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复杂工程驱动的MATLAB课程改革
摘 要：以成果为导向的工程教育理念重塑了学习与教学之间的关系,改变了传统的“灌输式”教育,取而代之的是学习型、研究型教育.这种人才培养理念集中体现在专业课程体系的建立中,同时也体现在诸如MATLAB（Matrix Laboratory）课程的各门专业课程教学过程中.本文结合课程特点,提出通过复杂工程问题中的高级数据处理和快速原型化来推进MATLAB课程内容教学以及驱动学生自主学习的教学设计思路,同时给出了复杂工程问题驱动的教学方式和学习成果评价方法.
关键词：MATLAB；复杂工程问题；工程教育；学习成果
基于矩阵运算的MATLAB是一种可用来分析和设计系统的科学计算工具,广泛应用于音频、视觉、无线通讯、深度学习等工程领域,可将产生于复杂系统中的数据,应用健壮的相关算法去理解发生过什么,预测将要发生什么,并进行决策或建议行动方向.另外,MATLAB通过扩展使得其代码可以与其他语言集成,加快了算法和应用程序的原型化[1].
以成果为导向的电子信息类工程人才培养理念强调以学生为主体,关注培养学生知识、能力和素质的教学经验与过程[2].这种人才培养理念集中体现在专业课程体系的建立中,它要求课程体系的建立以及课程的实施能够支撑学生将数学、自然科学、工程基础、专业知识和科学方法用于设计、解决、分析、研究和评价复杂工程问题,同时也体现在诸如MATLAB课程的各门专业课程教学过程中,并引导教师思考如何在教学过程中将成果导向的主动式教育替代传统内容导向的被动式教育[3],图1描述了该人才培养理念中各个关键环节的相互关系.本文基于成果导向的教育理念,结合MATLAB这一工具特点,提出通过复杂工程问题中的高级数据处理来推进课程内容教学以及驱动学生自主学习的教学设计思路,同时给出了复杂工程问题驱动的教学方式和学习成果评价方法.
一、复杂工程驱动教学法的特点
在以成果为导向的工程教育中,教师需转变课堂的重心,把关注点从知识转变到面临的复杂工程现象、困惑、挑战中得到解决问题[4].教师在教学过程中起到引导作用,起到对新形态、新形势下的与课程相关资源的整合、运用、组织和进一步的挖掘,包括对传统的书本、网络课程、视频、音频的整合.在教师的引导下将课程的浅学习转变为具有广度、深度和高度的知识[5].
以工程驱动的MATLAB教学方法正是基于对以上教育理念的思考而提出的.在教学过程中,学生的能力通过团队互动和创新得到训练,学生的素养通过工程所在的好的文化和环境得到熏陶,学生的智慧在复杂工程问题设计、解决和分析研究中通过对前人的仿效和进一步的提升来感悟.
二、复杂工程驱动的MATLAB教学内容新布局
传统的MATLAB课程的教学内容主要包括了MATLAB矩阵运算,其中的矩阵产生、赋值、引用和存储方式是学习的重点.在建立了矩阵的基本运算方法之后,进一步引出基于MATLAB的数值计算问题.除了数值计算之外,MATLAB符号运算也是作为一种特殊的高级语言具有的特点,将应用数值和符号计算的命令通过函数和脚本文件的形式表现出来,则完成了MATLAB语言编程的基本教学要求.另外,在各个教学内容讲解和实践中,矩阵数据的可视化是帮助学生理解和分析问题的关键手段,因此常常贯穿于整个教学过程中[6].
与传统教学内容不同,在复杂工程驱动的MATLAB教学中,我们主要强调的是工程应用和实现,因此教师除了需要提炼传统的课程知识点之外,还需要增加从MATLAB应用发布、代码生成、硬件在环、并行计算等方面引导学生进行复杂工程问题的设计、分析、实践和研究,把文本编辑、数学公式、代码、图形完美地结合,从而进行探索式编程和交互式描述.运用MATLAB上的应用程序模块、标准用户界面组件以及仪表、开关和指示灯,紧密结合可视化设计和代码开发,生成面向对象的代码,方便共享,最终实现从模型到样机验证直至工程化的快速迭代.新布局下MATLAB在工程中的应用框图如图2所示.
三、工程驱动的MATLAB教学方式和学习评价
当前,网络信息丰富,网络教育崛起,课堂教育模式日趋需要进行改变.为了改变传统“灌输式”被动学习的教学方式,MATLAB教学采用多种教学方式相结合,在解决工程问题的不同阶段以及在不同的单元中采用不同的教学方式,具体包括讲授、课程讨论、问题导向学习、分组合作学习、专题讨论、实践学习、发表学习等.
学习成果的评价是课程持续改进的基础,通常以学生课程成绩来体现.根据MATLAB课程特点,学生学习成绩的评价项目包括平时成绩、期中成绩和期末成绩.其中平时成绩占50%,期中成绩和期末成绩各占20%和30%.对平时成绩的细项配分是本课程体现工程驱动特点和学生学习成果导向教育理念的重点之一,具体包括观察为主的工程实践过程评价,动手能力和团队合作能力评价,答辩、汇报形式的语言表达能力评价,以工程项目的书面报告形式的文档书写评价,工程效果展示评价,等等.具体项目和分值如表1所示.
四、结语
工程驱动的MATLAB课程教学是以实现学生学习成果为出发点,通过设定课程预期目标来培养各个核心能力,并达成最终的学习成果.MATLAB课程内容与教学目标对应,涵盖与工程相关的设计、分析、实施等方面的教学内容,目标和内容不脱节,教学方法多样、明确,课程学习评价方法在传统的方法基础上作了调整,在比例和手段方面都有所增加.
参考文献：
[1]吴爱萍.基于任务驱动的Matlab与控制系统仿真教学方法改革[J].中国现代教育装备,2012,(11).
[2]李志义.我国工程教育改革的若干思考[J].中国高等教育,2012,(20).
[3]卢苇,蔡圆媛,邢薇薇.国际化软件人才培养模式改革与创新[J].高等工程教育研究,2013,(01).
[4]海莺.基于OBE模式的地方工科院校课程改革探析[J].当代教育理论与实践,2015,(04).
[5]姜宇,姜松.基于工程教育认证的教师教学创新能力研究[J].高校教育管理,2015,(06).
[6]张静亚.基于项目驱动的MATLAB教学方法研究[J].科技资讯,2014,(12).
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