MATLAB课程教学改革与实践

1、MATLAB程教学改革与实践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，

3、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MATLA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勺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

4、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 Spectroscopy ，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 MATLA莊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

5、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， vc代表吸收谱线的半最大值全宽，10 (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

6、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

7、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

8、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MATLA啲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 Simu

9、link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