将MATLAB语言作为理工科公选课的可行性研究

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摘 要：MATLAB语言作为近年来流行的一种教学软件，在目前的理工科教学中发挥着越来越重要的作用，有鉴于此，考虑将MATLAB语言作为一门公选课进行推广。文章首先介绍MATLAB语言适合做公选课的特点，同时对其在一些理工科课程中的应用进行分析，说明将MATLAB语言作为公选课引入到理工科专业课程教学中，不仅可以提高学生的学习效率和专业能力，同时也有助于提高理工科课程教学效果，推动教学改革。

关键词：MATLAB语言；理工科；公选课

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2016）16-0204-03

Abstract： In recent years MATLAB language， as a teaching software， is very popular and plays a more and more important role in science and engineering teaching in China. In view of this， we are thinking to take MATLAB language as a public elective course for its promotion. At first， this paper introduces the characteristics which makes MATLAB language suitable as an elective course， at the same time， studies its application in some science and engineering courses. Introducing MATLAB language into professional education of science and engineering as elective course can not only improve the students" learning efficiency and professional ability， but also help to improve the teaching effect of science and engineering courses， promoting teaching reform.

Keywords： MATLAB language； science and engineering； elective course

一、概述

MATLAB軟件作为一种通用性好，分析能力强、设计功能完善的数学分析软件，目前被广泛应用于数值计算、数据处理、图像分析等科学和工程研究。MATLAB软件集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便友好的用户环境，其分析工具箱基本上涵盖了各个研究领域通用的和最新的分析方法[1]。将MATLAB语言作为一门公选课引入到教学中，不仅可以使学生掌握一门计算机语言，同时由于其与其他计算机课程和相关专业课程有紧密联系，因此可以有效促进对其他课程的理解。广义地讲，是教学科目和学生所有的学习活动的综合。狭义地讲，即成为一门学科，是将专业课程学习和MATLAB语言有机地结合起来，将现代计算机语言融入传统专业课程，使教与学融为一体，提高教与学的效率，改善教与学的效果，实现传统教学模式的创新[2]。因此文章主要的主要目的是探讨将MATLAB语言作为理工科专业的一门公选课开设的可行性。

二、MATLAB语言适于做公选课的特点

作为一门非计算机专业理工科公选课，该课程应该带有较强的实用性和工具性，课程的教学还应注重培养学生应用计算机分析问题、解决问题的意识，提高学生自学能力和接受新知识能力。而MATLAB语言作为一种功能越来越强大的计算机科学语言，在科研与工程中的应用越来越广泛，将MATLAB语言引入理工科甚至其他学科不仅可以提高学生对前期所学编程语言的理解，同时有助于其在后期的学习中掌握新知识[3]。MATLAB语言适合作为理工科计算机公选课的特点如下。

（一）拥有友好的工作平台和编程环境

随着MATLAB软件版本的不断升级，MATLAB软件的用户操作界面也越来越精致，人机交互性更强，操作更简单。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过翻译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析[4]。

（二）拥有简单易用的程序语言

目前所使用的所有MATLAB语言都是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，但是相比C语言程序书写时的语法要求，MATLAB语言程序的书写更为简单。MATLAB语言不需对矩阵的类型、维数、大小进行说明，若不预先分配矩阵的大小则系统会根据矩阵元素的多少对矩阵大小进行动态配置，这种动态矩阵使程序的适应性提高，更加符合科技人员对表达式的书写格式[5]。

（三）拥有强大的科学计算能力

MATLAB软件拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便地实现用户所需的各种计算功能。MATLAB软件的数据可视化功能强大，绘图简单，界面友好，绘出的图形细腻且空间立体感强，这是传统编程语言无法比拟的。MATLAB软件附加的工具箱几乎涉及科学计算的各个研究领域，因此它在科学研究和工程技术领域有广泛的应用[6]。

（四）拥有开放的源函数文件

在MATLAB软件中除了以C语言函数为基础集成的内部函数以外，MATLAB软件所提供的所有核心文件和工具箱函数文件都是可读可改的源文件，用户可以根据自身需要通过对源文件的修改加入自己的代码构成新的工具箱函数，然后通过函数文件名就可以像工具箱函数一样在程序中调用[7]。

三、MATLAB语言理工科课程中的应用举例

（一）MATLAB语言在数值分析课程中的应用

数值分析是一门与计算机、程序设计等密切相关的实用性很强的课程，作为交通运输、机械工程、汽车服务、自动化、和电子信息科学与技术专业中开设的一门专业限选课，在学生后期电路、信号与系统、自动控制原理等课程学习中应用广泛，但数值分析是主要研究求解数学模型的算法及有关理论，公式多、理论推导复杂，因此学起来很困难，如果将MATLAB语言引入到数值分析课程的学习中，利用MATLAB语言来建模就可以使过程由抽象变得具体化。例如要求计算（e-y+ln y）dy的值，由被积函数e-y+ln y并不一定能够找到用初等函数的有限形式表示的原函数，所以对这种定积分我们可能就求不出解，但是引入MATLAB语言编程后，借助MATLAB语言函数包，只需要几行代码就可以求出相关问题的答案。例如本题在MATLAB语言命令窗口中输入如下代码就可求出问题答案。

int（"exp（-y^2）+log（y）"，1，10）

回车得到

ans=

1/2？鄢pi^（1/2）？鄢erf（10）-9+10？鄢log（2）+10？鄢log（5）-1/2？鄢pi^（1/

2）？鄢erf（1）

输出的结果比较复杂，对其进行转换输出结果

输入

eval（"1/2？鄢pi^（1/2）？鄢erf（10）+10？鄢log（2）+10？鄢log（5）-9-1/2？鄢

pi^（1/2）？鄢erf（1）"）

ans=

14.1653

（二）MATLAB语言在化工原理课程中的应用

化工原理是一门关于化学加工过程的技术基础课，它为过程工业提供科学基础，对化工及相近学科的发展起支撑作用。化工原理课程具有内容多、公式繁、知识面广、计算量大等特点，特别是化工原理的操作型计算较复杂，经常涉及非线性方程和方程组的计算，需要迭代计算、手工计算，对初值要求高，且工作量大。用普通编程语言如C、VB等编程，需要编写计算方法，过程繁琐。而由于MATLAB集成了大量函数包，省去了编程的麻烦，因此采用MATLAB语言可以很快得出结果。例如换热器的操作型计算题：在套管换热器中用水冷却煤油。煤油的流率为400kg/h，由90°C冷却到36°C。水的入口温度15°C。两流体并流流动，操作条件下的煤油比热熔为2190J/（kg·°C）。已知换热器基于外表面积的总传热系数为860W/（m2·°C），总换热面积为0.72m2，求冷却水用量及出口温度[8]。本题如果用MATLAB语言编程求解只需如下几行代码就可求出结果。

编写函数文件function f=heater（t）（文件名为heater.m）

f=t+21.2209？鄢log（36-t）-52.6210；

在命令窗口写如下代码

clear； clc

t0=[30]；%初值

t2=fsolve（"heater"，t0）

qm2=3.1511/（t2-15）

即可得到结果t2=33.5°C，qm2=0.1699kg/s=612kg/h。

（三）MATLAB语言在工程力学中的应用

工程力学作为高等院校理工科学生的一门技术基础课，是学生用高等数学知识处理物理问题的一门理论物理课。工程力学涉及众多的力学学科分支与广泛的工程技术领域，是一门理论性较强、与工程技术联系极为密切的技术基础学科，工程力学的定理、定律和结论广泛应用于各行各业的工程技术中，是解决工程实际问题的重要基础。在工程力学的学习中，有些力学机构的运动轨迹难以想象，求解运动轨迹参数更是要求学生具有深厚的数学功底，这就给数学功底一般的学生造成学习困难，因此将MATLAB语言引入到工程力学的学习中，可以将学生从繁琐的解题编程中解脱出来，将更多精力投入到对工程力学理论的学习中。例如：如图1所示三铰拱由两半拱和三个铰链构成，已知每半拱重Q=300kN，L=4m，H=10m，求支座A、B的约束反力[9]。此题如果采用理论求解，需要能熟练求解线性方程组，但是采用MATLAB语言编程求解，只需要列出该方程组即可求解，求解过程如下，大大简化了人工计算过程。

Matlab程序清单

clear %清除内存中保存的变量

Q=300； L=4； H=10； %输入已知条件

A=[1 0 -1 0； 0 0 0 8？鄢L； 0 8？鄢L 0 0； H -4？鄢L 0 0]；

%平衡方程系数矩阵

B=[0；8？鄢L？鄢Q； 8？鄢L？鄢Q；-3？鄢L？鄢Q]；%平衡方程常数项矩阵

X=A＼B； %求解

disp（"RAX RAY RBX RBY"）；

disp（X"） %显示结果

程序运行结果

RAX RAY RBX RBY

120 300 120 300

即支座A的约束反力为RAX=120kN， RAY=300kN，支座B的约束反力为RBX=120kN， RBY=300kN

四、结束语

MATLAB语言作为一种计算机语言，相比其他常用语言更加简单，学习更容易，同时由于它丰富的函数工具包，可以使学生从繁琐的编程中解脱出来，大大提高学习效率。其次，无论是理工科开设的高等数学、大学物理等基础课程，还是数值分析、工程力学、化工原理、电子线路、信号与系统、自动控制、机械原理等专业基础或专业课程， 都可把MATLAB软件作为计算、绘图或数据分析的工具，因此将MATLAB语言作为一个公选课，让所有理工科学生都学习这门课程，可以有效促进学生对其他课程的学习。再次，鉴于目前MATLAB软件的特点和其在工程研究领域的不断普及推广，将MATLAB语言作为一门计算机公选课程或一种教学工具， 在理工科教学中进行普及， 必将对理工科教学产生积极的影响，使教学达到一个新水平。最后，应用MATLAB软件不但使基础课和一些专业课的学习变得简单，在学生毕业设计中也被广泛使用，目前自动化、电子信息科学与技术等理工科专业的很多学生都采用MATLAB软件作为毕业设计的工具，进行实验数据处理、系统仿真。因此如果能夠将MATLAB语言作为一门公选课在我院推广，不仅可以使学生掌握这些知识，提高其专业能力、计算机应用能力，同时也有助于提高理工科院校课程教学效果，推动教学改革。

参考文献

[1]胡玮军，陈梦迁.MATLAB：《工程力学》辅助教学的新工具[J].中国电力教育，2008，10（122）：71-73.

[2]秦茂玲，于国兰，赵庆桢，等.Matlab软件与专业课程的整合教学研究[J].山东师范大学学报（自然科学版），2005，20（4）：15-16.

[3]潘峰，薛定宇，陈大力，等.MATLAB语言课程在电气信息类专业教学中的应用[J].电气电子教学学报，2009，31：57-60.

[4]张海燕，姚汝方，王明祥.MATLAB语言在混凝土质量评定中的应用[J].水利与建筑工程学报，2003，3（1）：30-32.

[5]刘卫国，张升平.MATLAB及其在电路分析中的应用[J]长沙铁道学院学报，2001，19（3）：77-81.

[6]唐春明，简金宝，黄燕玲.信息与计算科学专业开设Matlab课程探讨[J].广西大学学报（哲学社会科学版），2009，31（4）：22-23.

[7]王志新.《Matlab程序设计》课程建设的思考[J].科技信息，2009，（21）：190-200.

[8]杨金杯，余美琼，陈文韬，等.Matlab在化工原理教学中的应用[J].化工高等教育，2011（5）：83-86.

[9]吴金洪.MATLAB语言在工程力学教学中的应用[J].金华职业技术学院学报，2006，6（1）：61-63.

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