MATLAB课程教学模式改革探索

范羚

摘 要 Matlab是本科教学和学习中较为重要的仿真软件之一，也是一门实践性较强的学科。为提高教学效果，培养学生解决实际问题的能力，更好的与实际应用接轨，提出将Matlab编程与相关课程结合，进行Matlab模块化教学模式和分级实验的改革和探讨。实践证明，这种综合性教学模式有效的提高了学生的学习积极性，收到了较好的教学效果。

关键词 Matlab 模块化教学 分级实验 教学方法

中图分类号：G712 文献标识码：A

1存在问题

Matlab是目前国际上应用较广泛的科学与工程类计算软件，也是本科教学中理工科学生较为重要的一门基础工具课。现在，在我国各大高校中，Matlab已经成为大学生必须掌握的基本技能之一，人工智能，神经网络的学习更是离不开Matlab的仿真和验证。如何让Matlab技能课程的特点得到充分发挥，并区别于我系其他电子信息类专业课程，成为我系本科教学改革的主要内容之一。所谓技能课程，应该将实际应用放在首位，以提高学生的实际编程应用能力为主，而相关课程的理论学习可以为辅，或安排在高年段进行系统的理论学习。如大学生计算机基础，C语言等课程在我国多数高校中，已均在大一或大二完成教学，为学生后续相关课程的学习打下计算机及编程基础。因此，本次改革旨在提高Matlab课程的实用性，更好发挥其技能课的优势，辅助学生其他课程的学习。

目前，我系Matlab课程的教学安排较后，主要作为高年段学生的选修课程开设，而大部分与之关联的课程，如“信号与系统”，“数字信号处理”，“图像处理”，“语音信号处理”等均在大二或大三进行教学，这些课程理论性相对较强，学生缺少实际应用，对课程掌握深度不够。如何利用Matlab强大的矩阵处理与科学计算功能，帮助学生更深入掌握这些课程的理论知识，且利用Matlab中相关函数进行实际演示，便成为此次Matlab教学探讨的主要内容。本次教学改革将Matlab课程提前至第3学期开课，超前于数字信号处理，语音信号处理等课程，在学生学习完高等数学，线性代数的基础上，便进行Matlab软件的编程学习，让学生先学会用工具解决问题，再慢慢领会各种函数的编程原理，以突出Matlab技能课程的特点。

2课程改革的主要内容

针对Matlab课程的这些特点，本次教学改革的内容主要包括以下几个方面：

2.1适当提前Matlab课程教学学期

将Matlab课程开课学期提前至第3学期进行，更好的与“信号与系统”，“数字信号处理”及“语音信号处理”等课程相结合。第3学期的“信号与系统”课程中，涉及的傅里叶变换，拉普拉斯变换和z变换等理论，均可利用Matlab强大的编程能力进行编程和仿真。若将Matlab课程提前，可更好地將Matlab编程和相关的信号与系统理论相结合，让学生更深入理解傅里叶变换，拉普拉斯变换和z变换的原理，并将枯燥的理论公式，用形象具体的二维图像进行显示和处理，同时也可提高学生Matlab编程的能力。

2.2以模块化和分级实验为主进行教学方法改革

该课程在我系的教学计划中，理论学时为16学时，分别讲述Matlab的常用窗口和文件管理，数值计算，符号计算，可视化和图形用户界面（GUI）设计，及Matlab综合程序设计五大内容，并配以16学时的实验课。在实验课中以教材的这5个独立章节为基础，分别设计完成5个独立的实验，以教师指定实验题目为主，且大部分属于编程验证型实验，5个实验间并没有明显的相关性，也缺少和电子信息类其他课程的关联，绝大多数实验内容用独立的语句即可编程实现，学生自主发挥的余地较少。这样的实验设计虽然可以让学生掌握Matlab的基本编程原理，但与其他课程的关联性较小，独立的综合型实验较少，学生缺少主动创新性设计，较难区分学生思维及编程能力的高低。

因此提出以模块化为主的教学方法改革，旨在增强学生的学习兴趣和独立创新的能力，给不同学习程度的学生不同的发挥空间，尽可能做到因材施教。在理论课时中，除按教材给定的章节进行讲解外，注重与电子信息类相关课程进行适当结合，让学生体会到课程的连贯性和相互结合性，再配以相关实验进行辅助学习，以提高学生对课程的理解和运用能力。

在Matlab符号计算和数值计算两章中，将“Matlab”与“线性代数”结合，完成第一模块“Matlab在线性代数中的应用”实验，具体可设计线性代数方程的求解，方程特征值和特征向量的求解，多项式的拟合和插值等实验内容，属于基础验证型实验，旨在让学生熟悉Matlab的基本编程思路和编程模式，学习独立调试程序的方法。

在Matlab计算可视化和GUI设计章节中，将“Matlab”与“信号与系统”结合，完成第二模块“Matlab在信号处理中的应用”实验。该模块将结合信号与系统中的三大重要变换：傅里叶变换，拉普拉斯变换和z变换，分别选取时间域，频率域，S域和Z域为主要研究对象，对相关函数fft（），ifft（），laplace（），ilaplace（），ztrans（），iztrans（）等进行详细分析，并结合Matlab的可视化工具，利用GUI进行用户图形界面编程，设计完成一个可以和信号与系统课程相结合的辅助学习平台，加深学生对三大主要变换的理解，并在完成的用户图形界面中，分别对时域信号，频域信号，s域和z域信号进行展示。学生不仅可以掌握Matlab的可视化编程方法，更将信号与系统的课程进行了渗透，增强了课程间的相互关联性，提高了学生学习兴趣。

在Matlab程序设计章节中，根据教材内容，主要讲解Matlab程序设计中的流程控制，M函数文件和脚本文件的编程，函数调用和参数传递等高级编程方法。在此基础上，完成第三模块“Matlab在图像处理中的应用”实验。此前第二模块实验以处理一维信号为主，因此在第三模块实验中，以处理二维图像信号为主，将实验进行进一步提升。该模块实验以M函数文件和脚本文件编程为主，通过图像的打开，读取，变换，显示和保存等步骤，进一步强化Matlab的编程思路，培养学生严谨认真的编程习惯和编程风格。该模块实验分级进行，基础模块中主要实现数字图像处理的一些基本操作，如利用直方图完成图像的统计特性分析，利用点运算和代数运算完成图像的伪色彩处理和图像融合，根据图像时频变换的特点，完成二维图像的傅里叶变换和离散余弦变换等，并结合第二模块中的GUI设计完成基于数字图像处理的图形用户界面设计；提高模块中，设计一些较复杂的图像处理课题进行实验，如在学习图像处理的相关基础理论后，进行图像分割，图像边缘检测等综合型开放型实验，充分发挥学生的主动性，进行自主的多元化编程探索。实验过程中，教师将对编程过程中用到的理论知识进行讲解和指导，具体的实现步骤和处理过程则交由学生自主设计，以此来调动学生的学习积极性和自主创新的能力。

3总结

本次Matlab课程教学改革提出以模块化为基本教学手段的改革思路。在我系之前的教学安排中，Matlab课程理论课部分全部按教材的章节顺序进行授课，实验课程安排在理论课程全部结束之后，以各章节内容为依托，设计相关5个实验，但各实验间并无明显的相互联系和提高。此次教学模式探索，将在理论部分适当引入相关课程，如信号与系统，语音信号处理，图像处理等的基础知识，并结合高等数学，信号与系统，图像处理三大模块进行实验，将原来独立的验证型实验提升为设计型，综合型实验，同时也增加了各模块间的相互关联性。第一模块以Matlab在线性代数中的应用为主，进行一些多项式的变换，线性方程的求解等，旨在让学生熟悉Matlab的编程思路和编程方法；第二模块将Matlab和信号与系统课程结合，以一维信号变换为主，并进行相关GUI设计；在此基础上，进行第三模块设计，对二维图像进行变换编程，进一步提高学生的动手能力。在第三模块中，我们还将进行学生分级实验的改革，基础模块中进行图像处理的初级操作，提升模块中，完成较复杂的图像处理，如图像分割，边缘检测算法的实现等，并为后期的毕业设计课题做准备，以此做到因材施教。但此部分实验设计较难，需根据学生的学习水平进行实时调整和指导，课题需具备一定难度，但又必须在学生可以完成的范围内，不能超出。因此，需要教师对学生的学习情况进行综合了解，全面掌握学生的学习能力。

总之，如何根据Matlab语言的特点，进行有针对性的教学，是培养电子信息类应用型、创新型人才的一个重要任务。实践证明，根据Matlab课程特点提出的模块化教学改革，及分级型实验较好的结合了我系学生的具体实际，增加了学生学习的积极性和Matlab课程教学的实际效果。

基金项目：本文系“厦门工学院教学改革项目”（项目编号：JG2018017）的研究成果。

参考文献

[1] 张兴莉，刘勇.《MATLAB语言》课程教学过程改革的研究[J].科技创新导报，2018，15 （18）：208-209.

[2] 何海浪，林峰，黄乘顺.基于Matlab的《信号与系统》课程教学改革[J].教育教学论坛，2018（31）：119-120.