李萬兵+黃鵬飛+柳甲榮

摘 要： 基于機(jī)制專業(yè)MATLAB軟件課程的學(xué)時少、學(xué)習(xí)理論算法與實踐性較強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺枯燥乏味、導(dǎo)致授課效果差的問題，提出以項目驅(qū)動的MATLAB教學(xué)方法。首先按照學(xué)生的興趣，每一章或者兩章內(nèi)容設(shè)置課程項目，將要學(xué)習(xí)的知識點融入項目；然后對項目所用的理論知識進(jìn)行簡要說明，用項目帶動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；最后，在項目的實施過程中注重互動和疑難解答，教學(xué)質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。本文以四連桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行實踐，以取得很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 項目式教學(xué) 教學(xué)方法 MATLAB教學(xué)項目 教學(xué)研究

1.引言

隨著數(shù)學(xué)科學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，綜合利用數(shù)學(xué)知識建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行科學(xué)計算，研究和揭示自然科學(xué)中的變化規(guī)律，解決工程領(lǐng)域中的實際問題已成為科學(xué)研究的一種重要的方法。數(shù)學(xué)作為基礎(chǔ)學(xué)科，遍及科學(xué)研究和工程應(yīng)用的各個領(lǐng)域。對于新時期的大學(xué)生來說，在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)理論知識的同時，學(xué)習(xí)探索方法，解決實際問題，將理論知識跟實際應(yīng)用結(jié)合起來，培養(yǎng)科學(xué)研究的意識，掌握科學(xué)的方法，逐漸形成自主解決實際問題的能力，開啟創(chuàng)新思維，是目前非常重要和迫切的事情。

為了更好地掌握MATLAB在各行業(yè)、學(xué)科中的應(yīng)用，從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，采用相關(guān)項目來驅(qū)動教學(xué)，采取精心設(shè)計項目，讓學(xué)生在完成項目的過程中快速地掌握MATLAB語言的一些基本操作和技能[1]。對MATLAB中常用的幾種數(shù)據(jù)類型，單元型變量和結(jié)構(gòu)型變量不易理解，數(shù)值運算主要了解向量及其運算、矩陣運算、數(shù)組及其運算、多項式運算。通過符號計算與數(shù)值計算的對比，引入符號計算及其特點。掌握函數(shù)的應(yīng)用，M文件的編寫，程序控制，人機(jī)交互指令和函數(shù)句柄，二維圖形繪制和三維圖形繪制等知識點。用Simulink實現(xiàn)多個行業(yè)和領(lǐng)域的仿真運算，采用將一些知識點融入項目，自上而下地細(xì)分各個子項目，再由各個子項目細(xì)分到各個小模塊，在教學(xué)過程中由師生進(jìn)行分析、討論和應(yīng)用。學(xué)生在精心設(shè)計的一些具體項目模塊完成過程中學(xué)會主動學(xué)習(xí)和思考，最終實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.項目式教學(xué)的特點

所謂項目式教學(xué)就是以項目為依托，把所要學(xué)習(xí)的知識點融入項目，通過完成項目實現(xiàn)教學(xué)過程的一種教學(xué)方法，是一種能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)能動性和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效手段[2]。將學(xué)習(xí)的知識點融入項目中，教師主導(dǎo)項目任務(wù)分解和分派，需要按照教學(xué)大綱的要求設(shè)計各個知識點的項目和模塊，然后將項目分派給學(xué)生，不再是項目執(zhí)行的主宰，學(xué)生是項目實施的和完成的對象。在學(xué)生實施項目的過程中引導(dǎo)學(xué)生分析，不斷地探索，也可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行問題的解答。隨著項目的逐步推進(jìn)和完成，學(xué)生累積課程相關(guān)知識，同時實現(xiàn)知識點的延伸和更新，并最終在課程的末階段完成一個綜合性項目的總體設(shè)計[3]。項目式驅(qū)動教學(xué)法主要是針對傳統(tǒng)“教師講學(xué)生聽，教師演示學(xué)生看”的教學(xué)模式的學(xué)生積極性不夠，參與性較差的缺點，積極發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)中的主體作用，讓學(xué)生首先明確學(xué)習(xí)的目的和用處，并通過在課堂上或課間的自主探索和互動協(xié)作，主動完成學(xué)習(xí)任務(wù)，掌握相關(guān)的知識，并在項目設(shè)計的過程中體驗樂趣，達(dá)到真正學(xué)活學(xué)懂、觸類旁通的效果。

本文是通過對在校機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)2011級200多名學(xué)生使用自行設(shè)計的《民辦院校機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)“MATLAB軟件應(yīng)用”課程調(diào)查問卷》表進(jìn)行問卷調(diào)研，得到學(xué)生的對于MATLAB課程知識點的需求和興趣點。分析最終的調(diào)研結(jié)果可以得到，參加過數(shù)學(xué)建模的學(xué)生對MATLAB 的應(yīng)用認(rèn)識比較深刻，大部分學(xué)生認(rèn)為設(shè)計一些和機(jī)制專業(yè)相關(guān)課程有聯(lián)系的項目，對調(diào)動學(xué)習(xí)的積極主動性有很大的作用?；诖耍疚脑O(shè)計了一種基于項目式驅(qū)動的MATLAB教學(xué)方法，主要包括以下部分：教師完成的項目設(shè)計；項目模塊與知識點；相關(guān)課程的教學(xué)知識點的復(fù)習(xí)（學(xué)生課后完成）；項目模塊與知識點相結(jié)合的實踐練習(xí)；實踐結(jié)果的講解；內(nèi)容的總結(jié)延伸與拓展。該教學(xué)方法的基本流程如圖1所示。

3.項目式教學(xué)案例

項目名稱：平面四桿機(jī)構(gòu)運動仿真。

知識點及教學(xué)要求：學(xué)生必須課前復(fù)習(xí)平面四連桿機(jī)構(gòu)類型的確定、運動參數(shù)的確定。本項目為綜合應(yīng)用項目，學(xué)習(xí)和運用的知識點有數(shù)值計算，矩陣的定義和使用，邏輯運算，編程中的循環(huán)應(yīng)用，函數(shù)的定義與使用，非線性方程求解指令求解以上超越方程組，MATLAB繪圖知識，電影動畫的繪制等包含所有的MATLAB基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)習(xí)的MATLAB知識在具體問題中的應(yīng)用。學(xué)生按照不同的組，完成不同功能函數(shù)的編寫，然后一起討論形成本組一個完整的項目結(jié)果，選派代表給大家講解通過什么方式實現(xiàn)這樣的功能。

項目任務(wù)分解：四桿機(jī)構(gòu)類型判定；構(gòu)件運動參數(shù)偏角的確定；構(gòu)件運動參數(shù)角速度的確定；節(jié)點位置的確定；最后組合程序完成運動仿真，繪制出四桿機(jī)構(gòu)包絡(luò)線圖形，以下是一種實現(xiàn)的方式。

3.1平面四桿機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)

3.2四桿機(jī)構(gòu)類型判定

根據(jù)平面四桿機(jī)構(gòu)中，曲柄存在條件[4]，編制M文件在MATLAB中判定機(jī)構(gòu)類型：創(chuàng)建函數(shù)Jglxsb，用它識別機(jī)構(gòu)類型。

評價實踐結(jié)果及總結(jié)延伸與拓展：該項目為MATLAB所有知識點的融合化大項目，要求學(xué)生對算法能夠轉(zhuǎn)換成MATLAB語言，同時對基礎(chǔ)知識要相對比較熟練才能夠完成該項目，對數(shù)值計算，矩陣的定義和使用，邏輯運算，編程中的循環(huán)應(yīng)用，函數(shù)的定義與使用，非線性方程求解指令求解以上超越方程組，MATLAB繪圖知識，電影動畫的繪制等包含所有的MATLAB基礎(chǔ)知識的考查非常到位。同時學(xué)生可以實現(xiàn)其他機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)，雙曲柄機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)的仿真，最終的結(jié)果有該組學(xué)生自己討論進(jìn)行程序編寫與分析。采用四連桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行MATLAB基礎(chǔ)知識綜合實踐，取得很好的教學(xué)效果。

4.結(jié)語

在項目驅(qū)動教學(xué)中，項目的選擇應(yīng)該符合學(xué)生的專業(yè)方向，由簡單到復(fù)雜，并有利于培養(yǎng)創(chuàng)新能力。本文以整本書的MATLAB基礎(chǔ)知識的一個實例介紹了本文的項目式教學(xué)方法，該項目完成需要組內(nèi)同學(xué)討論，在確定機(jī)構(gòu)類型的前提下，按照項目分解進(jìn)行逐步分析設(shè)計。實現(xiàn)平面四連桿機(jī)構(gòu)仿真的過程。另外，通過項目的分解和逐步實現(xiàn)，提高了學(xué)生從實際出發(fā)，結(jié)合課程內(nèi)容進(jìn)行合理的分析問題、解決問題的能力。為了進(jìn)一步改進(jìn)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，在項目式教學(xué)法實施過程中教師要不斷嘗試和創(chuàng)新，并對項目內(nèi)容進(jìn)行外延和總結(jié)，互動和疑難解答?？蓪⒋朔椒ㄍ茝V應(yīng)用到機(jī)制專業(yè)其他課程的學(xué)習(xí)中，對于提高學(xué)習(xí)的積極主動性有很大的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志涌.MATLAB教程R2012a[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[2]伍秀娟，項榮健.以協(xié)作項目為驅(qū)動的教學(xué)實踐與應(yīng)用[J].中國電化教育，2011（5）：92-96.

[3]張靜亞.基于項目驅(qū)動的MATLAB教學(xué)方法研究[J].科技教育，2014（36）：147.

[4]王俊峰，田麗萍.Matlab運動仿真在機(jī)械原理課程設(shè)計中的應(yīng)用.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22（4）：187-188.

[5]沈孝通.基于MATLAB的平面連桿機(jī)構(gòu)運動分析[J].制造業(yè)信息化，2011（7）：76-79.

基金項目：陜西省教育廳科學(xué)研究計劃項目（15JK2170）；西京學(xué)院教學(xué)改革研究項目（JGYB1505 ）；西京學(xué)院基金項目（XJ150110 ）。