MATLAB语言在高职理工科教学中的应用探讨

刘贞贤

天津海运职业学院，天津 300350

MATLAB语言在高职理工科教学中的应用探讨

刘贞贤

天津海运职业学院，天津 300350

介绍了MATLAB语言的特点和功能，分析了高职院校理工科教学中存在的问题，指出在高职理工科中引入MATLAB的重要性。阐述了适当引入MATLAB语言可实现理工科中的数值计算、模拟仿真等，有助于提高教学效率，培养学生综合能力。

MATLAB语言；高职院校；理工科；教学研究

MATLAB languagev; ocationacl ollegess; ciencea nd engineering; teaching study

1 、MATLAB的背景和特点

1.1 MATLAB的背景

MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写，它是Mathworks公司在1984年推出的面向工程和计算的交互式计算软件，是目前国际公认的最优秀的科技应用软件之一。

MATLAB集数值计算、符号运算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体，已成为科学家、工程技术人员和管理人员的必备工具，被广泛应用于自动控制、生物医学工程、信号分析、语言处理、图像信号处理、信号工程、统计分析、计算机技术等行业的理论研究和工程设计中。

由于MATLAB的广泛应用和广阔的发展前景，国内外很多高校已经将MATLAB语言作为一门必修的基础计算机课程景象普及，并逐步将MATLAB应用在高等数学、普通物理、电路、信号与系统、自动控制理论、电磁场、理论力学等理工科课程的教学和科研工作中，以提高这些课程的教学水平和教学效率。在高职院校中，将MATLAB引入理工科课程的教学过程已经势在必行。

1.2 MATLAB的特点

首先，MATLAB界面友好，使用灵活方便。MATLAB语言简洁，语法简单，极易掌握；编程贴近人的思维特点，在科学计算和工程应用方面的编程效率远远高于其他高级语言。

其次，MATLAB具有强大的数值计算、作图和数据可视化功能。MATLAB能将数据以图形的方式显示出来，使数据间的关系清晰明了。MATLAB具有灵活的绘图功能，在程序的运行过程中，可以方便运用图形、图像、动画等多媒体技术直接表述数值计算结果，在图形坐标系的选择、颜色和线型等参数的设置等方面都极为灵活方便。

最后，MATLAB具有极强的可扩展性。功能强大的工具箱是MATLAB的另一大特色。工具箱中集合了面向各专门应用领域的高度优化的函数。工具箱是开放性的，可以直接调用，也可以根据需要进行修改和扩展，极大地减少了用户编程时的复杂度。同时MATLAB带有的API使得用户可以方便地在MATLAB与C，FORTRAN等其他程序设计语言之间建立数据通信。

2 、高职理工科教学现状分析

2.1 教学模式和方法传统、陈旧

目前大多数高职院校的教学仍然采用传统教学模式和方法。传统的黑板式教学缺乏生动性，理论过于繁琐，过于抽象，太多的理论推导和数值分析导致了老师难教，学生难学，并缺乏学习兴趣。

2.2 教学手段亟待改革

在高职教学改革的背景下，理工科的教学内容也必须进行改革，许多过去花费大量学时所讲的基本知识，现在只能用少量学时去讲，而一些新的理论与技术必须引入到课程教学中来。因此，必须紧跟时代步伐改革教学内容，彻底抛弃“老的但长久被当作经典的”教学手段，应用以现代计算工具为平台包括交句式图形界面等新型的教学工具。

2.3 理工科实验室建设落后

理工科的课程中含有很多物理实验，通过物理实验使学生将所学理论知识应用的实践中，在锻炼学生的动手能力和形成科学思维方式方面有举足轻重的作用。比如电路的设计和分析计算、电路和元器件的模拟、对实验数据的处理等。但是，长期以来，受传统教育思想及经费不足的影响，高职院校物理实验课程未被给予应有的重视，使得物理实验的设备严重不足，既有设备陈旧，远远落后于时代的科技发展[1]。目前高职院校的物理实验室建设规模和质量与本科高校差距巨大。另外，在实验教学方面，普遍采用的模式是由教师准备好实验仪器、讲解实验原理、拟定实验步骤，讲解过程也采用课堂黑板式教学传递知识的模式，学生只要按照拟定步骤测出数据即可。这种僵化的实验教学方式不能激发学生兴趣，抑制了学生的积极性和主动性，不利于培养学生的创新意识和创新能力。

3 、MATLAB在高职理工科教学中的应用

MATLAB软件在高职理工科的多门课程中均有很好的应用前景。从高等数学、普通物理到工程力学、机械设计、电工与电子技术、信号与系统、传感器与测控技术、电机拖动等理工科课程，都可以把它作为计算、绘图和数据分析的工具。

3.1 MATLAB在高职数学教学中的应用

数学是一门理论性强且又应用广泛的基础学科，是理工科学生的必修课。有人说，如果一门学科还没有发展到可以用数学来表述它，那么这门学科的发展就仍不完善。对高职的数学教学来讲，由于职业教育的特殊性，更应该加强数学应用性的教学，注重高职数学对后续专业课程的服务性。随着教学改革的深入开展和计算机应用技术的提高和普及，利用计算机进行辅助教学这种手段已逐步进入课堂教学领域。但是到目前为比，绝大多数数学教学对计算机的辅助应用仍停留在制作CAI课件上，更先进的教育思想和技术手段仍没有被大多数数学教师所接受，因而很多学生的学习仍然处于传统教学观念的被动状态。因此，在数学教学中，出现了像中科院院士李大潜所指出的那种长期存在的矛盾现象，即“一方面数学很有用、另一方面学生学了数学以后却不会用”[2]。

教师在数学教学中若能很好地使用MATLAB作为辅助教学软件，将在很大程度上降低教与学的难度，缩短数学理论与数学应用之间的距离，并能培养学生数学应用及创新的能力。MATLAB的符号数学工具箱（Symbolic Toolbox）具有强大的计算功能，它可以完成微积分运算、线性代数运算、整理和化简代数表达式、解方程、计算一些经典的数学函数、算术运算、变换等运算[3]。通过运用MATLAB中的符号数学工具箱可以解决高等数学教学中最常见的基本问题，如多项式运算、线性代数方程组求解、概率分布、方差分析、线性拟合、绘制复杂图形等，MATLAB还可以成为完成“数学实验”的有力助手。“数学实验”即在数学教学过程中，师生将实际问题简化假设，建立数学模型，用MATLAB编程计算结果，最后将计算结果放回到实际中应用和检验[4]。通过MATLAB语言降低了数学理论的抽象性，增强了直观性，增强了学习效益；通过学生自己动手操作和探究思考分析的过程，锻炼了学生自主思考解决问题的能力，提高了教学效果。

3.2 MATLAB在高职物理类课程教学中的应用

物理难教难学、课时减少内容增多，已成为理工科物理教学迫在眉睫需要着力解决的现实问题。而高职物理课程更面临着学生基础知识欠缺、学习积极性不高的问题。在物理教学中，教师常常面临着把大量公式、定理、定律、物理现象以可视化方式展现出映识论解操意 设场领理术体方产象关教操房评自师实3 0做 学时尝性和力院培宗品学 实学用团位理个 生参是作菇 过生课资和勤训实论业考神业来的艰巨任务。随着教学现代化的推动，基于Powerpoint和Flash的电子教案已经广泛应用并取得良好效果。但近现代物理问题及在生产实际中遇到的物理问题往往需要应用计算机数值计算的方法进行分析，这是单纯的电子课件所不能实现的。

另外，物理学科是在实验基础上发展起来的，物理教学需要大量实验的支撑。而高职院校在物理实验室的建设方面普遍存在经费不足的问题，使得大量的物理实验只能采用演示实验的方式进行。这种方式具有滞后性，实验现象消失快、不清晰，学生不易观察，教学效果不高。

M A T L A B的问世，为计算机提高物理课程教学效果提供了强有力的武器。MATLAB中的控制系统工具箱（Control System Toolbox）、通信工具箱（Communication Toolbox）、信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）、动态仿真工具箱（Simulink Toolbox）、图形处理工具箱（Image Processing Toolbox）使得MATLAB具有强大的运算和作图功能，且具备操作简单、效率高、扩展性强的优点。在电路基础方面，可使用MATLAB对微分方程进行求解从而进行电路暂态分析、分析三相不平衡交流电路、显示调试信号波形、模拟滤波器和示波器的功能等等[5]。通过引入MATLAB，可以将庞大的物理专业实验室“搬到”学生宿舍，学生掌握了MATLAB语言更能进行创新性研究与实验，更好、更深入形象地理解课程的内容，还可以进行探索性学习和实验。

4 、结语

近几年，MATLAB因其通俗易用和强有力的科学计算能力等优点已成为工程师和科研工作者的首选工具软件。在欧美的高校，MATLAB已经成为自动控制理论、信号与系统、数字信号处理等课程的基本教学工具，如佐治亚理工大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校等。国内的高校和一些高职院校也在将MATLAB引入理工科教学和开展MATLAB课程的方面做了很多积极的探索。高职院校在这方面起步晚、发展慢，还未能充分利用Matlab的强大资源。这需要广大高职院校教师提高自身素质，不断创新，跟上新的形势，将省时、省资金、便于操作的MATLAB又快又好地应用到理工科课程的教学过程中，进一步促进今后的教学和科研工作。

[1]李凌云，张敏锐，王海军，胡孔赞. MATLAB在高校物理实验教学中的应用[J]. 南京晓庄学院学报，2006（4）:122～124.

[2]包丽君. 基于MATLAB教学平台的高职数学教学改革与实践[J]. 宁波广播电视大学学报，2011（9）：73～75

[3]谭卫国. 基于Matlab符号数学工具箱的程序设计[J]. 电脑与信息技术，2004( 1) : 54.

[4]严文祥. 高等数学实验浅谈[J]. 长春理工大学学报（综合版），2006（3）：129～131.

[5]黄忠霖，黄京. 电力电子技术的MATLAB实践[M]. 北京：国防工业出版社，2009.

MATLAB language in vocational high school science and engineering teaching

LIU Zhengxian
Tianjin Maritime College , Tianjin , 300350

Describets he features and functionos f the MATLAB languagea, nalysis of the problemins science and engineerinteg achingi n vocation al colleges, pointedo ut that the introductioonf vocationsacl iencea nd engineeriinng the importance of the MATLAB. Elaborated the proper introduction of MATLAB languagec an realize the scienc e and engineerinng umericacl alculationsi, mulat ion and other, and It is helpfutl o improvte eaching efficiency and cultivate studentsc' omprehen sive ability.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.140