MATLAB GUI工具箱在数理统计教学中的应用

李亚军

摘要：通过针对MATLAB可视化功能的设计出数理统计工具箱，使得目前数理统计课程中繁琐的MATLAB演示得以替代。该设工具箱界面友好，可交互信息充足，可以将数理统计中常用方法的计算结果直观简单地显示出来，便于课堂演示与应用。同时，通过实际教学例子展示了数理统计工具箱的具体运用过程，显示其简单易用的教学效果。

关键词：MATLAB GUI;数理统计;可视化;信息交互;教学

数理统计是具有广泛应用的一个数学分支，它以概率论为理论基础，根据试验或观察得到的数据来研究随机现象，从而对研究对象的客观规律做出种种合理的估计和判断。作为研究随机变量及其相互之间依赖关系内在规律的一门科学，它在自然科学、社会科学、人文科学等各个领域都有着广泛的运用，并取得了许多卓有成效的应用成果。数理统计分析已经成为进行科学研究、数据分析必不可少的重要方法与工具。在数理统计的教学中既要注重学生的理论基础和解题方法的掌握，更应提高学生运用matlab等数学软件解决实际问题的能力。

如今随着数学软件Matlab越来越成熟，学好数理统计就不仅仅是熟练的掌握其解题方法，更重要的是能够运用现有的软件进行庞大数据的处理。通常要解决一个问题要处理的数据是非常多的，靠手工计算根本不可能完成，更多的是借助现有的数学软件进行数据处理。所以，在数理统计的教学中不应该只是注重学生的理论基础和解题方法的掌握，更应提高学生运用软件来解决数学问题的意识。基于Matlab的数理统计教学演示课件的研发，正是着手于弥补课堂教学中单一的使用PPT向学生讲授繁重的手工解题方法，而无法领会运用数学软件直接解题的方便之处这一缺憾。

在现在的教学中，直接使用Matlab进行教学演示比较繁琐，如果我们能够研发出一种基于Matlab的数理统计教学课件，它是一种界面简洁，结果显示良好的用户自定义界面，能够很方便的调用像处理非参数估计、假设检验、方差分析、回归分析等问题的应用程序，并且能够在短时间内得出结果。本课题正是在着手解决上课直接运用Matlab主界面进行教学演示太过于繁琐这一缺憾，拟研发一种基于Matlab的数理统计教学课件，利用Matlab的图像处理和可视化功能，设计一种界面简洁，结果显示良好的用户自定义界面，使教学活动中能够方便而且快捷的处理与演示数理统计中各类问题，并且比较直观的显示结果，这对于提升学生的学习兴趣和教学效率的提高都有一定的意义。

1图形界面

MATLAB图形用户界面是一个由对象（Object）组成的用户界面，例如窗口，光标，按钮，菜单和文本描述。用户通过某种方法（例如鼠标或键盘）选择并激活这些图形对象，从而使计算机产生某些动作或更改，例如计算，绘图等。图形用户界面具有以下三个基本元素。

1.1组件

MATLAB GUI中的每个项目（例如按钮，标签，编辑框等）都是图形组件。组件可分为3类：图形控件（例如按钮，编辑框，列表，滚动条等），静态元素（例如窗口和文本字符串），菜单和坐标系。图形控件和静态元素具有uicontrol功能。菜单由功能uimenu和uicontextmenu创建。坐标系通常用于显示图形数据，并由函数axes创建创建。

1.2图形窗口

GUI的每个组件必须布置在图像窗口中。绘制数据图像时，通常会自动创建图像窗口。但是，也可以使用图形创建空的图像窗口，这些窗口通常用于防止和控制各种类型的组件。1.3回应

如果用户单击鼠标或使用键盘输入一些信息，则该程序必须相应地执行操作。鼠标单击或输入信息是一个事件。如果MATLAB程序运行相应的函数，则MATLAB函数肯定会响应。如果用户单击按钮，则此事件将不可避免地导致执行相应的MATLAB语句。这些相应的句子称为响应。只要执行了GUI的单个图形组件，就必须有响应。GUIDE开发环境是MATLAB提供的图形界面集成设计和开发环境，供GUI编程用户设计程序界面和编写程序功能核心。在MATLAB主界面中，选择File菜单的New子菜单下的GUI项目，以打开GUIDE启动对话框，如图1所示。用户可以创建新的GUI程序或打开现有的GUI程序。从图1可以看出，在创建新的GUI程序时可以使用四个不同的GUIDE模板。选择空白的GUI将打开空白的GUIDE设计界面。在GUIDE设计界面下，用户可以通过单击并拖动鼠标来创建自己的GUI程序界面。

2交互型数理统计工具箱的程序组成

针对课堂教学和软件实践的实际需求，使用MATLAB软件的图形用户界面（GUI）开发了一组交互式数学统计工具箱。工具箱的程序集包含23个程序文件，包括参数估计，假设检验，方差分析和回归分析。工具箱的基本结构如图2所示，假设检验工具箱的界面的屏幕截图如图3所示。

3应用实例分析

基于Matlab的数理统计工具箱，可以解决课堂教学中单一的使用PPT向学生讲授手工解题方法的繁琐过程，运用数学软件直接解题的便捷可以激发学生学习与运用数学软件的热情，提高课堂教学的效果。下面通过实例3种不同的求解方式展示数理统计工具箱在教学中的应用情况，

例1（矩估计）设某原料的净重服从 ，现随机抽取12袋，测得数据如下：

232.5，232.48，232.15，232.53，232.45，232.30，232.48，232.05，232.45，232.60，232.47，232.30（單位克），试用矩估计法估计测量值的均值

4结语

采用matlab GUI界面进行设计编程，将数理统计中的参数估计、假设检验、方差分析、回归分析进行整合，建立友好的输入输出界面，设计实现了具有可视化、交互性能的数理统计软件包，该软件使用简单，操作方便，显示友善，交互能力更强。通过对3种不同类型问题的求解方法进行比较表明，在教学中借助MATLAB软件开发的数理统计工具箱，不仅使学生对数理统计课程中的相关概念和方法加深了印象，而且利用MATLAB GUI改变了传统教学中的枯燥、繁琐的局面，提高了课堂效率，激发了同学们的兴趣，是弥补概率统计理论知识教学不足的有效途径，可进一步提高学生的综合素质。

参考文献：

[1]黄坚，刘德光.概率论与数理统计[M].科学出版社，2010.

[2]孟晗.概率论与数理统计[M].同济大学出版社，2010.

[3]常振海，刘薇，王丙参.概率统计计算及其MATLAB实现[M]，西南交通大学出版社，2015.