浅谈《MATLAB技术》课程教学改革

[摘要]根据MATLAB课程涉及范围广、综合性强等特点，提出针对专业需求提炼课程内容的改革思路，将MATLAB仿真研究融入到课堂教学和实验过程中，通过增强研究型学习引导学生应用所学知识解决实际问题，培养创新意识和动手能力。
[关键词]MATLAB 教学改革 研究型学习
[中图分类号]G712,TP319[文献标识码]A

MATLAB是一种面向科学与工程的高效计算与应用软件，在数学建模、信号处理、自动控制等众多领域有着广泛的应用，不仅深受广大科学家和工程师的喜爱，而且已经成为许多高校重要的教学与科研工具。因此，掌握MATLAB编程与高级应用，对理工科学生学习后续课程及毕业后从事工程技术等实际工作是非常有帮助的。本文以笔者所在计算机与通信学院开设的《MATLAB技术》课程为例，在分析课程教学现状及问题的基础上，针对通信工程专业对MATLAB软件的应用需求，对该课程的教学内容及教学方法等提出改进意见。
一、教学的现状及问题
《MATLAB技术》是我校通信工程本科专业的一门学科基础课程，旨在培养学生对专业应用软件的使用以及软件辅助分析问题和解决问题的能力。该课程的学习效果直接影响到很多后续专业课程的实验环节及课程设计、毕业设计等的开展。由于很多综合因素，课程的进展效果并不尽如人意。
在教学内容方面，MATLAB软件本身包含程序设计、基本应用和高级应用三大部分，各部分内容的应用方法和针对性各有不同[1]。通过短期学习要达到熟练编程环境、掌握数学分析和计算方法以及用户界面、工具箱、仿真模型等的使用确非易事。加上现有课程体系的教学内容对系统性、完整性要求过高，致使老师在有限的学时里“满堂灌”，同学们学完之后与自己的专业结合不起来，不知道用在哪？怎么用？这与高等教育的“应用型”要求还存在一定差距。
在教学形式方面，虽然采用了“理论学习+上机实验”的有机方式，但是以教师为中心的课堂教学氛围不活跃，师生互动比较薄弱，难以调动学生学习的积极性。上机实验学时有限，学生的自主学习和自我管理能力不足，实验资源和时间没有得到充分的利用，无法收到良好的教学效果。
针对以上问题，有必要结合专业特点和需求，对MATLAB课程的教学内容和教学方法加以改进，以培养学生的综合思维与应用能力。
二、教学改革的措施
（一）结合专业特点提炼教学内容
学会使用MATLAB软件并不是《MATLAB技术》课程的最终目的，更为关键的是培养学生如何利用该软件提供的功能进行分析、计算、解决问题的思维与能力。因此，有必要进一步提炼课程的教学内容，找准与后续专业课程的结合点[2]，真正发挥学科基础课程为后续主干课程的铺垫和服务作用，为专业课程的学习和将来开展科学研究工作打下良好的基础。
前面提到MATLAB课程的主要内容涉及基本应用、程序设计和高级应用三个部分。基本应用功能对专业的局限性不大，主要介绍MATLAB软件在线性代数问题、数据分析与统计、各种变换域中的数据处理、泛函和常微分方程求解等应用。其中常微分方程求解与傅里叶变换域的数据处理是《信号与线性系统》、《数字信号处理》等通信专业课程中经常遇到的问题，应当着重加以分析和讲解。MATLAB程序设计部分要求学生熟悉MATLAB的编程环境，能够编写简单的语句完成基础数学运算或解决应用问题。这与其它计算机高级语言的学习方法与目标是一致的，因此在有限的理论学时内不应花费太多的时间去强调编程的技法和技巧，可以通过上机实验环节和课后作业的方式帮助同学们加以熟练。MATLAB的高级应用是教学的难点也是重点，主要介绍图形用户界面（GUI）、各种工具包以及仿真模型（SIMULINK）的使用。MATLAB包含30余种功能性和学科性的工具包，因此这部分的内容应当着重加以选择，与专业方向进一步融合。例如信号处理工具包、图像处理工具包、通信工具包等，都对通信工程专业开展信号分析、频谱分析和通信系统仿真具有重要作用[3]。
总之，教学课程要力争做到以应用为主导，课程内容既精炼又系统，既适用又实用，要适合现阶段通信工程专业学生的实际水平和今后所需。
（二）引入仿真研究做好课前准备
多媒体教学是现代教育技术中经常采用的方法，也是提高教学质量的一个重要手段。图形、文字、声音、影像融为一体的效果，能够使教与学的活动变得更加丰富多彩，有助于吸引学生的注意力，营造良好的氛围，提高课堂时间的利用率[4]。但是先进的设备资源必须得到合理有效地利用，才能帮助教学效果取得改进。有些教师直接将板书内容“搬”到PPT上播放出来，多媒体教学成了原有公式、框图和图表等的简单载体，教学效果与写黑板没有多大区别；有些老师的教学课件内容繁多，令人眼花缭乱，反而分散了学生的注意力。因此在课前精心设计教学课件，提高PPT制作水平，才能充分发挥现代化教育资源的作用，有效避免设备资源的浪费。
在课件内容方面引入仿真研究，设计形象化的教学内容。利用MATLAB软件边讲解、边演示、边提问，请同学们思考回答然后马上修改程序验证问题的结果。把晦涩难懂的信号理论、通信过程、信号波形等内容通过屏幕直接展示给学生，将“耳听为虚”转变成 “眼见为实”。例如使用MATLAB信号处理工具箱中的窗函数设计与分析功能（Window Design & Analysis Tool），可以观察各种类型的窗函数（如图1、2所示）。在对话框中可以选择窗函数的类型、数据长度等参量，及时观察设计结果的时域和频域曲线。图3所示为增量调制编解码的波形，对比图中原信号与解码结果不难看出，在输入信号变化平缓的部分，编码器输出1、0交替码，相应的解码结果以正负阶距交替变化，形成颗粒噪声，失真不严重；而在输入信号变化过快的部分，解码信号因为不能跟踪信号的变化而引起斜率过载失真。通过调整仿真程序中的采样间隔和量化阶距等参量，可以进一步细致观察增量调制的特性，免去在黑板上反复画图的不便。仿真教学要求教师在课前做好充分的准备工作，深挖内容的精华与联系，对理论讲解与示例进行合理的设计和巧妙的结合。

（三）增强研究型学习改革考核方式
MATLAB不仅可以作为理论教学的示范性工具，同样可以作为仿真实验的有效工具。通过精心设计并科学组织上机实验，可以帮助学生将课堂所学的理论知识与实际应用方法联系在一起，提高融合知识、综合运用知识解决问题的能力。
实验内容的设计应当注重基础、突出应用。在上机实验环节增设研究型学习[5]，同学们可以3～5人为一个小组，自由选择与本课程内容有关、与实际问题相结合的课题开展研究。自主地提出问题、组织讨论、搜集资料、编制并调试MATLAB程序、最终得出结论。在此过程中充分调动并发挥每一个人的个性和能力，加强自主学习和团结协作的精神。实验中信号的视听效果使学生切身感受到利用所学知识解决问题的快乐，使他们感到原本抽象的知识也是如此的具体和生动，理论也如此地贴近于应用，从而极大地激发了学生的学习兴趣，逐步养成主动探究的态度和批判、创新的精神。
以往的考核方式主要是“理论考试+上机实验+平时作业”，其中理论考试占大部分比例，这种考核方式对培养学生的综合能力重视不够。增加研究型课题学习以后，可以从理论基础、上机操作能力、实际应用能力等方面综合的要求和考察学生对所学知识的掌握情况。理论考试着重要求学生对基本概念、基本运算和基本原理的掌握（50%）；上机实验重点考察学生实际动手编程的能力和熟练程度（20%）；研究型课题或仿真实验（30%）则反映出同学们应用所学知识解决实际问题的能力；这种考核方式更能立体的反映同学们对《MATLAB技术》这种综合应用型课程的学习效果。
三、结束语
随着社会发展和科技进步，高等教育面临着巨大的挑战，现代教育培养的目标对课程教学提出了传授知识与培养能力相结合的新要求，只有结合实际情况不断地改善和适应新的教育需求，才能达到素质教育的实质目标。通过教师课前的精心准备，教学内容的提炼及考核方式的转变，《MATLAB技术》课程将真正帮助同学们在掌握一种开发工具的基础上，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。
本文受到兰州理工大学“精品课程”资助
[参考文献]
[1]徐金明,张孟喜,丁涛.MATLAB实用教程[M].北京：清华大学出版社,2007.
[2]贺秀玲.理工科高等教育教学改革的几点思考[J].教育与职业,2010,Vol.23,pp:189-190.
[3]John G.Proakis, Masoud Salehi.现代通信系统——使用MATLAB[M].西安：西安电子科技大学出版社, 2001.
[4]王伟廉.高等学校课程研究导论[M].广州：广东高等教育出版社,2008.
[5]王艳芬,张晓光,李剑.加强MATLAB实验环节，促进研究性课程教学改革[J].实验技术与管理,2010,Vol.27,NO.11, pp:111-113.
（作者单位：兰州理工大学 计算机与通信学院 甘肃兰州）