基于案例的MATLAB教学探讨与实践

贺跃帮　王天雷　李兴春　杨敏

摘 要：针对应用型教育要求，考虑现阶段大学教育中应用MATLAB语言仿真辅助教学缺乏实践能力培养问题，提出了基于MATLAB的案例教学方法，以三轴电子罗盘数据分析与参数辨识为例，从介绍案例背景、算法原理、编程与调试以及结果分析着手，向学生讲述了MATLAB语言的应用和实际问题的求解，加深了学生对课堂知识的理解，培养了学生的实践能力。

关键词：MATLAB 案例教学 参数辨识

中图分类号：G423 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0226-03

MATLAB是由美国MathWorks公司于1984年推出的一种科学计算语言。该编程语言采用解释执行的方式，涵盖了高等数学、数理统计、数字信号处理、控制系统模拟以及系统辨识等领域，能够有效辅助大学自动化专业《自动控制原理》《信号处理》《计算机控制技术》等专业课程的教学，成为本科生需要掌握的必不可少的编程语言之一[1]。然而，利用MATLAB语言辅助其他专业课程的教学，以解决其他专业课程传统实验耗时大、成本高等问题，其本身只是一种仿真实验[2-5]，不满足应用型教育要求。解决此问题的一种有效方法是在MATLAB语言教学过程中，不仅讲解如何利用MATLAB语言辅助其他专业知识的仿真，而且讲解解决如何利用MATLAB语言辅助其他专业知识解决实际问题。这样，在其他专业课利用MATLAB语言仿真辅助教学时，学生可以轻松联系上实际问题，避免出现学会但不会应用的问题。基于此，笔者在近几年MATLAB的教学过程中，充分利用本身科研项目和学生竞赛项目中存在的实际问题，采用案例教学法，培养学生利用MATLAB解決实际问题的能力，有效激发了学生的学习兴趣，获得了较好的教学效果。

1 案例教学举例

传统MATLAB语言教学一般遵循数据类型介绍、数值运算介绍、程序设计与函数编写等步骤，循序渐进，能够较好地向学生传授MATLAB语言知识。但学生在学习过程中容易陷入只见树木不见森林的境地，即能够掌握所有编程细节和方法，但缺乏将所学知识整合在一起解决实际问题的能力。鉴于此，笔者在讲述《MATLAB与控制系统仿真实践》教材第4章MATLAB语言的程序设计的课堂中[6]，以电子罗盘数据分析与参数辨识为例，向学生展示MATLAB应用于实际问题求解和代码编写的整个过程。

2 电子罗盘数据分析与应用背景介绍

三轴电子罗盘可用于测量地球磁场方向，被广泛应用于无人机的航向测量中。但是，由于电子罗盘安装位置受到导磁物质和电流影响，使得测量受到常值干扰，另外三轴安装也可能存在误差需要补偿，整个量测方程可由下式描述。

2.1 编程和调试

课堂教学中，可根据以上理论分析，现场一行一行MATLAB代码实现。实现过程中可对MATLAB语言进行详细讲解，如while，if以及mean，std函数的用法介绍以完成教学任务。同时需注意与学生的互动，充分引领学生进入案例情景，理解程序实现流程，掌握实际问题求解步骤。三轴电子罗盘数据分析与参数辨识整体程序如下：

在编写过程中，可以故意编错或编写不完整，从而引领学生调试程序，分析数据。如去掉while循环，则在分析数据时会发现有些点误差较大，按照统计学理论可归为疏忽误差或人为误差，需要去掉，从而引入while循环。

2.2 结果分析

运行以上程序，可得图2和图3结果。从中可以看出拟合误差非常小，说明采用1.2所示方案是可行的。课堂中也可以通过work工作区间查看变量i、A、C以及std_error变量，向学生阐述结果的可靠性。

通过以上案例介绍，理论分析，编程实现以及结果分析可以看出，在讲解案例过程中，不仅仅可以讲述MATLAB编程语言，还可以让学生了解运用MATLAB实现实际问题求解的整个过程，极大地促进了学生对理论指导实践、实践检验理论的认识，加深了学生对课堂知识的理解，培养了学生的实践能力，满足了应用型教育要求。

3 结论

该文针对应用型教育要求，在MATLAB教学过程中采用案例教学法，以三轴电子罗盘数据分析和参数辨识为例，在讲述MATLAB编程语言的同时，通过实际问题理论介绍、MATLAB求解编程与调试、结果分析等步骤让学生全面了解运用MATLAB求解实际问题的整个过程，极大地促进了学生对课堂知识的理解和实践能力的提高。

参考文献

[1] 王燕平.控制系统仿真与CAD[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2] 李占英，张明君，于晓海，等.应用型人才培养的“自动控制原理”教学改革[J].中国电力教育，2013（7）：82-83.

[3] 姚芝凤，徐凤霞，于颖.控制系统CAD与仿真教学的案例教学模式[J].高师理科学刊，2013，33（3）：92-93.

[4] 彭金柱，刘燕.基于案例的控制系统辅助设计课程教学改革与实践[J].科技创新导报，2013（31）：103-104.

[5] 冯肖亮，宋强，闫晶晶.“控制系统仿真与CAD”教学改革与探索[J].高教学刊，2015（19）：108-109.

[6] 赵广元.MATLAB与控制系统仿真实践[M].3版.北京航空航天大学出版社，2016.