面向新工科的Matlab课程教学改革与探索

摘

要：在新工科建设背景下，以通信工程专业“Matlab语言及应用”课程为例，分析了当前课程教学和考核方面存在的问题，从教学内容、模式和方法等方面进行改革和探索，提出了以学生为中心的多维教学模式，突出专业特色，促进科教融合，实行多元化考核，提升教学效果和质量，有助于培养学生创新思维、工程实践水平和科学问题研究能力。关键词：Matlab；新工科；通信工程；教学改革一、引言为响应国家制造强国战略，应对新一轮科技革命与产业变革，支撑创新驱动发展，教育部积极推进新工科建设，先后发布多个通知，探索中国工程教育新模式，助力教育强国建设。新工科教育是落实立德树人根本任务和创新人才培养的重要途径，是中国高等教育改革的重要方向和必然选择[1]。该文以通信工程专业的Matlab为例，探讨了将新工科教育理念与课程教学相结合的改革模式。针对通信工程专业“Matlab语言及应用”课程教学存在问题，提出优化和改革方案，包括优化教学内容、促进科教融合、改进教学模式和考核评价方法，旨在通过强化学习课程基础概念和专业技能，提升学生分析、研究和解决问题的能力，培养学生科学态度和创新思维，以满足新工科背景下人才培养需求。二、课程现状本专业“Matlab语言及应用”课程开设在大二第一学期，课程性质为专业任选，总学时为32，其中理论4学时，实验（专题辅导）28学时。通过课程学习，学生可以掌握Matlab的基本数据类型、矩阵运算、三种程序结构、脚本和函数文件、数值和符号运算、数据可视化、程序编写等基本知识，为后续课程学习、工程设计和科学研究打下基础。课程主要采用课堂讲授和学生上机操作相结合的教学方式。在实际教学过程中，对关键知识点采用语法描述、编程分析和实例展示等方法。课程考核方式：期末编程作业或论文70%，平时成绩20%（课后作业、课堂表现等），实验成绩10%。三、存在问题当前课程教学采用课堂讲授为主，在规定的教学时间内完成大纲要求的教学内容。这种传统的教学方式，难以满足新工科创新通融人才培养要求[2]。图1给出了当前课程教学现状及存在问题。（一）教学模式程式化当前的教学模式，注重按照既定的教学计划和大纲要求，按部就班地进行，缺乏灵活性和创造性。这种程式化的教学往往过于关注知识传授，忽略了个体的学习感受和需求，过于强调教学过程，忽视教学质量。教师在课堂上注重知识传授，学生无法长时间跟上教师思路，且理工科课程的内容本身缺乏思辨要素，师生之间互动不多或流于形式，学生处于被动接收知识的状态，学生的主动性和参与性没有得到充分调动。（二）学习积极性不高目前Matlab课程为专业选修课，大多数学生选择该课程的目的是为完成专业学分，仅有小部分是为将来的从事科研做准备。这种情况导致学生的学习积极性不高。其次，该课程的先修课程是高等数学、线性代数等数学类课程，对学生的数学基础要求较高，而数学类课程往往是学生的弱项。此外，学生在学习过程中，往往眼高手低，简单的不去动手，复杂的又畏首畏尾，不愿积极主动思考，缺乏进取心、创造性和探索精神。（三）教研融合不足当前Matlab的课程教学侧重点在于教，主要教学内容是基础的数据类型、操作方法、语法结构、函数使用、数值计算等内容，案例教学也主要展示代表性或经典案例，在引导学生使用Matlab知识解决和探索开放性的、前沿的、创新性或挑战性科学问题方面还相对欠缺，没有开拓性的尝试、明确策略和具体方法[3]。此外，本科生的学习任务重点在于基础知识学习，对科学研究认识不足，参与科研活动较少，对科学研究的意识淡薄。（四）考核效果不全面当前课程考核主要包括：期末编程作业或论文，平时测验和作业，以及实验报告。期末编程和论文为开放性题目，学生自行选取专业相关的问题，使用Matlab进行建模、编程和分析，虽然学生大都可以按时提交自己的实验代码和论文，但是无法保证这些都是由本人独立完成，无法准确反映学生真实的完成情况。平时测验可能存在只注重知识点的记忆，而忽略了实际应用能力的考查，平时作业和实验报告也存在千篇一律，无法真正检视和验证学习效果，考核结果不全面。四、课程教学改革方向Matlab课程改革应围绕新工科人才培养的核心理念，以提高学生工程实践和创新能力，服务国家制造强国战略为目标，结合通信工程的专业特色，从以下四个方面进行改革和探索，改革思路如图2所示。（一）以学生为中心，构建多维教学模式以学生为中心的多维教学模式强调尊重学生的个性差异和主体地位，从多个维度激励和启发学生思考，培养学生问题分析、概括、判断和迁移能力，更好地满足学生多样学习需求，促使学生积极参与教学过程，提高学习效果[4]。实行任务驱动的小组讨论，各组定期汇报学习成果。在教学过程中适当引入任务分组讨论，教师将一些重点难点问题或任务提前分配给各小组，鼓励各小组成员合理分工，利用课余时间一起查阅资料，分析和解决问题。在课堂上，各小组需要向教师和其他小组汇报问题的解决方案，同时接受人员提问，并由汇报小组代表进行解答。最后，教师会对学生的表现进行点评和总结。这种任务驱动和小组讨论相结合的模式，可以促使学生参与Matlab相关知识学习和讨论，提高学生团队协作和解决问题的能力。小组成员要合理搭配，讨论过程要提供必要的引导，确保人人都有发言机会，评价总结要以肯定和鼓励为主，同时也要指出问题和不足之处，引导学生深入思考和交流，加深问题理解。角色互换，引入翻转课堂，挖掘学生自主学习潜能。在传统的课程讲授过程中，挑选部分重要章节或知识点，以翻转课堂的形式完成。教师将课程的基础知识、编程技巧或特定任务制作成视频、电子书、在线课程等形式，或通过B站、中国大学MOOC（大规模开放在线课程）、慕课网等在线知识平台，让学生在课前用自己擅长的方式自习，完成规定的学习内容。教师在课堂上组织学生对预习成果进行深入交流，讲述遇到的问题或困惑，以及学习体会和问题解决办法，并针对一些具体问题展开讨论，其间教师适时给予引导和解答，并根据学生的课堂表现、任务完成和问题解决等情况给出综合评价，鼓励学生不断提高自习水平和问题解决的能力。翻转课堂可在一定程度上提高Matlab课程的教学效果，促使学生参与到学习过程中，提高学生自习能力和学习效果[5]。采用丰富多样的教学形式，实现多元化教学。除了翻转课堂和小组讨论的形式，还可以采取知识竞赛、思维导图、问题探究式、实践训练式等多种教学形式。知识竞赛可以加深学生对知识点的记忆，而思维导图则可以利用思维导图工具，将复杂的知识体系简化为易于理解的可视化图表，便于归纳总结和记忆。问题探究式则是教师引导学生提出问题，在教师组织指导下，学生独立自主地开展探索和研究活动，求解问题答案，获得新知识，掌握新方法。实践训练主要是以学生为主体，通过课内外的练习、实验、实习、实践等活动，培养学生解决实际问题的能力。（二）优化课程内容，突出专业通信特色从学科体系和专业特色建设的角度出发，在现有内容基础上增加海洋通信相关课程的知识，加深学生对海洋通信知识的理解。例如，可以使用Matlab的通信仿真工具箱，构建各种通信系统模型，包括深海通信、远洋通信和卫星通信系统等；使用无线通信工具箱设计和分析无线通信系统，模拟各类无线通信系统的信号处理、调制解调、组网和干扰管理等；使用数字信号处理工具箱对数字信号进行处理和分析，执行数字滤波、频谱分析和信号检测等。充分考虑Matlab与其他课程之间的衔接性，将Matlab课程的知识背景和其他课程的应用方向联系起来，帮助学生理解Matlab在解决实际问题中的价值和潜力。在制定课程教学目标时，明确Matlab与其他课程之间的联系和区别，合理安排教学计划，确保各门课程的时间安排合理有序；各门课程统一制定教学大纲，根据教学进度安排教学内容，使得各门课程的教学内容能够有效衔接、相互补充，相得益彰；合理安排实验教学内容，使得学生能够通过实验操作加深对其他课程的理论知识的理解和掌握，同时也有利于加强课程之间的联系。保持课程内容的先进性，持续引入科技前沿和创新内容。要使Matlab课程内容具备先进性，需要不断更新和改进课程的内容，反映相关领域的最新进展和发展趋势。适当引入深度学习和人工智能方面的内容，尝试使用Matlab进行机器学习、神经网络建模和深度学习任务；增加使用Matlab对大数据进行分析和处理的案例，包括数据清洗、可视化和高级分析技术；提供Matlab在云计算和分布式计算中的应用示例，包括如何处理大规模数据和运行并行计算任务。（三）科教融合，培养学生科研素养在教学过程中，引导学生探究科学问题，融入科研元素[3]。在授课过程中，教师可以结合自己的科研经验和实践，将当下研究热点和先进案例引入到课堂中，让学生使用Matlab进行问题分析和科学研究，拓宽学生视野，激发创新和科研思维。教师还可以根据课程内容和学生兴趣，引导学生开展特定主题的课题研究和讨论，让学生了解科研的基本流程和方法，培养学生的团队协作和科研能力。将Matlab课程融入通信领域相关前沿科学问题的研究中，让学生使用Matlab工具和专业知识自由探索，能够找到通信前沿热点问题，合理分析问题，并能够尝试给出问题的解决方案。当前课程教学要与本专业各研究团队之间搭建一个桥梁，或共同搭建一个科教平台，为有意向参与科研工作的本科生提供一个机会，共享科研资源，为学生技能创新、自主科研和实践能力的提升创造条件。Matlab是各类科技竞赛最常用软件，鼓励学生参加各种科技竞赛。参与竞赛可以增强学生的Matlab知识理解、技能运用和综合素质。将课程教学内容合理划分为不同的模块，各模块侧重不同的知识点，各模块之间又相互联系，以便教师为学生参加不同类型的科技竞赛提供精确指导。可以将历年竞赛的例题引入课程教学，让学生利用Matlab知识和工具进行解答，感受Matlab软件强大的工程能力，有效激发学生的科研热情和积极性。（四）完善考核制度，采取多元化全过程考核期末考核形式比较单一，可以结合采用项目式、论文或研究报告，或者实际应用场景考核等形式。除了现在的期末大作业，教师可以额外布置一些Matlab实际应用项目，让学生以小组的形式分析、设计和实现，更好地考查学生的实践能力、团队协作和问题解决能力；可以指定一些专业相关的热门领域或研究热点的参考文献，要求学生提交一篇学术论文或研究报告，以考查其使用Matlab知识和工具进行文献阅读和学术研究能力；还可以基于实际应用场景进行考核，让学生使用Matlab知识解决一个实际应用场景下的问题或实现某个具体功能，以更好地考查学生的实际问题解决能力。平时考核应该贯穿整个学习过程，除了平时作业和实验报告，可以采用小组互评、随堂抽检、口头汇报等考核形式作为补充。在日常教学过程中，教师将学生分成若干小组，每个小组进行相互评价，最后由教师根据小组表现和互评情况给出综合评价。随堂抽检是在课堂上随机抽取部分学生进行检查，考查他们对课堂内容的掌握情况。口头汇报是指教师不定期指定部分学生就某一个知识点进行当面口头汇报，并根据汇报情况给出