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摘要：在《Matlab与工程计算》课程教学实践中，将科研项目转化为教学资源，采用工程项目引导的教学方式，引导学生对编程知识进行实践，检验学生学习的效果，提高学生对Matlab解决工程实际问题的能力。采用课程学习效果自评问卷的方式评价教学效果，结果表明该教学方法可有效促进课程目标的达成。
关键词：Matlab；工程项目引导；课程教学改革
本文引用格式：陈庆光,等.工程项目引导的《Matlab与工程计算》课程教学实践[J].教育现代化,2019,6(05):129-132,142.
Matlab作为一种先进软件，具有语法规则简单、函数库丰富、编程效率高、交互性好等特点，在智能检测技术领域中的图像处理、信号处理、数据分析、数值计算、可视化显示、算法研究等方面应用广泛，是数字信号处理、数字图像处理、自动控制原理、信号与系统、视觉检测算法与应用等诸多课程的基本教学工具，也是毕业生后续开展科学研究和工程实践必不可少的工具[1]。作者对工程项目引导的课程教学实践进行了探索和研究。
一 课程开设情况
（一）课程设置依据
杭州电子科技大学测控技术与仪器专业培养在工业信息检测、生物医学信息检测、测控系统与智能仪器设计等领域从事智能检测与仪器设计方面的研究、开发、测试、管理等工作的工程技术骨干人才。学生在掌握数学和自然科学基础，机械、电子、计算机等工程基础，以及传感技术、测试技术、控制技术、信息处理技术等专业知识基础上，具备专业沟通表达能力和工程实践能力，能够利用专业知识解决智能检测与仪器设计方面的复杂工程问题。可见，Matlab是测控技术与仪器专业学生必须掌握的一门工具类软件。为此，我专业面向大二学生开设工程基础类必修课程《Matlab与工程计算》，以培养专业学生运用Matlab软件解决工程实践项目的能力。
（二）课程基本情况
测控技术与仪器专业按照工程教育专业认证的理念开展教学工作，专业将毕业要求指标点分解到每门课程中，通过课程目标的达成保证最终毕业要求的达成[2]。《Matlab与工程计算》课程支撑的毕业要求指标点为：5-1能够使用Matlab、C语言、Labview、AutoCAD、Keiluvision、Proteus、OpenCV等现代工具。10-1能够针对智能检测与仪器设计领域的复杂工程问题撰写格式规范、逻辑清晰、层次分明、观点明确的专业报告、设计文稿。
根据该课程支撑的毕业要求指标点情况[3]，课程教学大纲设定并明确了课程教学目标。1：通过课程学习，学生能够解释MATLAB语言的基础概念、基本内容，包括数值计算、符号运算、图形处理、绘图功能、程序设计方法及数值仿真等；2：能够在实际程序开发或数据计算、仿真模拟中，利用Matlab编程软件的帮助文档或文献资料进行研究分析，并利用MATLAB编程语言实现数据处理、工程计算和数学建模；3：能够撰写格式规范、逻辑清晰、层次分明、观点明确的专业报告、设计文稿。
该课程属于集中性教学环节，总学时为32，在学期末采用时间相对集中的方式授课，为提高学生对课程知识和应用的内化吸收，课程安排为8天，每天4个学时。
（三）课程教学安排与考核方式
考虑到本课程学时较短，课程定位为对Matlab基础概念和软件的使用，教学内容包括开发环境熟悉、数组、分支语句、循环结构、自定义函数、绘图功能，输入输出函数、图像处理基础、M文件编写等。学时安排上前2/3个学时学生在教师指导下学习，跟随教师在Matlab软件环境下编写、调试各个知识点的程序，以保证学生能够利用Matlab软件编写并调试具有独立功能的程序。在第23个学时时，教师对课程考核题目进行介绍和讲解，后面学时和课下时间学生根据考核题目要求编写程序，在课程结束前组织现场验收。
课程考核方式：本课程考核包括平时成绩、程序验收、总结报告等三个内容，各占总成绩的10%，70%，20%。平时成绩根据学生考勤、课堂表现等情况进行评分，程序验收由教师对学生编写的考核题目的程序进行现场验收，根据程序编写完整性、规范性、正确性，以及对程序本身的理解进行评分，总结报告是学生在课程结束后撰写的课程实验总结报告，要求格式规范、逻辑清晰、层次分明、观点明确。
二 工程项目引导的教学实践
为激发学生学习Matlab的兴趣，提高学生对Matlab软件在测控领域工程应用的认知度，培养学生利用Matlab软件解决工程实践的能力，本课程教师本着科教融合理念，将前期开展的基于激光衍射的漆包线线径测量科研项目转化为教学资源，作为该课程Matlab程序编写的考核和验收题目[4]。为防止学生忽略软件的系统学习，直接编写考核题目，在课程进展到中期时，发布课程考核题目。
细丝直径的高精度测量是工业生产中的实际问题，如漆包线生产厂家需测量外围绝缘漆的厚度，要求精度达到微米量级。传统的接触式方法无法达到，采用激光衍射的方法，利用工业相机接收衍射图案，并结合图像处理计算可计算出激光衍射极小值点的间距，进而根据理论计算出待测细丝的直径[5]。
细丝直径d和测量的极小值点的间距△x之间的关系如下：
单个像元尺寸为5.2μm，采集的衍射光斑图像为图2所示。
因此，若根据图2所示衍射光斑图像，得到衍射光斑极小值点的间距△x，即可根据公式（1）计其中f为透镜焦距，λ为激光波长。当采用f=300mm的傅氏透镜，波长为633nm的He-Ne激光器，探测器为130万像素，即分辨率为1280*1024，算出该测量物体的直径。
考虑到本课程重点考察学生的软件使用能力，项目中涉及的数字图像处理、数字信号处理等课程尚未学习，因此，由教师给出图3所示的算法流程以及可参考的关键函数，学生可按照提示的算法流程编写程序。
1.二值化及求取每个区域重心点后的结果，其中蓝点表示白色区域的重心。
im2bw产生二值化图像bwareaopen函数用于删除二值图像BW中面积小于P的对象[L,num]=bwlabel(I)返回一个和BW大小相同的L矩阵，包含了标记了BW中每个连通区域的类别标签，这些标签的值为1、2、num（连通区域的个数）STATS=regionprops(L,properties)用于常用来统计被标记的区域的面积分布，显示区域总数。获得STATS后，可通过STATS.Centroid得到每个区域的重心。
2.将重心点（图4所示为5个重心点）通过最小二乘法的拟合函数polyfit（x,y,n），n=1时为线性拟合见图5。
3.列出该方向上的每个像素点的灰度组，形成数组，并采用滤波方式进行处理。寻找极小值点，并计算极小值点的间距平均值。反演直径见图6。
本课程要求学生根据上述提供的工程背景知识以及细丝的激光衍射图像，编写MATLAB程序实现以下功能：1.读入图像，求取该图像的尺寸，即高度与宽度；2.二值化图像，并求取各光斑的重心点坐标；3.求取衍射方向上的光强分布曲线；4.对分布曲线进行滤波处理，获取极小值点坐标；5.反演计算细丝直径。另外，需显示的中间环节图像包括：
1.带有各区域重心点的二值化图像。2.衍射方向的直线拟合结果，绘制在衍射光斑分布原图上。3.显示分布方向上的灰度分布曲线及滤波处理结果。
学生在编写Matlab程序解决上述工程实践题目，需综合运用数组、循环语句、绘图、自定义函数等课程教学内容。如imread读入的图像是二维数组；读取拟合直线上各点的灰度值需用到For循环结构；对衍射光斑的灰度分布数据进行滤波，需编写自定义低通滤波函数；，如二值化图像、衍射光斑灰度分布曲线等中间处理结果的显示，需利用绘图功能实现；使用bwareaopen等函数需查询Matlab的帮助文档等。
三 课程教学效果评价
通过对Matlab基础知识的介绍和学习，使学生在短时间能够对Matlab有个基本的系统认识。利用工程项目作为课程考核题目，引导学生对编程知识进行实践，可检验学生学习的效果，提高学生对Matlab解决工程实际问题的认识。
为了解本课程教学方法的效果，有效促进课程建设，提高课程教学质量，在课程结束前发放课程学习效果自评问卷，由学生根据课程学习过程中的收获对调查问题的掌握或认可程度进行匿名评分[6]，回收问卷后统计平均分如表1所示。
从表中可看出，学生对Matlab的基本功能掌握较好，平均达成度为82.8%，证明了该课程采用工程项目引导的教学方式的有效性。同时，也需要关注学生在自定义函数的使用、完整功能程序的编写、总结文档的撰写等方面的能力达成，在接下来的教学实践中需设计教学环节对学生的课程目标达成情况持续改进。
参考文献
[1]王玉芳,叶小岭,陈逸菲.电气信息类专业MATLAB课程教学改革探讨[J].软件导刊,2016,15(11):218-220.
[2]陈祥光.仪器类本科工程教育专业认证标准学习与交流[J].电子测量技术,2013,36(6):1-2.
[3]杨兆,付百学,李涵武,等.课程支撑毕业要求指标点达成度评价研究[J].黑龙江工程学院学报,2018(1).
[4]钟秉林.推进大学科教融合努力培养创新型人才[J].中国大学教学,2012(5):4-6.
[5]陈庆光.成像式激光衍射细丝直径测量的实验研究[J].实验科学与技术,2016,14(3):22-24.
[6]于晓波,李臣之,孙薇.关注学生学的教师课堂教学自评量表的编制[J].教师教育学报,2014,1(2):70-77.
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