matplotlib等。當(dāng)前火熱的深度學(xué)習(xí)計算包Tensorflow、Keras等。任何人都可以使用開源數(shù)學(xué)軟件，沒有高昂授權(quán)費用的問題，也就不存在盜版問題。特別是大學(xué)生以學(xué)習(xí)的目的來使用，不存在任何問題。

2. 開源數(shù)學(xué)軟件可以比肩商用數(shù)學(xué)軟件

比較熱門的通用商用數(shù)學(xué)軟件（不包含統(tǒng)計、數(shù)學(xué)規(guī)劃、幾何類專用數(shù)學(xué)軟件），有許多也推出了移動端的版本。例如：Matlab Mobile和WolframAlpha，但是Maple并沒有推出相應(yīng)的移動端版本。雖然Matlab Mobile的功能十分強大，但是其兩種模式均不是那么容易使用。第一種是與PC端的Matlab連接，通過PC上Matlab進行計算并返回計算結(jié)果。第二種與MathWorks公司計算平臺連接，但是需要賬號才可以登錄。

開源數(shù)學(xué)軟件中有一款可以與Matlab媲美的軟件叫sage。原本開源數(shù)學(xué)軟件包眾多也比較離散，一些初次接觸的使用者并不是很容易接受。隨著開源軟件運動的發(fā)展，華盛頓大學(xué)整合了眾多的已有開源數(shù)學(xué)包，推出了數(shù)學(xué)軟件sage足可以比肩商用數(shù)學(xué)軟件。目前sage可以用于基本的代數(shù)和微積分、線性代數(shù)、群論、數(shù)論、概率和數(shù)理統(tǒng)計、環(huán)和多項式等。其幫助系統(tǒng)也非常完善，說明和例子都很全面。除了用交互命令行外，sage還提供了一個Notebook界面，可以利用瀏覽器。

三、移動端開源數(shù)學(xué)軟件sage應(yīng)用舉例

sage數(shù)學(xué)軟件其計算功能可與Matlab相當(dāng)，甚至在符號計算等某些特定領(lǐng)域要優(yōu)于Matlab。所以在大學(xué)低年級涉及高等數(shù)學(xué)、矩陣和概率等應(yīng)用時，sage可完全滿足要求。sage提供下載二進制的安裝文件，在亞洲共有7個鏡像站點提供下載，中國有清華大學(xué)和中國科技大學(xué)這2個鏡像站點提供下載，其他5個站點分別分布在俄羅斯、日本、韓國和印度。如果想嘗試一下，暫不安裝至本地，可以用瀏覽器進入其云端版本免費注冊使用。令人驚訝的是其手機移動端版本，甚至不需要注冊，直接使用即可。其移動端應(yīng)用僅僅是個客戶端，自己寫的代碼會提交計算到華盛頓大學(xué)的服務(wù)器上，服務(wù)器將計算結(jié)果返回到移動端應(yīng)用界面顯示，所以移動端應(yīng)用的并不大量占用CPU、內(nèi)存和存儲資源，僅需要移動網(wǎng)絡(luò)可以使用。

（一）移動端開源數(shù)學(xué)軟件sage的優(yōu)勢

sage軟件具有三大優(yōu)勢。第一是免費使用，具有和Matlab相同的實力卻免費使用。第二是移動特性，安裝在手機上隨時隨地的計算。第三是編程簡單，對于大學(xué)低年級來說絕大部分問題幾句命令即可，不需要復(fù)雜的編程。sage在移動端啟動后的界面直接提供了一些簡單的例子，可以直接在例子上面修改，也可以添加自己的程序。

（二）電工電子實踐教學(xué)中的一個實例

在模擬電路課程實驗中，經(jīng)常會做一個“RC串并聯(lián)（文氏）網(wǎng)絡(luò)振蕩器”的實驗。其原理為通過電阻和電容組成的串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，選出一個固定頻率，然后通過放大器最終形成一個固定頻率的正弦波。其基本原理如圖1所示：

在實踐教學(xué)中，很多學(xué)生會有如下疑問

1. 為什么其幅頻特性不以995Hz為中心對稱分布？通常教材中畫成對稱的曲線形式。

2. 測量結(jié)果顯示從950Hz到1000Hz輸出幅值均為1V，那么為什么選頻只選出了995Hz？

這兩個問題從實驗測量的角度沒有辦法回答，從理論推導(dǎo)也不易回答。但是如果結(jié)合數(shù)學(xué)軟件則很容易回答而且清晰明了。

通過數(shù)學(xué)軟件繪圖功能可以很容易得到幅頻特性曲線。用sage畫出幅頻特性曲線的代碼和幅頻特性曲線如圖2所示。

通過曲線可以看出，真實的幅頻特性并不是以固定頻率為中心的對稱曲線，而教材中通常給出的是示意圖，不過幾乎所有的教材都沒有進行說明，導(dǎo)致了學(xué)生的誤解。

執(zhí)行結(jié)果如圖3所示：

在括號里的一對數(shù)值（900，0.99776），第一個數(shù)代表頻率為900Hz，第二個數(shù)代表幅度值0.99776V?？梢钥吹綇?50Hz到1040Hz的幅度值取小數(shù)點后三位時，近似值均為1.000V。由于測量儀器采用數(shù)字交流毫伏表精度為10-3，導(dǎo)致測量數(shù)值顯示均為1.000V（如表1所示），但其理論數(shù)值在10-4級別上仍有差異。另外，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的相移也是導(dǎo)致選頻995Hz的重要原因。通過以上數(shù)值就解釋了第二個問題。

其實，在實踐教學(xué)中還有非常多的例子來說明移動端開源數(shù)學(xué)軟件具有極高的方便性和輔助學(xué)習(xí)的價值。學(xué)生可以方便的使用功能強大的數(shù)學(xué)工具，隨時對理論和實踐中產(chǎn)生“沖突”或疑問的地方進行驗證。

四、結(jié)束語

移動互聯(lián)網(wǎng)、智能終端和開源軟件等技術(shù)的發(fā)展正在對教育產(chǎn)生越來越多的影響，每一次技術(shù)的變革都能夠促進教育的發(fā)展。因勢利導(dǎo)才能夠推動教育的提高。正如數(shù)學(xué)軟件引入工科教育后，讓學(xué)生對數(shù)學(xué)之于專業(yè)有了更深層次的認(rèn)識。而當(dāng)今移動端開源數(shù)學(xué)軟件如果能夠引入學(xué)生身邊，其必將具有強大的生命力。一個強大的數(shù)學(xué)工具伴隨著學(xué)生，對于學(xué)生理論聯(lián)系實際和對知識的整體認(rèn)知提供無疑具有莫大的幫助。

目前，只是將移動端開源數(shù)學(xué)軟件引入到學(xué)生身邊來，如果為了更好的讓學(xué)生使用，則應(yīng)建設(shè)自有的計算平臺的解決。

參考文獻：

[1]徐小湛.數(shù)學(xué)軟件在國外工科數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等數(shù)學(xué)研究，1999，2（4）：7-11.

[2]邵小軍，劉永壽，岳珠峰.談工科理論力學(xué)教學(xué)中數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用[J].力學(xué)與實踐，2007（29）：68-69.

[3]張楠.移動學(xué)習(xí)環(huán)境下高校實驗教學(xué)模式的創(chuàng)新和實踐[J].實驗室研究與探索，2014，33（10）：225-228.

[4]郎婧，伍玉林，肖慶生.移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對學(xué)校網(wǎng)絡(luò)文化及教育的影響[J].2013（6）：1-8.

[5]金芝，周明輝，張宇霞.開源軟件與開源軟件生態(tài)：現(xiàn)狀與趨勢[J].科技導(dǎo)報，2016，34（14）：42-48.

[6]尹永學(xué).自由開源軟件在高校教學(xué)中的應(yīng)用[J].高教視窗，2009（12）：156-157.