MATLAB与科学计算教学改革的实践与探索

吴松松 姚永芳 梁志伟（南京邮电大学自动化学院210023）

MATLAB与科学计算教学改革的实践与探索

吴松松 姚永芳 梁志伟（南京邮电大学自动化学院210023）

MATLAB与科学计算作为理工科高等院校开设的一门专业基础课程，旨在培养学生运用现代数学建模手段分析解决科学和工程问题的能力。科学计算的抽象性和MATLAB软件的实用背景强调理论分析和实践应用并重，这对课程教学提出了新的挑战。作者在面向理工强化班开设的MATLAB与科学计算课程中，以学生素质培养为目标，分析了课程改革的重点难点问题，从授课、实训等方面进行了教学改革，探索了新的教学模式。通过课程教学改革实践，学生的专业基础、科学素养和实践能力均得到了有效提高。

MATLAB与科学计算教学改革素质培养工程实践

一、引言

MATLAB作为当前世界上最为强大的商用科学和工程计算平台之一，广泛应用于基础科学研究、信息科学工程、机械制造、医学医疗以及经济金融等领域[1]。数值计算探讨如何运用计算机解决科学和工程问题中的计算问题，其观点和理论贯穿MATLAB软件的使用过程。如果按照常规工科技术类课程的教学方法，学生将迷失于抽象的计算理论和纷繁的MATLAB指令系统中，不仅无法形成运用数学建模思想和MATLAB解决实际问题的能力，也很容易丧失学习兴趣，对课程内容产生畏难情绪。

我们在面向南京邮电大学理工强化班学生开设的“MATLAB与科学计算”课程中进行了课程教学改革的实践与探索。我们提出在教学全过程面向科学研究和工程应用，将传统的知识传授式教学转变成问题导向的研究型教学。通过将研究型教学理论与课程教学实践相结合，激发学生在学习过程中由被动接受者向发现者和探索者的身份转变，将独立学习与终身学习的理念植入学生的学习意识中，为其后期进一步的能力培养打下基础。

二、课程教学改革中的重点和难点问题

1.科学计算包含线性代数、微积分、概率论与数理统计等基础理论并涉及通信、电子和控制等应用科学[2]；MATLAB作为一种计算机语言和仿真实验工具有其纷繁复杂的指令和大量的编程技巧，学生容易因面对大量的学习内容导致学习效果差甚至学习兴趣低迷[3]。因此，如何通过创新性的内容设计和授课方式引导学生在熟练掌握MATLAB平台的语言特性和编程技术上理解计算理论的基本概念和关键算法，同时改善学习效果和增强学习兴趣是课程教学改革需要解决的首要问题。

2.目前的教学实践是基于原理介绍和简单示例开展的，这会导致学生的学习效果仅停留在知晓了理论上的结论，但无法转化为能运用的知识。如何帮助学生打通理论和实践之间的壁垒，通过解决实际问题理解并掌握本课程中的重点知识，培养其自主学习能力和知识转化能力是本课程教改项目需要解决的另一个问题。

三、课程授课方式改革

（一）实例式学习

MATLAB不仅具有庞大的基础指令库，同时面向科研和工程各行业还推出了庞杂的工具箱，这给初次接触该软件的学生会造成较大的学习心理压力[4]。通过实例式学习，首先由学生已经熟悉的高等数学、线性代数、大学物理在MATLAB中的应用实例入手，让学生获得运用MATLAB解决问题的成就感，从而方便地建立起对MATLAB的初步认识。在此基础上，将教学大纲要求的知识点全部落实到可实际操作的实例上，让学生更易于明晰学习目的。同时，学生也更倾向于带着疑问进行听课，加深对课程重点与难点的理解。

（二）对象式培养

本课程面向理工强化班学生，通常这类学生具有扎实的基础，明确的学习目标，自学能力也较强。因此，将授课内容分为两个层面：基础层面和拓展层面。基础层面是根据培养计划和教学大纲将课程的基础概念、基本原理和关键技术提取出来，在授课时面向全体学生进行讲解。拓展层面则是从MATLAB的工具箱集合中选择出符号运算工具箱、通讯工具箱、自动控制工具箱、信号处理工具箱、图像处理工具箱等工具箱供学生选择，学生根据专业相关性以三人一组为单位对所选择的工具箱进行深入学习。我们针对不同组的学生布置对应内容的作业，激发学生对于本专业相关内容和问题积极思考，并培养查阅资料解决问题的能力，使得学生学习收益最大化。

（三）互动式教学

在课堂上结合讲授内容对学生进行有针对性的提问与解答，以关键知识点和难度恰当的扩展内容为出发点，营造学术和技术讨论的氛围，引导学生主动思考并锻炼发散性思维。教学实践过程中注意观测学生的反应并及时做出调整。另外，采取在班干部的辅助下对积极分子给予奖励平时成绩等措施以提高学生的参与积极性。

四、实践训练方式改革

实验课是学生设计、编程利用MATLAB解决相关科学计算和工程问题的过程，是课程教学的重要组成部分，能满足学生的学习成就感[5]。我们考虑了学生在基础知识、科学素养和动手能力方面的差异，在设计实验内容时采用了较为广泛的应用问题并设置不同的难点供学生选择。实验内容由基础实验、综合实验与研究探索实验三部分组成，强调通过基本技能训练、综合能力培养、开放研究实验锻炼，促进学生由知识技能获取到能力素质提高的转变。

五、进一步实施方案和完善措施

1.随着相关领域的发展，“MATLAB与科学计算”课程涉及的内容更新速度较快，如何保证学生掌握课程核心知识点的同时，了解和掌握关键的进展，同时引导学生主动关注相关前沿动态是下一步方案需要考虑的问题。

2.根据学生个体在专业基础、学习效果和效率、主观能动性等方面的差异进一步完善交互式教学和课程考核的方案，从而实现每个学生在达到本课程教学目标的基础上能获得符合自身实际和目标的能力发展。

[1]张志涌,杨祖樱.MATLAB教程R2012a[M].北京航空航天大学出版社,2010.

[2]（美）夏普若著,唐玲艳,田尊华译.工程与科学数值方法的MATLAB实现（第二版）[M].清华大学出版社,2009.

[3]周本海.探析Matlab教学中科学素养的培育[J].考试周刊.2015（7）:154-155.

[4]张石清.基于MATLAB的语音信号处理教学改革[J].吉林省教育学院学报,2015(31): 79-80.

[5]刘晓玉.基于教学目标的MATLAB语言课程教学方法探索[J].计算机教育,2015(3): 59-61.

江苏省2015年度研究生教改课题（JGLX15_055）。

（责编 张 宇）