基于MATLAB的交互式教学系统的设计与开发学位论文

基于MATLAB的交互式教学系统的设计与开发摘要MATLAB是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言。

它集成了数值计算、矩阵计算和图形绘制功能。

目前，广泛应用于研究、解决各种数学及工程问题。

本设计主要研究基于MATLAB的交互式教学系统的设计与开发及其实现，介绍MATLAB与Word之间的交互式链接的实现（即Notebook功能），讲述运用GUI工具实现交互式教学系统界面的设计方法，所设计系统可以实现常用函数图形三维坐标演示以及程序和图形在Word中的显示，方便论文及报告的撰写。

关键词：MATLAB，Notebook，Word，交互式，教学系统，GUI第一章绪论1.1 引言MATLAB是英文Matrix Laboratory（矩阵实验室）的简称，是美国MathWorks公司推出的科学计算语言，亦称数学软件。

具有可靠的数值计算和符号计算功能、强大的绘图功能、简单易学的语言体系以及为数众多的应用工具箱，主要应用于工程计算、数值分析、自动控制理论、数字信号处理与通讯、时间序列分析、图像处理、动态系统仿真、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

Notebook用来将Microsoft Word与MATLAB集成为一体，为用户营造一个融文件处理、科学计算和工程设计为一体的工作环境。

其核心是m-book模板，它为用户提供了在Word环境下使用MATLAB的功能,实现MATLAB与Word之间的交互式链接。

MATLAB自带的功能强大的GUI（Graphical User Interface）工具，即图形用户界面，又称图形用户接口，是指由窗口、菜单、对话框等各种图形元素组成的用户界面。

与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面形象生动、方便灵活，用户易于接受。

运用GUI工具制作的系统界面，可方便实现交互式教学。

1.2 选题背景、目的及意义传统的教学主要由课堂授课、作业、实验实践、考试等几个环节组成，其主要手段有板书、挂图、教具、模型、幻灯、影像放映、实物讲解等。

从教学规律上讲，传统教学有简便易行、成本相对低廉、符合认知习惯等特点。

但是传统教育模式存在以下一些问题：（1）课堂讲授方式单调，学生容易感到枯燥乏味。

（2）上课时存在教师板书与学生记笔记的难题，教师与学生劳动强度都较大，而且讲授不连贯。

（3）教师与学生间缺乏沟通，教师在完成一次课程的教学后就只有通过作业批改来了解学生的接受情况，而作业的批改在时间上往往存在较大的滞后，致使教师不能及时根据学生对知识的掌握情况来修改讲课内容和讲课进度，最后导致问题的堆积。

（4）学生程度不同，而教学进度却一致，不利于因材施教。

讲课往往为了照顾接受能力较差的学生，采用适合于他们的进度，对于接受能力强的学生来说是一种时间上的浪费。

（5）学生学习的自主性较差。

学生一般是根据课表上课，若有选修课和专业课课表冲突，他可能不得不放弃或自学选修课。

随着信息时代的到来，以计算机和网络通讯技术为代表的各种现代教学手段不断涌现，对传统教学手段带来了很大的冲击。

现代教学手段主要有电视教学、多媒体教学、计算机模拟教学、网络教学、虚拟现实教学等。

现代教学手段与传统手段的基本区别是具有随机性、交互性和仿真性。

其建立在现代教育技术和教育信息化基础之上，能够综合利用现有教学资源和各种软件系统，依托实用型终端平台和局域网的建设，采用多样化的计算机辅助教学。

现代教学手段以信息处理的高速度高容量、多媒体和交互性，极大地提高了教学效率，有利于开发学生创造性思维，可能从根本上改变人们的思维习惯和传统学习环境。

计算机及网络技术的发展为我们提供了强大的技术支持，可以极大地丰富我们的教育手段，从根本上解决传统教育中存在的问题，开创一种全新的教学模式。

计算机多媒体技术的发展给教师提供了功能强大的软件开发平台。

教师运用课件制作，可以汇集大量的文本、图形、图像、视频、音频资料，形成一个图、文、声并茂的多媒体CAI课件。

它包含信息量大，能多种方式刺激学生感官，吸引其注意力，还可节约很多板书时间，易于学生理解，提高教学效率。

如若课件中结合网络技术，运用校园服务器，还可以让学生随时查阅课件，给学生提供了一本完整的课堂笔记，这很大程度上解决了学生听课与记笔记之间的矛盾。

若再加上网络实时传送技术，还可实现虚拟课堂，学生可在不同的地方享受同样的课堂教育，这很大程度上解决了学生某些上课时间的冲突。

教学手段是教育者通过教学内容联系教育对象的桥梁，是教学主体与客体交流教育信息的物质基础。

多种教学手段的结合，是培养21世纪创新人才和发现式人才的教学认知途径。

MATLAB是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言。

它把科学计算、结果的可视化和编程都集中在一个使用非常方便的环境中。

典型的MATLAB应用包括：数值和符号计算；数据分析、检测和可视化；建模、仿真和科学与工程绘图；应用程序接口。

其自带的Notebook功能可以方便实现MATLAB与Word之间的交互式链接，自带的强大的GUI（Graphical User Interface）工具，即图形用户界面，又称图形用户接口，是指由窗口、菜单、对话框等各种图形元素组成的用户界面。

与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面形象生动、方便灵活，用户易于接受。

其过程的视觉化、形象化，刺激大脑接受信息的兴奋点，激发学习兴趣。

借助计算机技术，可实现人机对话，巩固所学知识，又提高计算机运用水平。

通过运用MATLAB自带的GUI工具，制作一种交互式系统界面，实现MATLAB与Word之间的交互式链接。

交互式教学系统的设计可很大程度上改善目前现有的教学环境，提供教师进行课堂教学的演示课件，改善传统教学中存在的问题，常用函数的三维图形演示可方便用户观察、理解函数的图形。

用户还可以在Word界面中编写程序，方便实现程序、运行结果以及图形同在Word中的显示，为报告和文献的撰写提供很大的方便。

1.3 国内外研究现状综述现代信息技术的迅猛发展极大地推动了现代教育革新的步伐，促进了新型教学手段、教学设备的涌现。

计算机辅助教学（CAI）至今已经有了30多年的发展历史，CAI课件由单一的文本形式发展成了多媒体形式，由单机环境向分布式发展。

目前已进入了多媒体网络化交互式教学阶段。

多媒体CAI网络化教学是使用计算机作为工具、利用网络技术、多媒体技术和现代教学技术进行教学活动的一种崭新的教学形式。

利用多媒体编制各类CAI课件，由计算机、声像设备和电子投影设备进行广播式或交互式教学活动，与传统教学模式相比具有生动形象、主动灵活、因材施教、资源共享等特点。

这种教学形式教学信息内涵丰富，精简课时，提高教学质量和教学管理效率，它将成为21世纪教育的重要模式之一。

国内外已经有一些企业和公司致力于研究和开发交互式教学产品。

国内主要有：盛兴利合、鸿合科技、蝶王科技以及海尔广科等。

盛兴利合针对交互式教学系统，提出了：基本型互动系统、短距型互动系统、录课型互动系统以及答题型互动系统。

鸿合多媒体交互式教学系统由鸿合HV系列交互式电子白板、鸿合中控展示台、鸿合无线射频磁感应书写板、日立多媒体投影仪等设备构建而成。

此外，海尔乐佰特互动教学系统，是基于无线通讯技术的互动教学产品，基于互动式教学、竞争性学习、个性化教学、面向学习者个体的学习信息采集、学习过程跟踪与监控等设计理念，实现师生互动。

1.4 设计内容与预期目标本文主要完成基于MATLAB的交互式教学系统的设计，通过运用MATLAB 自带的GUI工具实现MATLAB与Word之间的交互式链接。

所设计系统包括两个功能，一个是部分常用函数的三维图形演示，另一个是通过按钮打开Word界面(实现MATLAB的Notebook功能），进行程序输入、编辑、运行。

所设计系统能完成已编写好的常用函数的三维图形演示，还能通过Notebook 功能在Word中方便实现程序、运行结果和图形的同一界面显示。

1.5 设计所采用的方法1.归纳法尽可能多的搜集现有的和过去的有关交互式教学系统的资料，在对这些系统的设计及运行情况进行分析研究的基础上，根据自己所设计系统的功能要求，给出一个能实现的理想系统模型。

2.文献资料法确定自己研究课题所涉及的范围，搜集国内外关于交互式教学系统的文献资料，然后找出具有参考价值的篇目，从中尽可能的发现新的线索和方法，将所得材料不断进行整理、加工，整合成自己的思维过程。

3.系统设计法系统总体设计需要进行系统模块结构设计，将一个系统分解成不同层次、多个模块组成的子系统，详细设计时在模块结构设计的基础上，给出每个模块实现方法的细节，并对细节做详细描述，以便翻译成编程语言实现模块功能。

第二章MATLAB的Notebook功能和GUI工具2.1 MATLAB的Notebook功能2.1.1 Notebook的安装与启动1.安装随MATLAB版本的升级，与其适配的版本也会发生变化。

以MATLAB R2011a为例，能用来配置Notebook环境的Word是2002,2003,2007等版本。

在Windows已经装有前述Word版本的前提下，在MATLAB中配置Notebook 环境十分简便。

只要在MATLAB指令窗口中运行以下指令，配置过程将自动进行。

notebook-setup假如指令窗口中出现如下信息，就表示配置成功。

Setup complete2.启动(1)在Word默认窗口(即Normal.dot)下创建新的m-book文档。

选择Word窗口的下拉菜单项，在Word界面右侧引出“新建文档”对话区，如图2-1所示。

在“新建文档”对话区的“模板”栏中，点击“本机上的模板”选项，引出如图2-2所示的“模板选择”窗。

在“模板选择”窗中，双击m-book图标，就完成了m-book新文档的创建。

假如在创建m-book前，MATLAB尚未开启，那么此时就会自动开启一个MATLAB作为其服务器。

图2-1 在普通Word空白文档中出现的操作界面图2-2 模板选择窗(2)在MATLAB中创建新的m-book文件。

在MATLAB指令窗中运行以下指令，都可以创建新的m-book文件，即notebook %引出一个未命名的m-book文档界面。

notebook NewFileName %在当前目录上创建名为 NewFileName的空白文件。

(3)在Word默认窗口下打开已有的m-book文件。

在Word默认的窗口下打开已有m-book文件的方法与打开一般Word文件没有两样。

最常用的方法是选中下拉菜单项“文件”中的“打开”，然后从弹出的对话框中选择所需要编辑的m-book文件。

以上指令运行后，自动开启一个新的MATLAB作为m-book的服务器，而不管此前Windows平台上是否已经开启了MATLAB。