关于MATLAB课程教学的探讨_矩阵

论文导读:：信息编辑自动化。教学方法的有机结合。关于MATLAB课程教学的探讨。
论文关键词：MATLAB，矩阵，自动化，教学方法
 

引言

MATLAB是MATrixLABorotory(矩阵实验室)的缩写。MATLAB语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言，它在数值计算、符号计算、绘图功能以及图形化编程等方面有着非常强大的功能。同时MATLAB具有丰富的工具箱，包括符号数学工具箱、SIMULINK仿真工具箱、控制系统工具箱、信号处理工具箱、图象处理工具箱、通讯工具箱、系统辨识工具箱、神经元网络工具箱、金融工具箱等数十种，使其在工业研究与开发，数学、电子学、控制理论和物理学、经济学、化学和生物学等学科的教学与研究中得到广泛应用。MATLAB功能强大、简单易学、编程效率高，深受广大科技工作者的欢迎，自1984年由美国MathWorks公司推向市场以来，历经二十多年的发展与竞争，现已成为国际公认的最优秀的工程应用开发环境。在欧美各高等院校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图像处理等课程的基本教学工具，成为大学生、硕士生、以及博士生必须掌握的基本技能。

目前，国内大学的理工科专业都将MATLAB作为专业基础课程，那么如何能够让学生在本课程的学习中提高兴趣，掌握相关知识为后续课程搭建好学习和实验研究的平台就成为了本课程教学中的一个重要问题。本文结合作者MATLAB课程多年的教学经验，对该课程的教学做以下探讨。

1、掌握MATLAB语言的特点矩阵，把握细节教学

MATLAB提供了丰富的矩阵运算处理功能，是基于矩阵运算的处理工具，所有的变量都被看作矩阵，例如 C = A + B，A，B，C都是矩阵，是矩阵的加运算，即使一个常数，Y=10，MATLAB也看做是一个1′1的矩阵。对于矩阵的学习，关键是掌握矩阵元素的标识并灵活运用。在教学中，我们可以通过下面的矩阵使学生对矩阵的标识进行掌握中国知网论文数据库。

（1）

掌握矩阵元素的基本标识之后，对于应用和提取矩阵中的元素，通过以下表格并演示运行结果来掌握。

举例，如对于

A(:, 4)=

表1 矩阵元素寻访

A(2:3, 1:2)=

A(:)=

在这里，需要学生掌握分号与逗号的差别，分号是用做矩阵行间分隔符，而逗号是矩阵元素分隔符号。通过以上表格和演示，学生对于矩阵元素的标示和应用完全可以掌握。

2与专业课程相联系，实例教学

对于理工科的学生，学习MATLAB是为后续课程搭建好学习和实验研究的平台，以自动化专业为例，专业课中的自动控制原理、现代控制理论、计算机控制技术、智能控制等都可以使用MATLAB进行教学与研究，所以，在学习的过程中适当引入这些课程的知识演示，不但可以提高学生对MATLAB的兴趣，更可以引导学生深入学习相关课程。如在学习MATLAB多项式以及绘图的知识时矩阵，引入自动控制原理的相关知识^[1]。

例：已知某二阶系统的传递函数为，将自然频率固定为=1，分析变化时的单位阶跃响应。

运行以下程序^[2,3]：

t=linspace(0,20,200);

omega=1;

omega2=omega^2;

zuni=[0,0.1,0.2,0.5,1,2,3,5];

num=omega2;

for k=1:8

den=[1 2*zuni(k)*omega omega2];

sys=tf(num,den);

y(:,k)=step(sys,t)

end

figure(1);

plot(t,y(:,1:8));

grid on;

title('二阶系统单位阶跃响应曲线');

xlabel('omega*t');

ylabel('h(t)');

gtext('zuni=0');gtext('zuni=0.1');

gtext('zuni=0.2');gtext('zuni=0.5');

gtext('zuni=1');gtext('zuni=2');

gtext('zuni=3');gtext('zuni=5');

得到图形如下：

图1 二阶系统响应曲线

通过程序的演示，学生不但可以掌握figure，plot，grid on，title，xlabel，ylabel， gtext等绘图指令的使用，而且对于自动控制原理中阻尼比变化对系统性能的影响有了直观的认识。

3 Simulink的教学

Simulink是MATLAB软件的扩展，它是一个实现动态系统建模的仿真的软件包， 它与MATLAB语言的主要区别在于：它与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入的，从而使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非语言的编程上。对于这部分内容的学习，在对Simulink的基本知识介绍完毕后，可以通过现场建立模型实例的方式来讲解。我们现场建立如图2 所

图2 Simulink模型^[4]

示的Simulink模型，这是一个使用PID控制器控制三阶系统的模型。建立模型的过程中注意讲解如何创建空白模块、添加模块及模块的位置和功能、添加连接、参数修改、仿真及保存模型等内容。建立好模型后暂且不修改仿真时间和阶跃信号模块的参数便开始运行仿真，此时Step的Steptime为1，仿真结束时间为10，得到如图3所示的图形：

图3 Simulink响应曲线1

图形不符合要求，随后修改Step的Steptime为0，仿真结束时间为50，讲解仿真器中各参数的功能及使用，如Start Time，Stop Time，它们的单位为s，这个时间是计算机的定时时间而非实际时间。得到图4所示图形，演示示波器图形工具栏的各个选项功能，提醒学生注意仿真过程中容易出现的问题。通过这样的演示，学生很容易掌握Simulink的简单操作矩阵，能够独立的建立起Simulink模型。

图4 Simulink响应曲线2

4 鼓励学生多使用帮助文件

表2 MATLAB的帮助体系^[5]

俗话说“授人以鱼不如授人以渔”。

MATLAB中有着数量惊人的函数，没有一本书可能够完全包含这些函数。MATLAB作为一个优秀的科学计算软件，其帮助系统考虑了不同用户的需求，构成了一个比较完备的帮助体系。

对于MATLAB的帮助体系，使用者既可以使用HELP等命令方式寻求帮助，也可以通过搜索和检索找到相关内容，而对于初学者，DEMOS演示系统更是不可多得的好帮手，通过DEMOS入门引导型的实例可以很快的掌握相关函数与指令的使用方法。在教学中，教师应当尽量多的演示MATLAB

图5 MATLAB 帮助界面

的帮助体系，让学生尽可能的掌握帮助体系的使用方法，只有这样，在以后的学习和研究生活中才可以更好的运用MATLAB资源，快捷、可靠、有效的独立解决自己面临的问题中国知网论文数据库。同时，鼓励学生合理利用网络资源。BBS，讨论站，新闻组，以及制造商的网站，MATLAB的资源非常多，合理的使用这些资源，可以帮助学生更好的掌握相关知识。

5 鼓励学生多做练习，互相交流

MATLAB的学习过程中，学生需要学习大量的函数和指令，单靠死记硬背是不可能掌握的，需要去做大量的练习。一般课程安排中会有三分之一左右的上机时间，这部分时间要很好的利用。在上机实践时，教师要合理安排时间，上机任务要提前安排好矩阵，让学生在课下把相关程序准备好，减少上机时写程序的时间，提高上机效率。另外，现在学生中拥有计算机的数量在不断增加，可以鼓励学生在课下结合专业课编写程序，提高学习质量。

对于学习，每个同学都会有独到的方法。笔者所在的电气学院，每年有300人以上学习MATLAB，每个人都有自己的学习方法，对于同样一个问题学生所理解的角度也有所不同，所以，在学习过程中应让学生多交流，互相帮助，这样综合起来就是最大的财富。

6 结束语

MATLAB在理工科专业的课程学习中有着非常重要的作用，作者通过MATLAB教学实践总结出了以上几点。通过这些方法，提高了学生对与MATLAB学习兴趣和效果，锻炼了动手自学的能力，对于专业课程的学习也起到了很大帮助作用。

参考文献(References)：
[1]胡寿松.自动控制原理(第三版)[M]. 北京：国防工业出版社1996
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[3]郭阳宽,王正林.过程控制工程及仿真[M]，北京：电子工业出版社. 2009
[4]曹弋MATLAB教程及实训[M]. 北京：机械工业出版社 2009
[5]张志涌，杨祖樱MATLAB教程(2009年修订）[M]。北京：北京航空航天大学出版社， 2009
[6]马昕.”MATLAB语言及其工程应用”课程的双语教学[J]. 实验室研究与探索. VOL.24 2005
[7]刘全金.张杰.朱永忠等.MATLAB教学中的几点讨论[J]. 安庆师范学院学报 VOL.11 .NO.4. 2005