面向新工科的Matlab課程教學(xué)改革與探索

摘

要：在新工科建設(shè)背景下，以通信工程專業(yè)“Matlab語言及應(yīng)用”課程為例，分析了當(dāng)前課程教學(xué)和考核方面存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容、模式和方法等方面進(jìn)行改革和探索，提出了以學(xué)生為中心的多維教學(xué)模式，突出專業(yè)特色，促進(jìn)科教融合，實(shí)行多元化考核，提升教學(xué)效果和質(zhì)量，有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、工程實(shí)踐水平和科學(xué)問題研究能力。關(guān)鍵詞：Matlab；新工科；通信工程；教學(xué)改革一、引言為響應(yīng)國家制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后發(fā)布多個通知，探索中國工程教育新模式，助力教育強(qiáng)國建設(shè)。新工科教育是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要途徑，是中國高等教育改革的重要方向和必然選擇[1]。該文以通信工程專業(yè)的Matlab為例，探討了將新工科教育理念與課程教學(xué)相結(jié)合的改革模式。針對通信工程專業(yè)“Matlab語言及應(yīng)用”課程教學(xué)存在問題，提出優(yōu)化和改革方案，包括優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、促進(jìn)科教融合、改進(jìn)教學(xué)模式和考核評價方法，旨在通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)課程基礎(chǔ)概念和專業(yè)技能，提升學(xué)生分析、研究和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新思維，以滿足新工科背景下人才培養(yǎng)需求。二、課程現(xiàn)狀本專業(yè)“Matlab語言及應(yīng)用”課程開設(shè)在大二第一學(xué)期，課程性質(zhì)為專業(yè)任選，總學(xué)時為32，其中理論4學(xué)時，實(shí)驗(yàn)（專題輔導(dǎo)）28學(xué)時。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握Matlab的基本數(shù)據(jù)類型、矩陣運(yùn)算、三種程序結(jié)構(gòu)、腳本和函數(shù)文件、數(shù)值和符號運(yùn)算、數(shù)據(jù)可視化、程序編寫等基本知識，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)、工程設(shè)計和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。課程主要采用課堂講授和學(xué)生上機(jī)操作相結(jié)合的教學(xué)方式。在實(shí)際教學(xué)過程中，對關(guān)鍵知識點(diǎn)采用語法描述、編程分析和實(shí)例展示等方法。課程考核方式：期末編程作業(yè)或論文70%，平時成績20%（課后作業(yè)、課堂表現(xiàn)等），實(shí)驗(yàn)成績10%。三、存在問題當(dāng)前課程教學(xué)采用課堂講授為主，在規(guī)定的教學(xué)時間內(nèi)完成大綱要求的教學(xué)內(nèi)容。這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式，難以滿足新工科創(chuàng)新通融人才培養(yǎng)要求[2]。圖1給出了當(dāng)前課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題。（一）教學(xué)模式程式化當(dāng)前的教學(xué)模式，注重按照既定的教學(xué)計劃和大綱要求，按部就班地進(jìn)行，缺乏靈活性和創(chuàng)造性。這種程式化的教學(xué)往往過于關(guān)注知識傳授，忽略了個體的學(xué)習(xí)感受和需求，過于強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程，忽視教學(xué)質(zhì)量。教師在課堂上注重知識傳授，學(xué)生無法長時間跟上教師思路，且理工科課程的內(nèi)容本身缺乏思辨要素，師生之間互動不多或流于形式，學(xué)生處于被動接收知識的狀態(tài)，學(xué)生的主動性和參與性沒有得到充分調(diào)動。（二）學(xué)習(xí)積極性不高目前Matlab課程為專業(yè)選修課，大多數(shù)學(xué)生選擇該課程的目的是為完成專業(yè)學(xué)分，僅有小部分是為將來的從事科研做準(zhǔn)備。這種情況導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高。其次，該課程的先修課程是高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等數(shù)學(xué)類課程，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，而數(shù)學(xué)類課程往往是學(xué)生的弱項(xiàng)。此外，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，往往眼高手低，簡單的不去動手，復(fù)雜的又畏首畏尾，不愿積極主動思考，缺乏進(jìn)取心、創(chuàng)造性和探索精神。（三）教研融合不足當(dāng)前Matlab的課程教學(xué)側(cè)重點(diǎn)在于教，主要教學(xué)內(nèi)容是基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)類型、操作方法、語法結(jié)構(gòu)、函數(shù)使用、數(shù)值計算等內(nèi)容，案例教學(xué)也主要展示代表性或經(jīng)典案例，在引導(dǎo)學(xué)生使用Matlab知識解決和探索開放性的、前沿的、創(chuàng)新性或挑戰(zhàn)性科學(xué)問題方面還相對欠缺，沒有開拓性的嘗試、明確策略和具體方法[3]。此外，本科生的學(xué)習(xí)任務(wù)重點(diǎn)在于基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，對科學(xué)研究認(rèn)識不足，參與科研活動較少，對科學(xué)研究的意識淡薄。（四）考核效果不全面當(dāng)前課程考核主要包括：期末編程作業(yè)或論文，平時測驗(yàn)和作業(yè)，以及實(shí)驗(yàn)報告。期末編程和論文為開放性題目，學(xué)生自行選取專業(yè)相關(guān)的問題，使用Matlab進(jìn)行建模、編程和分析，雖然學(xué)生大都可以按時提交自己的實(shí)驗(yàn)代碼和論文，但是無法保證這些都是由本人獨(dú)立完成，無法準(zhǔn)確反映學(xué)生真實(shí)的完成情況。平時測驗(yàn)可能存在只注重知識點(diǎn)的記憶，而忽略了實(shí)際應(yīng)用能力的考查，平時作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報告也存在千篇一律，無法真正檢視和驗(yàn)證學(xué)習(xí)效果，考核結(jié)果不全面。四、課程教學(xué)改革方向Matlab課程改革應(yīng)圍繞新工科人才培養(yǎng)的核心理念，以提高學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，服務(wù)國家制造強(qiáng)國戰(zhàn)略為目標(biāo)，結(jié)合通信工程的專業(yè)特色，從以下四個方面進(jìn)行改革和探索，改革思路如圖2所示。（一）以學(xué)生為中心，構(gòu)建多維教學(xué)模式以學(xué)生為中心的多維教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)尊重學(xué)生的個性差異和主體地位，從多個維度激勵和啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生問題分析、概括、判斷和遷移能力，更好地滿足學(xué)生多樣學(xué)習(xí)需求，促使學(xué)生積極參與教學(xué)過程，提高學(xué)習(xí)效果[4]。實(shí)行任務(wù)驅(qū)動的小組討論，各組定期匯報學(xué)習(xí)成果。在教學(xué)過程中適當(dāng)引入任務(wù)分組討論，教師將一些重點(diǎn)難點(diǎn)問題或任務(wù)提前分配給各小組，鼓勵各小組成員合理分工，利用課余時間一起查閱資料，分析和解決問題。在課堂上，各小組需要向教師和其他小組匯報問題的解決方案，同時接受人員提問，并由匯報小組代表進(jìn)行解答。最后，教師會對學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)評和總結(jié)。這種任務(wù)驅(qū)動和小組討論相結(jié)合的模式，可以促使學(xué)生參與Matlab相關(guān)知識學(xué)習(xí)和討論，提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和解決問題的能力。小組成員要合理搭配，討論過程要提供必要的引導(dǎo)，確保人人都有發(fā)言機(jī)會，評價總結(jié)要以肯定和鼓勵為主，同時也要指出問題和不足之處，引導(dǎo)學(xué)生深入思考和交流，加深問題理解。角色互換，引入翻轉(zhuǎn)課堂，挖掘?qū)W生自主學(xué)習(xí)潛能。在傳統(tǒng)的課程講授過程中，挑選部分重要章節(jié)或知識點(diǎn)，以翻轉(zhuǎn)課堂的形式完成。教師將課程的基礎(chǔ)知識、編程技巧或特定任務(wù)制作成視頻、電子書、在線課程等形式，或通過B站、中國大學(xué)MOOC（大規(guī)模開放在線課程）、慕課網(wǎng)等在線知識平臺，讓學(xué)生在課前用自己擅長的方式自習(xí)，完成規(guī)定的學(xué)習(xí)內(nèi)容。教師在課堂上組織學(xué)生對預(yù)習(xí)成果進(jìn)行深入交流，講述遇到的問題或困惑，以及學(xué)習(xí)體會和問題解決辦法，并針對一些具體問題展開討論，其間教師適時給予引導(dǎo)和解答，并根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)、任務(wù)完成和問題解決等情況給出綜合評價，鼓勵學(xué)生不斷提高自習(xí)水平和問題解決的能力。翻轉(zhuǎn)課堂可在一定程度上提高M(jìn)atlab課程的教學(xué)效果，促使學(xué)生參與到學(xué)習(xí)過程中，提高學(xué)生自習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果[5]。采用豐富多樣的教學(xué)形式，實(shí)現(xiàn)多元化教學(xué)。除了翻轉(zhuǎn)課堂和小組討論的形式，還可以采取知識競賽、思維導(dǎo)圖、問題探究式、實(shí)踐訓(xùn)練式等多種教學(xué)形式。知識競賽可以加深學(xué)生對知識點(diǎn)的記憶，而思維導(dǎo)圖則可以利用思維導(dǎo)圖工具，將復(fù)雜的知識體系簡化為易于理解的可視化圖表，便于歸納總結(jié)和記憶。問題探究式則是教師引導(dǎo)學(xué)生提出問題，在教師組織指導(dǎo)下，學(xué)生獨(dú)立自主地開展探索和研究活動，求解問題答案，獲得新知識，掌握新方法。實(shí)踐訓(xùn)練主要是以學(xué)生為主體，通過課內(nèi)外的練習(xí)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)踐等活動，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。（二）優(yōu)化課程內(nèi)容，突出專業(yè)通信特色從學(xué)科體系和專業(yè)特色建設(shè)的角度出發(fā)，在現(xiàn)有內(nèi)容基礎(chǔ)上增加海洋通信相關(guān)課程的知識，加深學(xué)生對海洋通信知識的理解。例如，可以使用Matlab的通信仿真工具箱，構(gòu)建各種通信系統(tǒng)模型，包括深海通信、遠(yuǎn)洋通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)等；使用無線通信工具箱設(shè)計和分析無線通信系統(tǒng)，模擬各類無線通信系統(tǒng)的信號處理、調(diào)制解調(diào)、組網(wǎng)和干擾管理等；使用數(shù)字信號處理工具箱對數(shù)字信號進(jìn)行處理和分析，執(zhí)行數(shù)字濾波、頻譜分析和信號檢測等。充分考慮Matlab與其他課程之間的銜接性，將Matlab課程的知識背景和其他課程的應(yīng)用方向聯(lián)系起來，幫助學(xué)生理解Matlab在解決實(shí)際問題中的價值和潛力。在制定課程教學(xué)目標(biāo)時，明確Matlab與其他課程之間的聯(lián)系和區(qū)別，合理安排教學(xué)計劃，確保各門課程的時間安排合理有序；各門課程統(tǒng)一制定教學(xué)大綱，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度安排教學(xué)內(nèi)容，使得各門課程的教學(xué)內(nèi)容能夠有效銜接、相互補(bǔ)充，相得益彰；合理安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)操作加深對其他課程的理論知識的理解和掌握，同時也有利于加強(qiáng)課程之間的聯(lián)系。保持課程內(nèi)容的先進(jìn)性，持續(xù)引入科技前沿和創(chuàng)新內(nèi)容。要使Matlab課程內(nèi)容具備先進(jìn)性，需要不斷更新和改進(jìn)課程的內(nèi)容，反映相關(guān)領(lǐng)域的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢。適當(dāng)引入深度學(xué)習(xí)和人工智能方面的內(nèi)容，嘗試使用Matlab進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模和深度學(xué)習(xí)任務(wù)；增加使用Matlab對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理的案例，包括數(shù)據(jù)清洗、可視化和高級分析技術(shù)；提供Matlab在云計算和分布式計算中的應(yīng)用示例，包括如何處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和運(yùn)行并行計算任務(wù)。（三）科教融合，培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)在教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生探究科學(xué)問題，融入科研元素[3]。在授課過程中，教師可以結(jié)合自己的科研經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，將當(dāng)下研究熱點(diǎn)和先進(jìn)案例引入到課堂中，讓學(xué)生使用Matlab進(jìn)行問題分析和科學(xué)研究，拓寬學(xué)生視野，激發(fā)創(chuàng)新和科研思維。教師還可以根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生開展特定主題的課題研究和討論，讓學(xué)生了解科研的基本流程和方法，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和科研能力。將Matlab課程融入通信領(lǐng)域相關(guān)前沿科學(xué)問題的研究中，讓學(xué)生使用Matlab工具和專業(yè)知識自由探索，能夠找到通信前沿?zé)狳c(diǎn)問題，合理分析問題，并能夠嘗試給出問題的解決方案。當(dāng)前課程教學(xué)要與本專業(yè)各研究團(tuán)隊(duì)之間搭建一個橋梁，或共同搭建一個科教平臺，為有意向參與科研工作的本科生提供一個機(jī)會，共享科研資源，為學(xué)生技能創(chuàng)新、自主科研和實(shí)踐能力的提升創(chuàng)造條件。Matlab是各類科技競賽最常用軟件，鼓勵學(xué)生參加各種科技競賽。參與競賽可以增強(qiáng)學(xué)生的Matlab知識理解、技能運(yùn)用和綜合素質(zhì)。將課程教學(xué)內(nèi)容合理劃分為不同的模塊，各模塊側(cè)重不同的知識點(diǎn)，各模塊之間又相互聯(lián)系，以便教師為學(xué)生參加不同類型的科技競賽提供精確指導(dǎo)?？梢詫v年競賽的例題引入課程教學(xué)，讓學(xué)生利用Matlab知識和工具進(jìn)行解答，感受Matlab軟件強(qiáng)大的工程能力，有效激發(fā)學(xué)生的科研熱情和積極性。（四）完善考核制度，采取多元化全過程考核期末考核形式比較單一，可以結(jié)合采用項(xiàng)目式、論文或研究報告，或者實(shí)際應(yīng)用場景考核等形式。除了現(xiàn)在的期末大作業(yè)，教師可以額外布置一些Matlab實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，讓學(xué)生以小組的形式分析、設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，更好地考查學(xué)生的實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和問題解決能力；可以指定一些專業(yè)相關(guān)的熱門領(lǐng)域或研究熱點(diǎn)的參考文獻(xiàn)，要求學(xué)生提交一篇學(xué)術(shù)論文或研究報告，以考查其使用Matlab知識和工具進(jìn)行文獻(xiàn)閱讀和學(xué)術(shù)研究能力；還可以基于實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行考核，讓學(xué)生使用Matlab知識解決一個實(shí)際應(yīng)用場景下的問題或?qū)崿F(xiàn)某個具體功能，以更好地考查學(xué)生的實(shí)際問題解決能力。平時考核應(yīng)該貫穿整個學(xué)習(xí)過程，除了平時作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報告，可以采用小組互評、隨堂抽檢、口頭匯報等考核形式作為補(bǔ)充。在日常教學(xué)過程中，教師將學(xué)生分成若干小組，每個小組進(jìn)行相互評價，最后由教師根據(jù)小組表現(xiàn)和互評情況給出綜合評價。隨堂抽檢是在課堂上隨機(jī)抽取部分學(xué)生進(jìn)行檢查，考查他們對課堂內(nèi)容的掌握情況?？陬^匯報是指教師不定期指定部分學(xué)生就某一個知識點(diǎn)進(jìn)行當(dāng)面口頭匯報，并根據(jù)匯報情況給出