基于Matlab 的工科專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)改革探討

王志鵬

（南陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，河南 南陽 473061）

0 引言

工科專業(yè)基礎(chǔ)課程作為學(xué)生掌握和了解基本理論以及是為學(xué)生構(gòu)建知識框架、描繪未來發(fā)展設(shè)置的課程,在工科專業(yè)課程體系中起到關(guān)鍵作用。 學(xué)生對基礎(chǔ)課程的了解和掌握程度決定了學(xué)生未來的學(xué)習(xí)成果,甚至?xí)绊懙綄W(xué)生未來的發(fā)展。 因此,教師在教學(xué)改革中需要結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和能力,利用Matlab軟件輔助教學(xué)課程的開展,提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

1 工科專業(yè)基礎(chǔ)課程的特點及意義

1.1 工科專業(yè)基礎(chǔ)課程的特點

工科專業(yè)基礎(chǔ)課程是以工程領(lǐng)域基本技能、專業(yè)知識等為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)置的,且知識面廣,并有實用、深厚的工程背景提供支持。 工科專業(yè)基礎(chǔ)課程包括專業(yè)技術(shù)課程和專業(yè)理論課程,只有熟練掌握專業(yè)理論知識,才能展開深入的學(xué)習(xí)。 工科專業(yè)實踐課程是教授學(xué)生實驗技能和方法的訓(xùn)練課程,其注重對學(xué)生動手能力和思維能力的培養(yǎng)。 工科專業(yè)基礎(chǔ)課程與實踐課程相互聯(lián)系、密不可分,基礎(chǔ)理論課程指導(dǎo)實踐課程,實踐課程探索和驗證理論課程,基礎(chǔ)理論課程與實踐課程相互促進(jìn)和依托［1］。

1.2 工科專業(yè)基礎(chǔ)課程的意義

工科專業(yè)基礎(chǔ)課程設(shè)置的主要目的是為了提高學(xué)生解決、分析問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生實時求是和理論聯(lián)系生活的態(tài)度,獲得理論知識和技術(shù)的基本運(yùn)用方法,為科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)奠定基礎(chǔ)。 如通信工程專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)課程包括“電路分析基礎(chǔ)”“數(shù)字電子技術(shù)”等,這些都是學(xué)生必須掌握的基本理論知識,只有學(xué)生掌握基本技能和知識,才能合理運(yùn)用并設(shè)計出復(fù)雜的電路。 工科專業(yè)基礎(chǔ)課程的開展可以為學(xué)生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力、應(yīng)用能力的培養(yǎng)提供更多幫助,為復(fù)雜課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)［2］。

2 工科專業(yè)基礎(chǔ)課程改革思路

在基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中,通常是由教師為學(xué)生進(jìn)行講解,然后通過大量的習(xí)題,幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識,因此教學(xué)效果不夠理想。 由于工科專業(yè)基礎(chǔ)課程中的大部分理論和結(jié)論都是需要通過計算推倒而出,計算方式較為抽象且復(fù)雜,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中無法深刻理解其中的含義。 部分?jǐn)?shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的同學(xué)可能在學(xué)習(xí)過程中失去興趣。 除此之外,教師通過口述或播放實驗教學(xué)視頻的方式為學(xué)生講解基礎(chǔ)課程中的部分實踐內(nèi)容,這樣的方式嚴(yán)重影響了基礎(chǔ)課程的教學(xué)效果。 基礎(chǔ)課程理論知識與實際生活無法產(chǎn)生聯(lián)系,學(xué)生不具備將理論知識應(yīng)用到實際生活中的能力。 由此可以看出,教師過于重視對理論知識的傳授,而忽視了對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

因此,在工科專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)的改革中,需要從課程結(jié)構(gòu)開始,以學(xué)生作為教學(xué)課程的主體,教師起到主導(dǎo)作用,將基礎(chǔ)理論課程與實踐課程有機(jī)結(jié)合,體現(xiàn)出“做學(xué)一體”的思想。 除此之外,Matlab 教學(xué)軟件的出現(xiàn)為工科專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革提供了便利,可以借助Matlab 教學(xué)軟件開發(fā)出動態(tài)仿真與可視化圖形于一體的演示教學(xué)軟件,通過仿真模擬輔助教學(xué)課程的開展,如電子信息工程專業(yè)“信號與系統(tǒng)”基礎(chǔ)課程中對于信號的波形、濾波器設(shè)計、信號卷積等內(nèi)容都可以接借助Matlab 教學(xué)軟件進(jìn)行演示。 Matlab 教學(xué)軟件是輔助基礎(chǔ)理論課程開展的重要工具,可以調(diào)節(jié)枯燥、乏味的教學(xué)課堂,演示教學(xué)內(nèi)容,可以讓學(xué)生形象、直觀地掌握和了解基礎(chǔ)理論概念、特征等,從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效率［3］。 同時,Matlab 教學(xué)軟件可以將基礎(chǔ)課程中的難點、重點以及習(xí)題進(jìn)行仿真和模擬,讓學(xué)生進(jìn)一步地了解其中的應(yīng)用方法和原理,為后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

3 工科專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革

3.1 創(chuàng)新教學(xué)模式

在工程專業(yè)教學(xué)過程中,教師需要不斷優(yōu)化和完善教學(xué)模式,在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計上需要滿足教學(xué)課時和大綱的要求,在教學(xué)中需要集中對難點和重點知識的應(yīng)用和方法進(jìn)行講解。 同時,教學(xué)問題的設(shè)置需要控制好時間,避免出現(xiàn)教學(xué)課堂枯燥和乏味的現(xiàn)象。

工科專業(yè)基礎(chǔ)課程理論性較強(qiáng),信號、電路及數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多,采用傳統(tǒng)以講為主的教學(xué)方式會使教學(xué)課堂變得枯燥,而完全借助多媒體設(shè)備開展的教學(xué)方式,也會使學(xué)生的思維無法緊跟教學(xué)進(jìn)度。 因此,教師在基礎(chǔ)課程的設(shè)置上需要將板書與多媒體設(shè)備有機(jī)結(jié)合。 對于學(xué)生無法熟練掌握的重點知識,教師需要通過板書的方式為學(xué)生講解,放慢教學(xué)進(jìn)度讓學(xué)生緊跟教師的思路,為學(xué)生預(yù)留充分思考的時間。 在對信號、電路模擬圖的講解過程中,教師可以借助多媒體設(shè)備和Matlab 軟件的動態(tài)演示功能為學(xué)生展開教學(xué),這樣的方式不僅能夠讓學(xué)生集中注意力,而且也節(jié)省了繪制圖形的時間。 Matlab 和多媒體設(shè)備直觀和形象地展示知識的優(yōu)點,可以讓學(xué)生更快地掌握重難點知識［4］。

3.2 采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方式

由于工科專業(yè)基礎(chǔ)課程理論性較強(qiáng),在教學(xué)過程中,教師過于重視重難點知識,解決主要問題和矛盾,忽視了基礎(chǔ)知識的次要因素,不追求知識的嚴(yán)密性。例如,“模擬電子技術(shù)”課程中,半導(dǎo)體器件的學(xué)習(xí)是為了讓學(xué)生掌握正確使用和合理選擇的方法,重點不在于對半導(dǎo)體器件的設(shè)計,教學(xué)重點應(yīng)在學(xué)生對器件主要參數(shù)和特征的掌握。 在“電路分析”課程中,對于電路基礎(chǔ)知識的講解,完全可以與實際生活相聯(lián)系,在日常生活中,照明系統(tǒng)通常都是采用三相電路的方式,部分學(xué)生不理解為什么插座有三角插頭,教師在講解過程中可以聯(lián)系實際為學(xué)生詳細(xì)講解中線、火線、零線的作用。 將教學(xué)與實際生活相聯(lián)系,不僅能夠營造輕松的教學(xué)環(huán)境,而且能夠幫助學(xué)生更好地掌握基本知識,同時提高學(xué)習(xí)興趣。 在“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)過程中,教師應(yīng)當(dāng)著重對系統(tǒng)和信號進(jìn)行分析,強(qiáng)化系統(tǒng)設(shè)計與信息處理之間的聯(lián)系,并在講解的過程中適當(dāng)加入應(yīng)用背景和分析方法等,將基礎(chǔ)知識與現(xiàn)代技術(shù)相融合［5］。

3.3 實踐教學(xué)改革

實踐課程是為了培養(yǎng)學(xué)生將基礎(chǔ)理論知識熟練應(yīng)用到實際生活中,從而提高學(xué)生的動手能力。 在實踐教學(xué)開展過程中,若一味地按照教材中的實驗步驟進(jìn)行教學(xué),會使學(xué)生的創(chuàng)造能力無法得到發(fā)揮,也會使教學(xué)效果下降。 因此,在實踐課程的設(shè)置上,教師要設(shè)計綜合性、設(shè)計性強(qiáng)的實驗項目。 在實驗開展方法上,需要由驗證型、示范型向著研究型、參與型轉(zhuǎn)變,以學(xué)生為主,為學(xué)生提供實踐機(jī)會。 除此之外,在硬件設(shè)施實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上,需要軟件教學(xué)實驗,學(xué)生可以借助軟件更改實驗參數(shù),自己設(shè)計實驗流程進(jìn)行模擬實驗。

目前,大部分高校都開設(shè)了Matlab 課程,將其作為高校學(xué)生必須熟練掌握的軟件。 Matlab 軟件具備符號計算、數(shù)值計算和圖形處理等功能,能夠?qū)崿F(xiàn)編程結(jié)果和計算結(jié)果的可視化。 該軟件個性化和人性化的功能以及自然化的數(shù)字語言表達(dá),易于學(xué)生掌握和學(xué)習(xí)。Matlab 軟件具備豐富的功能,為學(xué)生和教師提供了便利的處理信息和圖形的工具。 Matlab 軟件具備的優(yōu)勢受到了廣大師生的喜愛［6］。 例如,在“信號與系統(tǒng)”實踐課程開展過程中,教師可以借助Matlab 軟件編寫教學(xué)大綱,同步實驗教學(xué)與理論教學(xué),具體步驟如下:(1）運(yùn)用Matlab 軟件分析系統(tǒng)的時域。 (2）利用Matlab 軟件分析連續(xù)系統(tǒng)和時間信號的頻域。 (3）利用Matlab軟件分析連續(xù)系統(tǒng)和時間信號的復(fù)頻域。 (4）利用Matlab 軟件分析離散時間的頻域的時域。 (5）利用Matlab 軟件分析離線系統(tǒng)頻域。 實踐教學(xué)課程的開展,可以幫助學(xué)生利用Matlab 軟件對系統(tǒng)和信號進(jìn)行仿真和分析,深入研究系統(tǒng)與信號的基本分析方法、基本理論、應(yīng)用方法。 除此之外,Matlab 軟件具備的可視化功能也能幫助學(xué)生集中注意力,讓學(xué)生從充分利用基礎(chǔ)理論知識解決實際問題中獲得樂趣,調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

4 結(jié)語

綜上所述,工科專業(yè)基礎(chǔ)課程對學(xué)生的知識儲備和基礎(chǔ)能力要求過高,需要學(xué)生具備分析復(fù)雜問題和驗證問題的能力。 工科專業(yè)基礎(chǔ)課程在理論方面較為完整和嚴(yán)謹(jǐn),各個章節(jié)之間聯(lián)系緊密,如果教師按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式,很難調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性。Matlab 軟件具備的演示和仿真功能可以加強(qiáng)學(xué)生對基礎(chǔ)知識掌握的廣度和深度。