MATLAB语言及其应用课程思政建设

哈尔滨工业大学“MATLAB 语言及其应用”课程是面向全校本科生的一门文化素质选修课，课程主要介绍MATLAB 科学计算、编程、数据分析、可视化绘图、App 应用软件设计和动态系统建模仿真，具体包括MATLAB 的软件开发环境，数据类型、矩阵运算、数组运算、程序设计、可视化绘图、数值计算、符号计算、概率统计、数值拟合和插值、App 应用程序设计和Simulink 建模仿真等知识。

课程采用案例教学法，通过科教融合的方式，设计各种解决科研和工程实际问题的教学案例，持续丰富和完善MATLAB 案例库，并通过这些案例来讲授解决高等数学、线性代数、概率统计、曲线拟合和插值等数学问题的各种MATLAB 函数命令，提升学生们独立编程和开发算法的能力，启发
他们主动将MATLAB 引入到公共基础课和专业课中，
提高其利用MATLAB 解决实际问题的科学计算能力。

此外，通过不断挖掘思政元素，并将其有机地融入到案例教学中，激发学生们的爱国之情、强国之志、报国之行，实现为党育人、为国育才的目标。

1 “MATLAB语言及其应用”课程教学
设计
（1）课程教学目标及其在本科生知识体系中的作用。

MATLAB 是理工科的“计算神器”，是科学家和工程师的语言，广泛应用于数学、物理、化工、金融、生物医药、航空航天以及社会科学等各个领域，掌握和运用M AT LA B 软件已成为工程师和科研人
基金项目：哈尔滨工业大学第十批课程思政教育教学改革项目“科学计算语言及其应用”（23020A ）。

MATLAB语言及其应用课程思政建设
李爱滨，钱明芳通信作者，张学习，贾政刚，耿 林
（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）
摘要：
MATLAB是应用最为广泛的科学与工程计算软件，它集科学计算、数据分析、编程、可视化绘图和动态系统建模仿真功能于一体，是本科生解决公共基础课和专业课问题的“计算神器”。

在本科生“MATLAB语言及其应用”课程中，通过科教融合方式开展课程教学，不断增强课堂教学的实效性；同时引入思政元素，开展课程思政教学，在帮助学生们掌握科学计算语言的同时，培养其创新思维，塑造其科学文化素养，取得了良好教学效果。

本课程采用的科教融合与课程思政相结合的教学模式有助于我国拔尖创新人才的培养。

关键词：
课程思政；科教融合；MATLAB；科学计算语言doi：
10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.01.050中图分类号：
G 641，TP 31 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）01-0154-04The Curriculum Ideological and Political Construction of MATLAB Language
and It’s Application
LI Aibin, QIAN Mingfang, ZHANG Xuexi, JIA Zhenggang, GENG Lin
(School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract: MATLAB is one of the most widely used scientific and engineering calculation software, which integrates scientific calculation, data analysis, programming, visual drawing, and dynamic system modeling and simulation functions. It is a "computing tool" for undergraduate students to solve problems in public basic and professional courses. In the undergraduate course of 'MATLAB Language and Its Applications', the integration of science and education is used to carry out course teaching and continuously enhance the effectiveness of classroom teaching; At the same time, introducing ideological and political elements and carrying out ideological and political teaching in courses, while helping students master the language of scientific computing, cultivate their innovative thinking, shape their scientific and cultural literacy, and achieve good teaching results. The promotion of the teaching model that combines science and education integration with ideological and political education in this course will help cultivate top-notch innovative talents in China.
Key words: curriculum ideological and political education; integration of science and education; MATLAB; scientific computing language
产业观察
员的必备技能。

课程教学目标如下：一是了解和掌握MATLAB 编程基础，包括软件环境及基本操作、变量和常用数据类型、矩阵运算方法、语法结构、常用的函数命令使用、编程技巧，使学生能够轻松自如地编写解决实际问题的MATLAB 程序。

二是了解和掌握MATLAB 强大的计算功能，包括数值运算、符号运算和概率统计，使学生学会用MATLAB 进行数学建模，培养学生用MATLAB 计算功能解决相关课程中复杂数学计算问题的能力。

三是掌握MATLAB 绘图功能，了解图形用户界面设计以及Simulink 仿真基础，使学生学会对实验数据进行可视化绘图处理，为学生在其他专业课中的动态系统仿真和各种实用程序的开发打下良好的基础。

课程面向全校本科生开放，为了学好本门课程，要求先修课程为“高等数学”“线性代数”“概率论与数理统计”等，可以作为电气工程及其自动化、信息与通信工程、计算机科学与技术等专业的基础课程之一，课程在本科生教学体系作用如图1所示。

讲述二维数值梯度向量图的绘制过程，通过对比分析streamslice 命令和quiver 命令，形象生动地向学生展示不同的命令绘制的梯度场即向量场的区别，可提升课堂教学效果，结果如图2
所示。

图1 “MATLAB语言及其应用”课程在本科生教学体系中的地位
（2）加强课程教学案例库建设，提升教育教学实效性。

为增强课程内容的实效性，课程主要采用案例教学法，因此，需要不断精心设计各种工程和科研方面的教学案例。

本课程案例建立在工程实践和科学研究的基础上，主要取材于科研成果、学术刊物、大学物理实验、毕业设计、数学建模比赛等不同方面。

例如，运用“MATLAB 离散数据数值积分计算泡沫铝吸能特性”案例[1]来自于作者的科研成果，“基于Simulink 的汽车行驶速度PID 控制系统仿真”案例[2]和“黄河小浪底调水调沙试验数学建模”案例[3]来自于期刊杂志，“传染病微分方程的数值求解”案例来自于网络，“Cr-Mo 钢炉管剩余寿命预测”案例来自于毕业论文，“人体血液酒精含量的非线性拟合预测”案例来自于数学建模大赛，“PN 结正向压降与温度的线性关系研究”案例来自于“大学物理实验”课程，“应用MATLAB 模拟电偶极子电场分布”案例来自于“电磁学”等。

其中，
选用电偶极子电场分布作为切入点，
（a） 用streamslice命令绘制电场线图 （b）用quiver命令绘制电场强度箭头图
图2 应用MATLAB模拟电偶极子的电场分布图
（3）将科教融合贯穿教育教学全过程，充分挖掘学生成长为拔尖创新人才的潜质。

本科教育是培养拔尖创新人才的根本，也是“双一流”建设的重要环节和关键领域。

为了发挥“双一流”高校的学科优势，将科研成果转化为教学资源，一个重要的途径就是将高水平科研成果设计成教学案例。

这不仅可以激发学生的学习兴趣，还可以开启学生的学术启蒙意识，有助于拔尖人才的培养。

例如，“运用M AT L A B 离散数据数值积分计算泡沫铝吸能特性”的教学案例就取材于作者于2015年发表在Mater ials Let ters 刊物上的学术文章——Enhancement of the mechanical strength of aluminum foams by SiC nanoparticles [4]。

案例融合了教学、科研和本科生毕业设计指导工作，将基于科学试验获得的泡沫铝材料的应力-应变数据，运用数值积分和可视化的方法转化为MATLAB 教学案例[1]。

众所周知，在材料科学中，一般认为气孔是一种内部缺陷，是裂纹萌生的起点。

然而，当物体内部存在大量气孔时，材料又会产生很多优异的功能特性，如阻尼、减震、吸声、吸能、散热和电磁屏蔽等。

这类结构功能材料就是泡沫材料，已被广泛应用于航空航
天、建筑、交通等重要领域[5]。

通过基于泡沫铝压缩试验的应力（）-应变（）曲线（见图3），利用离散数值积分的方法，计算其包围的面积，可表征材料的吸能特性。

其计算式如下：
（1）
图4显示了运用MATLAB 内置积分函数cumtrapz 求解的泡沫铝的吸能曲线。

此外，还可让学生根据复合梯形法则，独自编写多子区间梯形面积的积分算法，计算吸能性能。

使用MATLAB 软件作为课程的引子，引发学生重新审视学习和生活中常用的软件，如操作系统、办公软件、计算机辅助设计与绘图软件等。

通过对这些耳熟能详的软件介绍，引出王怀民院士所言：“我国软件的核心技术依然受制于人，主要表现为国产基础软件、工业软件
被‘卡脖子’，应用软件占比过高，超过了75%”[6]。

以此让学生反思：“国产工业软件路在何方？”中国有全世界数量最多的大学生群体，日后也将拥有世界上最大的工程师群体。

不言而喻，国产工业软件的出路就掌握在当代青年的手中。

在课程教学中，教导学生不仅只是学习MATLAB 语言编程技巧和MATLAB 函数命令使用方法，而是要向数学软件领域的一流专家学习编程，了解算法原理，并且能够独立完成算法编写，以此提升学生的软件开发能力，并借此激发学生对于工业软件的兴趣，自觉承担起历史赋予的使命，为扭转工业软件落后挨打的困境贡献绵薄之力。

（2）致力于提升学生对于国家发展的信念和信心，将国家发展的关键数据融入课程教学，激发学生的爱国之情、强国之志、报国之行。

无论过去、现在还是未来，中国青年始终是实现中华民族伟大复兴的先
锋力量[7]。

作为“双一流”高校的学生，更应将自身发展同国家和民族的前途命运紧密联系在一起，承担起历史赋予的伟大使命。

为了更好地向学生展示我国突飞猛进的发展业绩，课程将国家发展成果有机地融入到教学案例中。

如在讲解绘制双坐标轴条形图时，设计展示了从1987年到2016年30年间全国GDP 和人均支配收入的变化（如图6所示）。

让这些千禧年之后出生的大学生知道，他们赶上了好时代，出生在我国经济迅猛济发展的时期，感受到生活水平不断提高，使他们的获得感和幸福感也与日俱增。

从2016年起，时光已飞逝7
年，
图5 本课程的思政建设思路
此案例设计既有先进性又有启发性，既适合教师讲授又适合学生学习，充分践行了科教融合的育人理念，进一步提升了教师的教学质量和学生的学习效果，目的是让本科生在掌握MATLAB 基本功能和提高编程算法能力的同时，深刻体会MATLAB 助力学术科研的重要性。

通过案例分析，潜移默化地启迪学生的科研意识，锻炼学生分析问题和解决问题的能力，培养他们的创新能力，提升其科学文化素质。

此外，在后续工作中，分别将孔隙率为55.7%、60.1%和64.9%的纳米颗粒增强泡沫铝复合材料吸能性能设计成教学案例，分析纳米颗粒加入泡沫铝基体对材料吸能性能的影响，并利用App Designer 专门设计生动、直观、高效的泡沫材料吸能性能仿真平台，借此输入任何多孔材料的压缩数据，都能获得该材料的吸能特性。

值得一提的是，本课程与过去和目前进行的大量科研工作联系紧密，为设计适合创新型人才培养要求的课程教学内容奠定了基础。

2 “MATLAB语言及其应用”课程思政
教学体系建设
2020年6月，哈尔滨工业大学被禁止使用MATLAB 正版软件。

“MATLAB 语言及其应用”作为文化素质教育选修课程，深受“卡脖子”之痛。

在这一背景下，加强本课程的思政教育，让当代大学生能与祖国同呼吸、共命运、心连心，以此激发他们的爱国之情、强国之志、报国之行就显得尤为重要。

在不影响主体教学内容的前提下，本课程将思政元素有机融入到MATLAB 教学中，如图5所示，形成了“教学内容——思政元素——教学案例”三位一体、相互促进的教育教学体系，以此达到培养学生和激励学生的目的。

具体建设思想阐述如下。

（1）致力于改变我国工业软件受制于人的局面，激励学生学好M AT LA B 软件的强大功能和先进技术，不断提升学生的独立编程能力。

MATLAB 是世界三大数学软件之一，代表着当今国际科学计算软件的先进水平，其计算精度和速度优于传统的高级程序设计语言。

以美国禁止哈尔滨工业大学等国内部分高校
产业观察
中国也已实现了第一个百年奋斗目标，中国经济和人民生活水平再上一个台阶，让学生们上网搜索近7年全国GDP 和人均支配收入变化的数据，让他们亲自绘制我国经济和人民生活水平的条形图，让他们感受一下惊人的“中国速度”，以此激发学生的爱国情怀，矢志为
祖国建设添砖加瓦。

图6 全国GDP和人均支配收入的双坐标轴条形图
（3）致力于宣传中国航天第一校“尖兵”重任，
激励学生努力学好专业基础知识，不断提升岗位建功立业的能力和水平。

我国航天事业的发展与哈尔滨工业大学师生的发展息息相关。

自20世纪50年代起，“立足航天、服务国防”逐渐成为哈尔滨工业大学鲜明办学特色和宗旨。

在讲解饼图绘制这一知识点时，设计和展示了2015年和2019年我国在全球发射火箭中的地位（如图7所示）。

显而易见，中国从2015年的世界第三跃居到2019年的世界第一。

而要了解近几年火箭发射现状，拟在课后安排学生自行检索全球发射火箭的比例，
并绘制饼图。

（a） 2015年 （b） 2019年
图7 全球各国发射火箭数量对比的饼图
在Simuli n k 仿真这一章节，向学生介绍本校用
Simulink 可视化建模技术建立了小型固体火箭飞行仿真数值模型，以及用Simulink 数字仿真了载人航天空间环境地面实验舱KM6环控系统的案例背景。

同时，在课程教学过程中，演示了嫦娥、月球与地球相对运动的MATLAB 仿真运动轨迹（如图8所示），并引以为豪地告诉学生：助“嫦娥”挖土“一臂之力”的机械臂（如图9所示）是由材料学院耿林课题组张学习教授科研团队完成的，以此鼓励学生学好专业知识，提升
岗位建功的能力和水平。

图8 用MATLAB仿真嫦娥运动轨迹 图9 铝基复合材料机械臂在月面工作照片
3 “MATLAB语言及其应用”课程思政
建设成效
（1）学生的使命感显著增强。

从学生的精神状态上看，不少学生认为“课程内容很有意思”“老师十分负责，悉心指导，课堂气氛非常好”，通过课程的学习
“十分有助于我们培养自己搞科研的基本能力，对我
们处理数据有很大帮助”，增强了学生投身科研工作的信心，认为课程“为以后的科研工作打下基础”。

（2）学生的获得感显著增强。

从评教结果上看，近3年，6次课程评教成绩均在85分（B 级）以上，其中获评A 级（综合排名位列全校前20%）的比例为33.33%。

学生普遍认为“课程非常实用”，教师“课程设计得很好”“制作的教学视频逻辑清晰”“收获非常多”等。

（3）学生成就感显著增强。

从学生的反馈上看，通过课程的学习认识到了科学计算语言的重要性，能够运用其去解决其他课程中的很多问题；课程中介绍的MATLAB 仿真实际案例与专业学习的结合紧密，“加深了我对本专业的认识”；同时通过“实例实操，生动讲解，能让学生明白具体的过程”“基本掌握MATLAB 的知识点”。

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参考文献
[1] 李爱滨，钱明芳，张学习，等．MATLAB 离散数据数值积分教学案
例——泡沫铝材料吸能特性计算[J]．实验技术与管理，2023, 40(01): 169-174.
[2] 赵斌，董浩，张建．基于Simulink 的汽车行驶速度PID 控制系统仿真[J]．
汽车实用技术，2018(02): 127-129.
[3] 郝振莉，董晓娜．黄河小浪底调水调沙试验数学建模[J]．黄河水利职业
技术学院学报，2014, 26(01): 16-20.
[4] DU Y , LI A B, ZHANG X X, et al. Enhancement of the mechanical strength of
aluminum foams by SiC nanoparticles[J]. Materials Letters, 2015(148): 79–81.[5] 张乐，郑顺奇，郑阳升，等．我国泡沫铝材料关键技术进展与展望[J]．
中国材料进展，2022, 41(7): 547–553.
[6] 王晓涛．开源亦有风险 中国软件须掌握主导权[N]．中国经济导报，
2021-12-24(002).
[7] 李立红．认真学习宣传贯彻习近平总书记在纪念五四运动100周年大会
上重要讲话精神[N]．中国青年报，2019-05-08(001).。