劉鑫
(河海大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院, 江蘇 常州)
工程教育專業(yè)認證(簡稱工程認證)是面向現(xiàn)代化教育而對高等院校的教學內(nèi)容提出了新的要求,它主要倡導了三個重要理念:(1)學生中心理念;(2)產(chǎn)出導向理念;(3)持續(xù)改進理念[1]。工程認證的主要意義在于讓學生取得畢業(yè)證書的同時,也獲得了進入國際就業(yè)市場的“門票”[2]。而對于高校而言,一直強調(diào)的“提升教學質(zhì)量”也第一次有了一個明確的參考框架。在這樣的背景和要求下,為了提高通信工程專業(yè)的本科人才培養(yǎng)質(zhì)量,作為通信工程專業(yè)的任課教師需要不斷完善、修正、改進本專業(yè)的教學大綱,以達到工程認證的基本要求,培養(yǎng)出高質(zhì)量的本科生人才。MATLAB作為一門簡單、易懂、易學的編程語言,它的應用性十分廣泛[3-5]。它能夠作為一門輔助的編程語言,培養(yǎng)學生的編程思維、鍛煉學生的編程能力、錘煉學生解決問題的能力、激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。鑒于此,本文對《MATLAB 基礎(chǔ)》課程的教學大綱進行了重新設(shè)計,目標在于進一步提升本門課程的教學質(zhì)量、深化本門課程的教學內(nèi)容、提高學生對于本門課程知識點的掌握程度。
《MATLAB 基礎(chǔ)》課程共計32 學時,是面向全體通信工程專業(yè)學生開設(shè)的一門專業(yè)選修課,采用理論教學與上機實驗相結(jié)合的授課模式,目的是為了使學生在掌握理論知識的同時,通過上機編程實踐進一步深入理解編程語言,解決實際問題。作為一門適用性十分廣泛、使用范圍十分普遍的編程語言,本文課程的主要作用是鍛煉學生的編程思維以及動手解決實際專業(yè)問題的能力,主要包括建立模型、激勵系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、算法實現(xiàn)等方面,最終培養(yǎng)學生在軟件編程方面的基本能力。通過本門課程的學習,進一步激發(fā)學生在軟件編程方面的興趣,熟練的運用所學知識進行科研方面的工作。
根據(jù)《MATLAB 基礎(chǔ)》課程的基本目標與通信工程專業(yè)認證標準中的畢業(yè)要求以及本專業(yè)對畢業(yè)要求所分解的2 個主要的指標點如下:
指標點1:能夠應用通信工程的基礎(chǔ)和專業(yè)知識, 對通信工程的復雜問題進行數(shù)據(jù)分析和綜合,得到有效結(jié)論。
指標點2:針對具體通信工程的復雜問題,能夠選擇和使用合適的現(xiàn)代工具對問題進行模擬分析和預測或控制。
本課程以MATLAB 編程語言的基本語句、語法、函數(shù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計,及其在科學分析與工程計算中的應用等問題為主要內(nèi)容,結(jié)合通信專業(yè)學生所需掌握的信號分析與系統(tǒng)建模等基本知識點,培養(yǎng)學生分析問題、解決問題,及工程創(chuàng)新應用的能力。本課程的教學目標與畢業(yè)要求具體對應關(guān)系如下。
1.教學目標1
掌握科學計算和工程應用,特別是通信工程研究領(lǐng)域中一般系統(tǒng)的建模和調(diào)試能力;掌握信號的時域和頻域分析、隨機過程和隨機數(shù)生成、白噪聲的產(chǎn)生、多元方程組的方程根的求解等基本建模知識;熟練掌握MATLAB 作為計算與系統(tǒng)仿真軟件,解決通信研究和工程應用中的相關(guān)問題。因此,教學目標1 支撐指標點1,即能夠應用自然科學知識對通信領(lǐng)域的復雜工程問題進行識別、表達和分析,以獲得結(jié)論。
2.教學目標2
掌握MATLAB 編程語言的基本語法和句柄等概念;掌握分支、循環(huán)、子函數(shù)和嵌套函數(shù)等用戶自定義函數(shù)的設(shè)計模式,并能以此對具體的科學計算和工程應用問題進行分析和調(diào)試。因此,教學目標2支撐指標點1,即能夠應用自然科學知識對通信領(lǐng)域的復雜工程問題進行識別、表達和分析,以獲得結(jié)論。
3.教學目標3
掌握MATLAB 仿真環(huán)境的基本系統(tǒng)設(shè)計及其調(diào)試過程,并能根據(jù)不同工程問題背景和性能要求,優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù),并測試改進,以達到系統(tǒng)的分析需求。因此,教學目標3 支撐指標點2,即針對具體通信工程的復雜問題,能夠選擇和使用合適的現(xiàn)代工具對問題進行模擬分析和預測或控制。
4.教學目標4
掌握復數(shù)、字符串、高維數(shù)組、稀疏陣、元胞陣和結(jié)構(gòu)陣等典型數(shù)組的基礎(chǔ)概念和實際應用;并能結(jié)合已有知識和相關(guān)應用例題的講解,使學生熟悉并掌握通信系統(tǒng)中的幾類典型信號的產(chǎn)生,及通信過程等基礎(chǔ)模型的構(gòu)造和分析。因此,教學目標4支撐指標點2,即針對具體通信工程的復雜問題,能夠選擇和使用合適的現(xiàn)代工具對問題進行模擬分析和預測或控制。
本門課程的課程目標與本專業(yè)的畢業(yè)要求之間的對應關(guān)系如下表1 所示,其中畢業(yè)要求中的“研究”在本課程中對應指標點1,畢業(yè)要求中的“使用現(xiàn)代工具”在本課程中對應指標點2。
表1 課程目標與畢業(yè)要求的對應關(guān)系表
本課程以MATLAB 編程語言的基本語句、語法、函數(shù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計,及其在科學分析與工程計算中的應用等問題為主要內(nèi)容,結(jié)合通信專業(yè)學生所需掌握的信號分析與系統(tǒng)建模等基本知識點,培養(yǎng)學生分析問題、解決問題,及工程創(chuàng)新應用的能力。更進一步,通過本課程的講解,進一步激發(fā)起學生的科研興趣。
《MATLAB 基礎(chǔ)》課程的全部教學內(nèi)容一共分為11 個章節(jié),在授課過程中,每個章節(jié)要緊抓教學內(nèi)容、基本要求、知識要點、重點難點、教學方法等5 個模塊。在本課程的教學大綱設(shè)計過程中,每個章節(jié)的主要內(nèi)容如下:1.MATLAB 基礎(chǔ)知識(包括MATLAB 的發(fā)展,數(shù)值計算、符號計算、繪圖等功能,MATLAB 的操作界面,命令格式與基本規(guī)則,搜索路徑設(shè)置,幫助信息獲取辦法等);2.MATLAB數(shù)據(jù)對象(包括數(shù)值數(shù)據(jù)及其操作、變量及其操作、MATLAB 數(shù)組及其操作、MATLAB 中三種運算、字符數(shù)據(jù)及其操作、結(jié)構(gòu)體對象和單元對象等);3.MATLAB 程序設(shè)計(MATLAB 的腳本編輯與實時腳本,順序、選擇、循環(huán)三種程序控制結(jié)構(gòu),函數(shù)文件及調(diào)用,程序調(diào)試,程序性能分析與優(yōu)化等);4.MATLAB 圖形繪制(包括二維曲線繪制,二維圖形繪制,三維圖形繪制,圖形修飾處理,圖像處理,交互式繪圖工具等);5.MATLAB 中線性代數(shù)數(shù)值計算(包括MATLAB 中的線性代數(shù)函數(shù),矩陣計算、線性方程求解、計算特征值和奇異值等);6.MATLAB 中數(shù)據(jù)分析與多項式計算(包括求最大值、最小值、和、積、平均值、中值、累加和、累乘積的方法,統(tǒng)計描述和排序,多項式的四則運算、求導、求值、求根、除法變換等);7.MATLAB 中數(shù)值微分計算(包括數(shù)值差分與差商,數(shù)值微分的實現(xiàn),數(shù)值積分的原理,定積分的數(shù)值求解實現(xiàn),多重定積分的數(shù)值求解實現(xiàn)等);8.MATLAB 中符號計算(包括符號對象的建立,符號對象的算術(shù)、關(guān)系、邏輯運算,符號極限、導數(shù)、積分,級數(shù)符號求和,符號方程求解,符號計算的可視化分析等);9.MATLAB 中圖形對象(包括圖形對象的句柄和屬性,圖形窗口對象,坐標軸對象,曲線對象,曲面對象,文本對象,動畫對象,光源對象,材質(zhì)處理等);10.MATLAB 中App 設(shè)計(包括圖形用戶界面的對象概述,控件的常用屬性,調(diào)用GUI函數(shù)建立圖形用戶界面,使用GUIDE 設(shè)計圖形用戶界面,利用App Designer 設(shè)計圖形用戶界面等);11.MATLAB 中Simulink 仿真與分析(包括Simulink 的工作環(huán)境,系統(tǒng)模型構(gòu)建,模塊參數(shù)設(shè)置,仿真參數(shù)設(shè)置,仿真結(jié)果分析,子系統(tǒng)的創(chuàng)建,子系統(tǒng)的封裝等)。
此外,本課程的教學內(nèi)容中還包含3 次課內(nèi)實驗,實驗名稱、實驗要求、實驗學時、實驗性質(zhì)、實驗人數(shù)等相關(guān)必要信息見下表2。在本門課程的教學過程中,課內(nèi)實驗是必須項,它和理論課程之間呈現(xiàn)了一個相輔相成的關(guān)系。即理論課程的學習是課內(nèi)實驗能夠順利開設(shè)的一個基礎(chǔ),而理論課程的開設(shè)能夠進一步促進學生對知識點的掌握、理解及運用。在課內(nèi)實驗進行過程中,學以致用并且進一步開發(fā)學生對于軟件編程、系統(tǒng)建模等領(lǐng)域的興趣。
表2 實驗項目名稱與目的要求等的關(guān)系
本門課程的教學具體要求包括:(1)課堂問題討論與課堂編程作業(yè);(2)不少于六次課后作業(yè),并且全部要求用計算機完成;(3)課外拓展編程作業(yè);(4)3 次課內(nèi)實驗;(5)期末考試。在期末考試成績評定過程中,分為課內(nèi)實驗、平時成績、期末考試成績?nèi)齻€大項。其中,課堂問題討論與課堂編程作業(yè)、課后作業(yè)、課外編程拓展作業(yè)均屬于平時成績。
特別需要強調(diào)的是,在平時成績評定過程中,對于積極參與討論、勇于探索的學生給予一定的加分鼓勵,一定要充分鼓勵學生有自己的想法并激發(fā)起學生的創(chuàng)造力。以下面的Simulink 模塊教學中一道習題為例:
在本題的解答過程中,最直觀的解題思路是利用一個三輸入的累加( 減) 器,取x''(t) 為輸出,再結(jié)合兩個積分器,構(gòu)造一個完整的Simulink 仿真模塊,通過仿真可以得到上述二階微分方程的解x(t) 。
解答思路1:取x''(t) 為累加( 減) 器的輸出,那么上述二階微分方程可變形為:
此時結(jié)合兩個積分器,可以構(gòu)造一個Simulink仿真模塊如圖1 所示。
圖1 思路1 中的Simulink 模塊
但是為了進一步激發(fā)學生的創(chuàng)造力,鼓勵學生有自己的想法,本題的解題思路大可以不拘一格,還有其他的解題思路。同樣利用一個三輸入的累加( 減) 器,我們還可以直接取方程的解x(t) 為輸出,此時再結(jié)合兩個微分器構(gòu)造一個完整的Simulink 仿真模塊。
解答思路2:取x(t) 為累加(減)器的輸出,此時上述二階微分方程可變形為:
此時再結(jié)合兩個微分器構(gòu)造Simulink 仿真模塊如圖2 所示。
圖2 思路2 中的Simulink 模塊
最后通過仿真上述兩個Simulink 模塊,我們可以得到題目中的二階微分方程的解x(t) 如圖3 所示。
圖3 二階微分方程的解
以本題為例,對于那些善于思考且富有創(chuàng)造力,利用多種思路去解決問題學生應該多加以鼓勵,在平時成績打分的時候應該給予一定的加分。
(1)融入點1:根據(jù)MATLAB 科學計算軟件的發(fā)展歷程,通過MATLAB 能夠保持在科學計算、通信仿真、數(shù)據(jù)分析與預測中的重要地位,以及MATLAB 在最新通信技術(shù)的應用,使學生體會自我發(fā)展、緊跟最新技術(shù)發(fā)展的重要性。
(2)融入點2:根據(jù)MATLAB 中腳本程序和Simulink 模型設(shè)計兩種方式能完成相同系統(tǒng)的仿真,根據(jù)同一圖形或曲面采用不同的修飾方法得到不同的結(jié)果,培養(yǎng)學生能多角度分析和處理問題的能力。
(3)融入點3:從MATLAB 中自定義函數(shù)、Simulink 中子系統(tǒng)設(shè)計提高系統(tǒng)仿真的協(xié)作性,加強學生協(xié)作精神的培養(yǎng)。
(4)融入點4:現(xiàn)階段MATLAB 公司對我國某些高校,例如哈爾濱工業(yè)大學、哈爾濱工程大學等實施了技術(shù)封鎖,從此事實出發(fā)鼓勵學生勇于探索,積極奮斗,努力創(chuàng)造出屬于我們國家的編程軟件,培養(yǎng)學生的愛國情懷。
本門課程的考核方式與教學目標、畢業(yè)要求指標點對應如下表3 所示。表中各考核方式對應教學目標的百分比供參考,可根據(jù)教學實際進行適當調(diào)整,但需要保證對畢業(yè)要求指標點為高支撐的教學目標分值比例高于中等支撐的,而中等支撐的要高于低支撐的。課程綜合成績由平時成績、課內(nèi)實驗成績及期末考試成績?nèi)糠纸M成:平時成績包括課堂問題討論與課堂編程作業(yè)、課后作業(yè)、課外編程拓展作業(yè),占20%;實驗成績包括出勤、實踐能力、實驗報告,占20%;考試方式為半開卷筆試,考試成績占60%。具體的比重可根據(jù)實際情況做出適當調(diào)整。
表3 考核方式與教學目標、畢業(yè)要求指標點對應表
本文在工程教育專業(yè)認證的背景下,以《MATLAB 基礎(chǔ)》課程為例,對現(xiàn)有的教學大綱進行了重新設(shè)計與完善。目標是為了使本文所設(shè)計的教學大綱滿足工程認證的基本要求,進一步提升本門課程的教學質(zhì)量,進一步深化學生對于本門課程知識點的掌握與運用。通過理論與實際相結(jié)合的培養(yǎng)方式,提升學生的編程水平、錘煉學生的創(chuàng)新能力、鍛煉學生解決實際問題的能力。