MATLAB课程教学改革与实践

朱高峰 张艳蕾 梁平元

摘 要 将任务驱动式教学方法灵活运用在MATLAB课程教学中，对MATALB课程教学内容进行归纳和优化，举例说明具体任务的教学过程。实践证明，任务驱动式教学方法能显著提高学生学习积极性和学习能力。

关键词 任务驱动式教学方法；MATLAB；教学改革；建模仿真；Simulink

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）06-0083-03

Teaching Reform and Practice in Course of MATLAB//ZHU Gao-

feng， ZHANG Yanlei， LIANG Pingyuan

Abstract The task-driven teaching method is flexibly used in MAT-

LAB course， the content of MATALB curriculum teaching is su-mmarized and optimized， for example， and the specific teaching task

is illustrated by examples. Practice shows that the task-driven teaching

method can improve students' enthusiasm and learning ability.

Key words task-driven teaching method； MATLAB； teaching reform；

modeling and simulation； Simulink

1 前言

MATLAB是美国The MathWorks推出的优秀数学软件，现已发展为一种多学科、多工作平台的大型工具，应用非常广泛，很多高校将其设置为专业必修课程。但多数高校教学课时分配较多、教学考核不严谨、学生学习效果很不理想。由此提出任务驱动式教学方法，指导思想是“自学为主、教授为辅，实践为主、理论为辅”，课堂上将实例和小项目进行合理配置，由学生主动上机操作，教师旁观辅助，共同完成教学任务。

2 任务规划

MATLAB课堂教学的目的和任务主要是使学生理解MATLAB

的数据类型、矩阵输入、语法结构及基本操作方法，使学生掌握基本的数值计算、符合运算方法和二维、三维绘图方法，能利用Simulink软件进行较简单的系统建模仿真处理，并会使用相关工具箱，为后续课程的学习、工程设计和科学研究打下基础。辅导教师既要考虑教学目的、教学内容和教学课时，又要注重学生的兴趣爱好和可操作性。因此，对MATLAB的课堂教学内容和知识结构进行总结和优化，项目任务可以合理配置如表1所示，每周一讲（四学时），共计32学时；未完成的教学内容作为课后作业，要求学生自学实践，并作为期末考核的主要内容之一。

3 具体实例

针对项目任务中的教学内容，可以有针对性地列举实际工程进行分析和应用，充分发挥学生的主动意识，引导学生进行项目资料查询，使项目任务意识贯穿整个教学过

程。现以“TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spec-

troscopy，可调谐半导体激光吸收光谱）系统检测氧气浓度”的教学内容为例，阐述MATLAB在实际工程中的数据处理、图形描绘、系统建模和仿真、工具箱的调用等应用。

教学说明 在第一讲布置课后资料查阅，让学生了解TDLAS系统的基本原理及气体浓度检测的数学模型，总结出二次谐波线型表达式为[1]：

其中，M=1-x2+m2，，，v0为氧气吸收峰的中心频率，vm为高频正弦波调制信号幅度，Δvc代表吸收谱线的半最大值全宽，I0′（t）表示由低频电流引起的输出光强的平均变化，N为吸收气体的体积浓度，L为吸收光程长，P为气体的静态总压强，S（T）为吸收线线强。其物理意义为：在气体温度、压强、吸收光程及硬件相关参数一定的情况下，二次谐波的幅值I2f与气体浓度N成正比。

任务驱动 根据公式（1）所述，可运用第一讲中的矩形相关运算，进行数学表达式编写，用linspace函数或冒号表达式产生行向量v的数据，从而析取到标准的二次谐波信号数据；通过第三讲中的高层画图内容，描绘出标准的二次谐波信号波形。为了便于后续数据滤波处理，利用awgn函数，人为加入高斯白噪声，对应6000个点的数据，对应白噪声的信噪比为30 db（如图1所示）。

在第三讲布置课后资料查阅，了解常见的数据滤波算法，如多周期信号平均处理、维纳滤波算法、卡尔曼滤波算法、小波变换滤波、多项式移动加权平均滤波（Savitsky-Golay滤波）算法（S-G算法）等[2]。在第六讲中简洁总结以上方法，重点以S-G算法为例开展教学。S-G滤波算法是对递推平均滤波法的改进，处理速度非常快，是工业在线应用非常广泛的数字信号处理技术；但不能有效克服因偶然因素引起的尖峰脉冲干扰，即如果数据存在较大的异常点，用最小二乘拟合所得到的模型就会有崩溃的危险。所以可稍作算法改进，将采集到的含有噪声的二次谐波信号，对每次进入窗口的数据进行预估值处理，即数值判定：设当前第i项的测量值为xi，上一次的测量值为xi-1，允许的偏差值为v，若xi-xi-1大于v，则将此xi用xi-1+v/2代替；若xi-xi-1小于v，则将此xi用xi-1-v/2代替；否则当前测量值xi直接进入窗口，再将不含奇异值的数据进行多项式加权平均滤波。

加噪的二次谐波信号分别由普通S-G滤波、小波变换滤波（工具箱的调用讲解）和改正的S-G滤波进行处理，得出滤波效果分别如图2所示。其中S-G滤波的窗口宽度设置为19，用三阶多项式来进行最小二乘拟合。小波变换滤波中，选择的小波函数为sym，确定分解层次为5进行计算，对各分解尺度下选择高频系数阈值为6。改正的S-G滤波方法中，允许相邻数据的偏差值v设置为0.15，窗口宽度同样设置为19，用三阶多项式来进行最小二乘拟合，请学生对比数据滤波效果。

通过前面任务的驱动，学生对MATLAB的计算功能和绘图功能已经非常理解，学习兴趣及主动性越来越强。最后进行第八讲，以TDLAS数学模型为例，讲述Simulink建模仿真的操作方法，同时来验证前述模型的准确性及模型与各主要参数的关系。具体分为光源模块、气室模块和数据检测模块，如图3所示。

其中的数据检测模块的输入参数有入射光强I0、穿透光强It、入射光频率v、气体吸收中心频率v0、谱线强度S（T）、谱线线型函数g（v）、光程L、气压P、分子浓度N。输出参数有穿透光强的二次谐波I2f、气室吸收曲线。

成果评价 为增强学生的成就感和主观联动性，顾及“知识与技能”“过程与方法”“情感态度和价值观”三个方面[3]，期末考核采用学生自评（30%）、互评（30%）和教师总评（40%）相结合的方式，打破传统的卷面考试。主要考虑平时资料收集是否完成、总结方案是否可行、程序调试是否成功、实现方法是否单一、项目完成是否及时、回答问题是否正确等。

4 结论

实践证明，将任务驱动式教学方法应用在电子信息科学与技术专业的MATLAB课程教学中，最终能显著提高学生应用知识的能力和综合素质，满足学生继续求学深造或社会需求。但同时对教师也提出更高的要求，要求教师精通MATLAB应用，有实际工程项目设计经验，且能有机联系理论知识点，不断总结教学课堂经验教训，才能达到更好的教学效果。

参考文献

[1]李晗，刘建国，何亚柏，等.可调谐二极管激光吸收光谱二次谐波信号的模拟与分析[J].光谱学与光谱分析，2013，

33（4）：881-885.

[2]Meng Y， Liu T， Liu K， et al. A Modified Empirical Mode Decomposition Algorithm in TDLAS for Gas Detection[J].IEEE Photonics Journal，2014，6（6）：1-7.

[3]朱高峰，張艳蕾.项目教学法在单片机课程中的规划与实施：以湖南人文科技学院为例[J].湖南人文科技学院学报，2013（2）：117-119.