MATLAB與科學計算教學改革的實踐與探索

吳松松 姚永芳 梁志偉（南京郵電大學自動化學院210023）

MATLAB與科學計算教學改革的實踐與探索

吳松松 姚永芳 梁志偉（南京郵電大學自動化學院210023）

MATLAB與科學計算作為理工科高等院校開設的一門專業基礎課程，旨在培養學生運用現代數學建模手段分析解決科學和工程問題的能力?？茖W計算的抽象性和MATLAB軟件的實用背景強調理論分析和實踐應用并重，這對課程教學提出了新的挑戰。作者在面向理工強化班開設的MATLAB與科學計算課程中，以學生素質培養為目標，分析了課程改革的重點難點問題，從授課、實訓等方面進行了教學改革，探索了新的教學模式。通過課程教學改革實踐，學生的專業基礎、科學素養和實踐能力均得到了有效提高。

MATLAB與科學計算教學改革素質培養工程實踐

一、引言

MATLAB作為當前世界上最為強大的商用科學和工程計算平臺之一，廣泛應用于基礎科學研究、信息科學工程、機械制造、醫學醫療以及經濟金融等領域[1]。數值計算探討如何運用計算機解決科學和工程問題中的計算問題，其觀點和理論貫穿MATLAB軟件的使用過程。如果按照常規工科技術類課程的教學方法，學生將迷失于抽象的計算理論和紛繁的MATLAB指令系統中，不僅無法形成運用數學建模思想和MATLAB解決實際問題的能力，也很容易喪失學習興趣，對課程內容產生畏難情緒。

我們在面向南京郵電大學理工強化班學生開設的“MATLAB與科學計算”課程中進行了課程教學改革的實踐與探索。我們提出在教學全過程面向科學研究和工程應用，將傳統的知識傳授式教學轉變成問題導向的研究型教學。通過將研究型教學理論與課程教學實踐相結合，激發學生在學習過程中由被動接受者向發現者和探索者的身份轉變，將獨立學習與終身學習的理念植入學生的學習意識中，為其后期進一步的能力培養打下基礎。

二、課程教學改革中的重點和難點問題

1.科學計算包含線性代數、微積分、概率論與數理統計等基礎理論并涉及通信、電子和控制等應用科學[2]；MATLAB作為一種計算機語言和仿真實驗工具有其紛繁復雜的指令和大量的編程技巧，學生容易因面對大量的學習內容導致學習效果差甚至學習興趣低迷[3]。因此，如何通過創新性的內容設計和授課方式引導學生在熟練掌握MATLAB平臺的語言特性和編程技術上理解計算理論的基本概念和關鍵算法，同時改善學習效果和增強學習興趣是課程教學改革需要解決的首要問題。

2.目前的教學實踐是基于原理介紹和簡單示例開展的，這會導致學生的學習效果僅停留在知曉了理論上的結論，但無法轉化為能運用的知識。如何幫助學生打通理論和實踐之間的壁壘，通過解決實際問題理解并掌握本課程中的重點知識，培養其自主學習能力和知識轉化能力是本課程教改項目需要解決的另一個問題。

三、課程授課方式改革

（一）實例式學習

MATLAB不僅具有龐大的基礎指令庫，同時面向科研和工程各行業還推出了龐雜的工具箱，這給初次接觸該軟件的學生會造成較大的學習心理壓力[4]。通過實例式學習，首先由學生已經熟悉的高等數學、線性代數、大學物理在MATLAB中的應用實例入手，讓學生獲得運用MATLAB解決問題的成就感，從而方便地建立起對MATLAB的初步認識。在此基礎上，將教學大綱要求的知識點全部落實到可實際操作的實例上，讓學生更易于明晰學習目的。同時，學生也更傾向于帶著疑問進行聽課，加深對課程重點與難點的理解。

（二）對象式培養

本課程面向理工強化班學生，通常這類學生具有扎實的基礎，明確的學習目標，自學能力也較強。因此，將授課內容分為兩個層面：基礎層面和拓展層面?；A層面是根據培養計劃和教學大綱將課程的基礎概念、基本原理和關鍵技術提取出來，在授課時面向全體學生進行講解。拓展層面則是從MATLAB的工具箱集合中選擇出符號運算工具箱、通訊工具箱、自動控制工具箱、信號處理工具箱、圖像處理工具箱等工具箱供學生選擇，學生根據專業相關性以三人一組為單位對所選擇的工具箱進行深入學習。我們針對不同組的學生布置對應內容的作業，激發學生對于本專業相關內容和問題積極思考，并培養查閱資料解決問題的能力，使得學生學習收益最大化。

（三）互動式教學

在課堂上結合講授內容對學生進行有針對性的提問與解答，以關鍵知識點和難度恰當的擴展內容為出發點，營造學術和技術討論的氛圍，引導學生主動思考并鍛煉發散性思維。教學實踐過程中注意觀測學生的反應并及時做出調整。另外，采取在班干部的輔助下對積極分子給予獎勵平時成績等措施以提高學生的參與積極性。

四、實踐訓練方式改革

實驗課是學生設計、編程利用MATLAB解決相關科學計算和工程問題的過程，是課程教學的重要組成部分，能滿足學生的學習成就感[5]。我們考慮了學生在基礎知識、科學素養和動手能力方面的差異，在設計實驗內容時采用了較為廣泛的應用問題并設置不同的難點供學生選擇。實驗內容由基礎實驗、綜合實驗與研究探索實驗三部分組成，強調通過基本技能訓練、綜合能力培養、開放研究實驗鍛煉，促進學生由知識技能獲取到能力素質提高的轉變。

五、進一步實施方案和完善措施

1.隨著相關領域的發展，“MATLAB與科學計算”課程涉及的內容更新速度較快，如何保證學生掌握課程核心知識點的同時，了解和掌握關鍵的進展，同時引導學生主動關注相關前沿動態是下一步方案需要考慮的問題。

2.根據學生個體在專業基礎、學習效果和效率、主觀能動性等方面的差異進一步完善交互式教學和課程考核的方案，從而實現每個學生在達到本課程教學目標的基礎上能獲得符合自身實際和目標的能力發展。

[1]張志涌,楊祖櫻.MATLAB教程R2012a[M].北京航空航天大學出版社,2010.

[2]（美）夏普若著,唐玲艷,田尊華譯.工程與科學數值方法的MATLAB實現（第二版）[M].清華大學出版社,2009.

[3]周本海.探析Matlab教學中科學素養的培育[J].考試周刊.2015（7）:154-155.

[4]張石清.基于MATLAB的語音信號處理教學改革[J].吉林省教育學院學報,2015(31): 79-80.

[5]劉曉玉.基于教學目標的MATLAB語言課程教學方法探索[J].計算機教育,2015(3): 59-61.

江蘇省2015年度研究生教改課題（JGLX15_055）。

（責編 張 宇）