MATLAB課程教學(xué)改革與實(shí)踐

1、MATLAB程教學(xué)改革與實(shí)踐Teaching Reform and Practice in Course of MATLAB/ZHUGao-feng ， ZHANG Yanlei ， LIANG PingyuanThe task-driven teaching method is flexibly used inMATLABcourse ， the content of MATALBcurriculum teaching is su-mmarized and optimized， for example ， and thespecific teaching taskis illustrated

2、 by examples. Practice shows that thetask-driven teachingmethod can improve students enthusiasm and learningability.modeling and simulation ； Simulink/、八1 前言MATLAB是美國(guó)The MathWorks推出的優(yōu)秀數(shù)學(xué)軟件，現(xiàn)已發(fā)展為一種多學(xué)科、多工作平臺(tái)的大型工具，應(yīng)用非常廣泛，很 多高校將其設(shè)置為專業(yè)必修課程。但多數(shù)高校教學(xué)課時(shí)分配較 多、教學(xué)考核不嚴(yán)謹(jǐn)、學(xué)生學(xué)習(xí)效果很不理想。由此提出任務(wù)驅(qū) 動(dòng)式教學(xué)方法，指導(dǎo)思想是“自學(xué)為主、教授為輔，

3、實(shí)踐為主、 理論為輔”， 課堂上將實(shí)例和小項(xiàng)目進(jìn)行合理配置， 由學(xué)生主動(dòng) 上機(jī)操作，教師旁觀輔助，共同完成教學(xué)任務(wù)。2 任務(wù)規(guī)劃MATLA課堂教學(xué)的目的和任務(wù)主要是使學(xué)生理解MATLAB的數(shù)據(jù)類型、矩陣輸入、語(yǔ)法結(jié)構(gòu)及基本操作方法，使學(xué)生 掌握基本的數(shù)值計(jì)算、符合運(yùn)算方法和二維、三維繪圖方法，能 利用 Simulink 軟件進(jìn)行較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)建模仿真處理，并會(huì)使用 相關(guān)工具箱，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)、 工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。 輔導(dǎo)教師既要考慮教學(xué)目的、 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)課時(shí)， 又要注重學(xué) 生的興趣愛(ài)好和可操作性。因此，對(duì)MATLAB勺課堂教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)和優(yōu)化，項(xiàng)目任務(wù)可以合理配置如表

4、1 所示， 每周一講（四學(xué)時(shí)），共計(jì) 32學(xué)時(shí)；未完成的教學(xué)內(nèi)容作為課 后作業(yè)，要求學(xué)生自學(xué)實(shí)踐，并作為期末考核的主要內(nèi)容之一。3 具體實(shí)例針對(duì)項(xiàng)目任務(wù)中的教學(xué)內(nèi)容， 可以有針對(duì)性地列舉實(shí)際工程 進(jìn)行分析和應(yīng)用， 充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)意識(shí)， 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目 資料查詢，使項(xiàng)目任務(wù)意識(shí)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程?，F(xiàn)以“ TDLAS（ Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy ，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜）系統(tǒng)檢測(cè)氧氣濃 度”的教學(xué)內(nèi)容為例，闡述 MATLA莊實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)處理、 圖形描繪、系統(tǒng)建模和仿真、工具箱的調(diào)用等應(yīng)用。教學(xué)說(shuō)明 在第一講布置課后資料查閱，讓

5、學(xué)生了解 TDLAS 系統(tǒng)的基本原理及氣體濃度檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型， 總結(jié)出二次諧波線型表達(dá)式為 1 ：其中，M=1-x2+m2 , , v0為氧氣吸收峰的中心頻率，vm為 高頻正弦波調(diào)制信號(hào)幅度， vc代表吸收譜線的半最大值全寬，10 (t )表示由低頻電流引起的輸出光強(qiáng)的平均變化，N為吸收氣體的體積濃度，L為吸收光程長(zhǎng)，P為氣體的靜態(tài)總壓強(qiáng)，S(T)為吸收線線強(qiáng)。其物理意義為：在氣體溫度、壓強(qiáng)、吸收 光程及硬件相關(guān)參數(shù)一定的情況下， 二次諧波的幅值 I2f 與氣體 濃度N成正比。任務(wù)驅(qū)動(dòng) 根據(jù)公式( 1)所述，可運(yùn)用第一講中的矩形相關(guān) 運(yùn)算，進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)式編寫(xiě)，用 linspace 函數(shù)或冒號(hào)表

6、達(dá)式產(chǎn) 生行向量 v 的數(shù)據(jù)， 從而析取到標(biāo)準(zhǔn)的二次諧波信號(hào)數(shù)據(jù)； 通過(guò) 第三講中的高層畫(huà)圖內(nèi)容， 描繪出標(biāo)準(zhǔn)的二次諧波信號(hào)波形。 為 了便于后續(xù)數(shù)據(jù)濾波處理，利用awgn函數(shù)，人為加入高斯白噪聲，對(duì)應(yīng)6000個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)白噪聲的信噪比為30 db (如圖 1 所示)。在第三講布置課后資料查閱， 了解常見(jiàn)的數(shù)據(jù)濾波算法， 如 多周期信號(hào)平均處理、維納濾波算法、卡爾曼濾波算法、小波變 換濾波、多項(xiàng)式移動(dòng)加權(quán)平均濾波( Savitsky-Golay 濾波)算 法(S-G算法)等2。在第六講中簡(jiǎn)潔總結(jié)以上方法，重點(diǎn)以 S-G算法為例開(kāi)展教學(xué)。S-G濾波算法是對(duì)遞推平均濾波法的改 進(jìn)，處理速度非常

7、快， 是工業(yè)在線應(yīng)用非常廣泛的數(shù)字信號(hào)處理 技術(shù)；但不能有效克服因偶然因素引起的尖峰脈沖干擾， 即如果數(shù)據(jù)存在較大的異常點(diǎn)， 用最小二乘擬合所得到的模型就會(huì)有崩 潰的危險(xiǎn)。 所以可稍作算法改進(jìn)， 將采集到的含有噪聲的二次諧 波信號(hào)，對(duì)每次進(jìn)入窗口的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)估值處理，即數(shù)值判定： 設(shè)當(dāng)前第 i 項(xiàng)的測(cè)量值為 xi ，上一次的測(cè)量值為 xi-1 ，允許的 偏差值為v，若xi-xi-1大于v，則將此Xi用xi-1+v/2 代替；若xi-xi-1 小于v，則將此xi用xi-1-v/2 代替；否則當(dāng)前測(cè)量 值 xi 直接進(jìn)入窗口，再將不含奇異值的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式加權(quán)平 均濾波。加噪的二次諧波信號(hào)分別由普

8、通 S-G 濾波、小波變換濾波（工具箱的調(diào)用講解）和改正的S-G濾波進(jìn)行處理，得出濾波效 果分別如圖2所示。其中S-G濾波的窗口寬度設(shè)置為19,用三 階多項(xiàng)式來(lái)進(jìn)行最小二乘擬合。 小波變換濾波中， 選擇的小波函 數(shù)為sym,確定分解層次為5進(jìn)行計(jì)算，對(duì)各分解尺度下選擇高 頻系數(shù)閾值為6。改正的S-G濾波方法中，允許相鄰數(shù)據(jù)的偏差 值 v 設(shè)置為 0.15,窗口寬度同樣設(shè)置為 19,用三階多項(xiàng)式來(lái)進(jìn) 行最小二乘擬合,請(qǐng)學(xué)生對(duì)比數(shù)據(jù)濾波效果。通過(guò)前面任務(wù)的驅(qū)動(dòng)，學(xué)生對(duì)MATLA啲計(jì)算功能和繪圖功能已經(jīng)非常理解, 學(xué)習(xí)興趣及主動(dòng)性越來(lái)越強(qiáng)。 最后進(jìn)行第八講, 以TDLAS數(shù)學(xué)模型為例，講述 Simu

9、link建模仿真的操作方法， 同時(shí)來(lái)驗(yàn)證前述模型的準(zhǔn)確性及模型與各主要參數(shù)的關(guān)系。 具體 分為光源模塊、氣室模塊和數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊,如圖 3 所示。其中的數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊的輸入?yún)?shù)有入射光強(qiáng) I0 、穿透光強(qiáng)It、入射光頻率v、氣體吸收中心頻率v0、譜線強(qiáng)度S (T)、 譜線線型函數(shù)g (v)、光程L、氣壓P、分子濃度N。輸出參數(shù) 有穿透光強(qiáng)的二次諧波 I2f 、氣室吸收曲線。成果評(píng)價(jià) 為增強(qiáng)學(xué)生的成就感和主觀聯(lián)動(dòng)性，顧及“知識(shí) 與技能”“過(guò)程與方法”“情感態(tài)度和價(jià)值觀”三個(gè)方面 3 ， 期末考核采用學(xué)生自評(píng)( 30%)、互評(píng)( 30%)和教師總評(píng)( 40%) 相結(jié)合的方式， 打破傳統(tǒng)的卷面考試。 主要考慮平時(shí)資料收集是 否完成、總結(jié)方案是否可行、程序調(diào)試是否成功、實(shí)現(xiàn)方法是否 單一、項(xiàng)目完成是否及時(shí)、回答問(wèn)題是否正確等。4 結(jié)論 實(shí)踐證明，將任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法應(yīng)用在電子信