吴 俊 管迎香 包建荣 何美霖 王 浩 李 沛　

MatLab线上线下一体化教学改革与实践的研究

吴 俊1管迎香2包建荣1何美霖1王 浩1李 沛1

（1.杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018；2.绍兴文理学院教师教育学院，浙江 绍兴 312000）

针对电气信息类课程定位水平高、难度大、研究性强的特点，结合学生主动学习积极性不高的实际教学情况，文章提出MatLab仿真软件线上线下一体化的教学改革和实践，提高学生的主动学习兴趣并巩固其所学的专业课程知识，提升电子信息类本科生利用 MatLab进行学习、科研和创新的能力，充分锻炼学生综合应用所学知识独立解决实际问题的能力。

MatLab仿真；线上线下一体化；教学改革和实践

引言

随着电子信息技术的快速发展，信息与通信工程、信号与信息处理等课程均涉及信号处理、数学计算、2D/3D绘图、模拟仿真、数值分析等方面的应用。因此，各大高校电子信息类专业师生非常关注应用MatLab仿真解决专业的问题。互联网技术的发展使在线课程成为了可能，比如MOOC（Massive Open Online Courses）为高校师生学习MatLab提供了便利。然而，实践证明学生主动学习的积极性仍不高，未能充分利用网络学习资源。

MatLab将不同领域的数值计算以函数的形式提供给用户，用户只需在平台上熟练掌握这些函数的用法，调用这些函数并赋予实参，就能解决电子信息专业的诸多实际问题。MatLab仿真软件平台具有函数集成度高、语言简洁、编程效率高、交互性好、可视化能力强等特点，可进行复杂数值计算、编程建模，以及可视化、系统动态仿真和性能分析等，被广泛应用于电子信息专业各类实践课程学习中。因此，MatLab仿真成为各大高校电子信息类专业广泛开设的一门课程。对于电子信息类专业本科生，学习并掌握MatLab有助于提高专业理论联系实际能力，也能够为数字信号处理、通信原理、信号与系统、移动通信等课程打好基础[1]。但是目前MatLab教学课时普遍过少，无法让学生真正掌握MatLab精髓。因此，需要在不增加课时的情况下，一方面利用网络平台上的资源学习基础操作知识，另一方面课堂上以工程/科研项目为导向，形成项目设计、项目实践、团队协作的闭环，探索出一条基于线上网络教学平台和MatLab线下实践操作的教学模式。

1　课程教学现状分析

大部分高校将MatLab教学定位为本科阶段的一门公共基础课，大一或者大二学生需要掌握部分入门知识和编程基础，然而实际课程教学效果并不理想[2]，主要有以下两点原因。

第一，教学方法以讲授法为主，一般是教师在课堂上讲，学生机械地听，通过一问一答的方式传授知识，课后通过布置作业让学生进一步巩固知识点。实际上，这种学习方式对于自主学习能力强的学生而言可能效果不错，但是对于一般学生而言，这种传统的教学方式还是无法调动其积极性、激发其求知欲，无法提高他们主动学习的能力。

第二，鉴于操作性和实践性，学生除在课堂上进行MatLab程序演示与练习外，还需要额外的代码实操才能掌握语言的基本逻辑和编程技巧。但当前的实践教学环节中，真正让学生在课上操作的时间较少，大量的课时被理论教学占用，对于编写程序的具体流程，尤其是调试过程常常一笔带过。学生对于MatLab仿真过程理解不深刻，随着教学的进一步深入，越学越没信心，期末只能应付考试。

近三年，为积极应对新型冠状病毒肺炎疫情带来的影响，各高校开展了在线网络教学。线上教学是对家庭、学校合作沟通能力的全面考验，也是教育活动偶然的硬性改变。与传统教学模式不同，线上教学活动不仅打破了MatLab学习时间和空间上的限制，也让师生之间的交流更加多元化。在此过程中，教师活动成为出发点，学生活动成为全场景。因此，基于线上教学的优势，结合高校培养人才的目标，针对电子信息类课程的特点，本文引入线上线下混合教学进行MatLab课程的实践和改革，在一定程度上缓解教学上的问题。

2　研究内容

在线上线下一体化教学改革和实践的理念下，MatLab课程力图打破传统课堂在时空上集中教学模式的限制，利用线上教学平台提供的教学资源和论坛版块进行教学。计算机软件仿真类课程一方面有一定的理论概念和语言逻辑，另一方面该类课程内容实践操作性强，尤其是结合项目教学时对于教师来说教学任务也比较繁重。因此借助线上教学平台的便捷性，结合MatLab仿真课程实际的特点，形成基于线上理论教学和线下实际操作的MatLab一体化教学模式。具体研究内容包括以理论为主的线上教学，以实践为主的线下教学，综合实训以及考核方式开放化、多样化。

2.1 以理论为主的线上教学：基础知识线上完成

在教学改革过程中，数字信号处理、通信原理、信号与系统等电子信息类专业核心课主要以MatLab为授课辅助工具，在对该门课程基础知识的部分，比如语言规范、矩阵运算等，可以借助网络上与MatLab相关的学习资源开展教学。对于一些知识重难点，教师也可以根据课程教学需要制作短视频分享给学生[3]。

2.2 以实践为主的线下教学：以实际项目为导向的合作讨论授课模式

授课内容以工程实际项目（可以来源于任课教师的研究课题）为导向，教师需要提前对项目分步骤拆解，根据教学和学习进度适度调整内容的广度和深度，从基础模块到综合模块进行区分。在授课过程中，首先布置本节课的项目任务，并将项目需要的步骤进行细化。MatLab软件可以实现信号的产生、运算、变换、调制等，一系列有关该课程的概念和计算均可创建图形和数值计算使之可视化。根据项目需要，学生分为若干个学习小组，每个小组协作完成一个步骤，讨论不出结果时可向教师求助，教师把多媒体教学、板书和MatLab动态演示结合在一起进行引导，不但使课堂教学变得生动活泼，也能加深学生对MatLab抽象概念和矩阵运算逻辑的理解，帮助学生掌握MatLab的语言规范和代码逻辑[4]。在所有小组都完成任务后，再进行下一个步骤，直到项目全部完成为止。

2.3 综合实训：理论教学和上机实践不分离

MatLab课程内容实践性强，涉及知识面广，要想熟练掌握需要进行大量的实践操作，而传统的灌输式教学法无法完成既定的教学任务，更不能使学生熟练掌握MatLab。所以教师应事先给学生制定适当难度的“任务”或“项目”，让学生自己完成。这种以“任务”或“项目”驱动的方式能让学生在完成任务的过程中掌握MatLab，形成专业知识链条的完整闭环，培养学生自主学习、终生学习的习惯，提高其获取、处理、分析、评价及应用信息的能力[5]。教师在某个章节内容学习结束后的巩固阶段，为学生设计与实际应用紧密结合的项目，更能激发学生的学习兴趣。当课堂在线下教室进行时，教师一边讲解，学生一边操作，并将上课需要记录的流程、伪代码等保存，以便下次使用或者课后的进一步学习，同时也保证了项目完整性和课程的连续性。

2.4 考核方式开放化、多样化

课程的考核通过一个综合性项目的完成情况来作为考察的重要依据，最终成绩评定方式以平时成绩、项目验收和项目报告来决定，详细的MatLab评分标准如表1所示。

3　存在问题分析及教学改革方法

3.1 存在问题分析

目前MatLab课程存在教学内容不合理、教学考核不严谨、学习效果不理想的问题，尽管有些学校已经开始了一些在线学习的探索，但是学习效果仍不理想，教学实践过程中仍有不足，如在线教学资源的推广难度大、理论与实践教学难以协调等，具体分析如下。

在线教学资源的推广：对于自主学习能力较强的学生，网络教学平台上的课程资源是知识宝藏。但对于有些学生来说，这些课程资源不仅不能得到充分的使用，课程难度或者双语演示等实际情况也无法及时调整，在没有教师指导的情况下，他们很难完成目标课程的学习[6]。由于网络教学平台需要学生完全自主学习，大部分高校并没有将在线课程的学习与学生毕业条件挂钩，学生也就失去了长期学习的动力。因此，在整体上缺乏主动学习、探究学习能力的普通学生群体中，无论从客观还是主观情况来看，在线完成一门课程的学习是不容易的。

表1 MatLab课程评分标准

项目及分值子项目分值优秀（A）良好（B）中等（C）及格（D）不及格（E） 平时成绩（20分）作业成绩（个人成绩）201＞X≥0.90.9＞X≥0.80.8＞X≥0.70.7＞X≥0.6X＜0.6 无漏题；结果正确；书写规范无漏题；1/4以下的题目出现错误；书写较规范漏做1/4题，或1/4～1/2的题目出现错误；书写较规范漏做较严重，或1/2以上题目出现错误；书写不够规范漏做或题目严重错误；书写不规范 项目验收（50分）项目完成度（团队成绩）10按项目完成比例给分 方案及程序设计（团队成绩）10方案合理，成果突出；代码设计合理，可扩展性、可读性强方案合理，结果正确；代码设计合理，可扩展性、可读性较强方案较合理，结果正确，可扩展性、可读性较强方案较合理，结果有错误；可扩展性、可读性差方案不合理，成果不足；代码设计不合理，可扩展性、可读性差 动手能力及回答问题情况（个人成绩）30分析能力、动手能力强；能正确全面地回答问题分析能力、动手能力较强；能较正确地回答问题分析能力、动手能力上课；能回答问题，但分析认识不够动手能力不强；问题回答存在错误缺乏动手能力；问题回答不出来 项目报告（30分）（团队成绩）30书写规范，逻辑结构严谨；方案设计合理，富有新意；结果正确，问题分析深刻书写规范，逻辑结构清晰；方案设计合理；结果正确，问题分析较深入书写较规范，逻辑结构分明；方案设计较合理；结果基本正确，问题分析不够深入书写不够规范，逻辑结构松散；方案设计不够合理；结果不够正确，问题分析不全面书写不规范，逻辑结构混乱；方案设计不合理；结果错误

授课模式：理论教学与实践教学难以协调。当前理论教学与上机实践分离的教学模式依然是主流，这样导致理论教学中所涉及的内容学生无法及时进行实践操作加以验证，也不能实时反馈加深对某个知识点的理解。上机实践又常常被安排在理论授课后，上机进行实践操作时，一般采用一对多的教学模式。由于课时有限，而且有些代码问题也并不是立刻就能发现并解决，需要进行修改和调试，如果学生在上机过程中遇到的程序问题逐一求教于教师，这时候某一个学生的问题会占用很多课堂时间，就会出现既定的教学内容无法完成或者拖堂的情况。更为重要的是上机实践课时少，以实际项目为依托的综合性、创造性较强的内容无法实施，学生就无法理解信号与系统、数字信号处理等课程的全貌，无法形成知识闭环。

考核方式：考核方式无法准确评估学生解决实际问题的能力。目前MatLab课程考核依然采用传统的期末闭卷考试的方式进行，这种理论课考察的方式被用于MatLab课程中，其实不能准确地评估学生编程能力和操作软件解决实际问题的能力，扼杀了学生学习MatLab的积极性。

本文结合上述三个方面的问题，提出线上线下一体化MatLab教学改革和实践，以提高学生在后续课程中学习的能力。

3.2 教学改革方法

传统的MatLab教学主要流程为学生在计算机上展示自己的具体程序以及遇到的问题，然后教师与学生一起讨论或者引导学生解决代码中的问题，这一过程中不断强化和加深学生对知识点的理解。网络在线授课中如何保质保量地完成课程的实践内容是教学面临的一大挑战。为此，本文以采用虚拟MatLab的教学场景作为突破口。

为了很好地展示理论教学，教师采用腾讯会议或者钉钉等软件的共享屏幕功能完成在线教学。教师每次上课前先收集学生编写好的程序，并检查程序运行结果。在此过程中，收集具有代表性的编程思路和错误问题并将其汇总。每个学习小组提前讨论并组织要汇报的内容，包括代码的语句、结构、规范等。

上课时，学习小组通过屏幕共享自己编写的程序，运行程序并进行讲解，其他学生和老师一同参与程序的点评。然后老师讲解提前挑选出的典型案例，包括不同编写代码思路或错误问题，并分析背后的MatLab语法规范和程序逻辑。最后展示出几份优秀的代码示例并以及课前形成的汇总报告并在课后将其发给学生，供学生课后进一步学习和巩固，最终提交正确的作业。

通过上述方式，教师既可以完成规定的教学内容，也可以最大程度调动学生的积极性和自主性。但这需要教师提前做好课前准备工作，并对学生的程序进行详细的分析对比、归纳总结。

通过上述虚拟线上线下的一体化教学场景可以看出，对于MatLab课程的学习，学生能够从以下三个方面得到提升。

第一，锻炼学生自主学习的能力。课堂内容是以实际项目为导向的，这就要求学生提前学习网络教学平台上的MatLab基础知识，才能在课堂上跟上教师的教学进度，无形之中激励和督促学生完成MatLab基础知识点的学习。

第二，提升学生协作、沟通的能力。课堂上采取小组协作模式，在教师提出项目任务时，学生需要协同合作才能完成项目任务。在最后的成绩评定时，只有积极参与协作的学生才能获得高分。从课堂学习的过程和成绩评定的考核中，学生的沟通能力、协作能力得到了显著提升。

第三，培养学生解决本专业实际问题的能力。课程以实际项目为导向，学生在教师的指导下逐步明白电子信息专业中的项目是如何一步步实施并完成的，学生在任务驱动型的学习过程中锻炼了查资料、讨论、互助合作等解决专业相关问题的能力。

将线上基础知识的学习与线下实操和讨论的学习结合起来，增强MatLab仿真的实操性。在MatLab教学改革和实践中，教师不断在学习中启发和引导学生走上学习的正循环，提高学生上课的积极性。只有让学生感受到学习的乐趣，参与到课堂的操作、实践、讨论等一系列的学习活动中，学生才能真正主动掌握MatLab，有利于进一步巩固对电子信息领域的其他专业课程的理解，起到相辅相成的效果。

4　结束语

MatLab仿真是电子信息类专业本科阶段的一门公共基础课，掌握MatLab软件有助于提高学生理论联系实际能力、自我创新能力及运用现代工具的能力。本文以虚拟MatLab的教学场景作为突破口，基于线上线下一体化教学理念，打破传统课堂在时间、空间上的限制，将线上网络资源与线下讨论学习进一步整合、协同，增强实践性、操作性强的MatLab仿真课程效果，能够为数字信号处理、通信原理、信号与系统等课程打好基础。

[1]林峰. “MatLab与系统仿真”课程的教学改革[J]. 电气电子教学学报，2015(3): 12-14.

[2]戴丽珍. 基于案例教学和分步、递进式任务设计的MatLab教学改革探索[J]. 教育教学论坛，2018(21): 161-162.

[3]曾玖贞，王超. 新工科背景下运用互动式教学模式提高MatLab教学效果[J]. 教育现代化，2018，5(23): 268-269.

[4]杨敏，陶家祥. 基于MatLab的信号与系统实验教学改革[J]. 信息通信，2016(8): 280-281，282.

[5]翁国庆，戚军，谢路耀，等. 基于任务驱动的多向融合课堂教学改革: 以“MatLab与系统仿真”课程为例[J]. 高教学刊，2019(1): 82-84.

[6]吴飞，杨敏，樊春霞，等. “MatLab与仿真”课程教学改革实践与探索[J]. 学周刊，2018，14(14): 5-6.

Research on the Teaching Reform and Practice of Online and Offline Integration of MatLab

In view of the characteristics of electrical information courses with high positioning level, high difficulty and strong research, combined with the actual teaching situation that students have low enthusiasm for active learning, this paper proposes the teaching reform and practice of Online and offline integration of MatLab simulation software to improve students' active learning interest and consolidate professional course knowledge, and enhance the ability of electronic information undergraduate students to use MatLab for learning, scientific research, and innovation, fully exercise their ability to comprehensively apply the knowledge that they have learned to solve practical problems independently.

MatLab simulation; Online and offline integration; teaching reform and practice

G642

A

1008-1151(2023)07-0182-03

2022-09-15

杭州电子科技大学2021年高等教育教学改革研究项目（YBJG202160）；2020年教育部产学合作协同育人项目“放大电路交直流分析方法的理论分析以及Matlab仿真代码验证和实际电路测试结果验证”（202002132001）；杭州电子科技大学《大数据分析基础》课堂教学改革研究（ZX220403399009）；浙江省自然科学基金项目（LQ20F010007）；国家自然科学基金项目（62101169）；2020年度省级线下一流课程；2021年第一批省级课程思政示范课程。

吴俊，男，杭州电子科技大学通信工程学院讲师，研究方向为无线通信。