编程教学_基于MATLAB编程的教学讨论
时间：2019-01-02 03:31:01 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要: 本文对MATLAB的编程进行了教学方面的讨论,提出了教学过程中的需要注意的问题。并且通过对MATLAB编程的讨论,得出MATLAB具有绘图功能强、命令简单与效率高的特色,能够使学生激发学习兴趣并且提高课堂教学效果的结论。
关键词: MATLAB编程 绘图 数据分析
1.引言
MATLAB是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言,它以矩阵为数据操作基本单位,使得矩阵运算变得非常简洁、方便、高效。在各高等院校,MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数字信号处理、时间序列分析、图像处理等许多课程的基本教学工具,成为大学生、研究生必须掌握的编程语言[1]。
MATLAB已经占据了数值软件市场的主导地位,已经发展成为多学科多种工作平台的功能强大的数值计算及数值分析软件,被誉为“巨人肩上的工具”[2]。
在MATLAB教学过程中,我们发现初学者对MATLAB安装和三种结构编程理解不是很透,容易出错。很多教材和参考资料对这些方面的介绍也不是很详细,而掌握这两个方面对后续的学习和运用特别重要。
学生对上述两个方面理解透彻后,就可以从绘图和数据分析两个方面来体会MATLAB软件的高效性和强的绘图能力。
2.MATLAB软件的安装
在教学中使用MATLAB 7.0,由于MATLAB 2007版本和MATLAB 2009版本所需要的系统资源较大,而MATLAB 7.0安装文件在1G左右,因此通常使用MATLAB 7.0进行教学。在安装中特别要注意MATLAB 7.0与电脑CPU的厂家有密切联系,即如果CPU是Intel公司的,那么与MATLAB 7.0是兼容的,但是如果CPU是AMD公司的,那么需要在安装的时候修改环境变量,这一点在教学中需提醒学生注意。
3.MATLAB的编程教学
3.1矩阵
MATLAB,即“矩阵实验室”,它是以矩阵为基本运算单元。MATLAB的强大功能之一体现在能直接处理向量或矩阵。当然首要任务是输入待处理的向量或矩阵。不论是任何矩阵(向量),我们都可以直接按行方式输入每个元素:同一行中的元素用逗号(,)或者用空格符来分隔,且空格个数不限;不同的行用分号(;)分隔。所有元素处于一方括号([ ])内;当矩阵是多维(三维以上),且方括号内的元素是维数较低的矩阵时,会有多重的方括号。
如:
矩阵是MATLAB最基本也是最简单的部分。
3.2MATLAB的三种结构编程
MATLAB程序设计既有传统高级语言的特征,又有自己独特的特点。编程总是由简单到复杂,要掌握编程语言,需先练习编程的顺序、选择、循环三种结构[2]。
首先是顺序结构。学生在学习MATLAB语言之前有C语言的基础,在实际的教学过程中,必须提醒学生,MATLAB语言与C语言的一个显著的区别是,MATLAB语言是顺序执行的,在编程中,即使同一个程序使用相同的变量,这个变量也可以进行几次赋值,但是不推荐使用。
其次是选择结构。MATLAB的选择结构由if语句构成,最简单的If-Else-End结构是:
if expression
{commands}
end
如果在表达式中的所有元素为真(非零),那么就执行if和end语言之间的{commands}。对于if语句,与其搭配的是elseif语句,注意elseif之间没有空格,这一点在教学中需提醒学生注意。
最后是循环结构。MATLAB的循环结构使用for语句或者while语句。for循环允许一组命令以固定的和预定的次数重复。for循环的一般形式是:
forx=array
{commands}
End
在for和end语句之间的{commands}按数组中的每一列执行一次。
在for语句的使用中,注意对循环变量的步进值的确定,例如语句for i=0∶0.1∶1,就是指变量i的步进值是0.1,即i的取值是[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1]。
与for循环以固定次数求一组命令的值相反,while循环以不定的次数求一组语句的值。while循环的一般形式是:
while expression
{commands}
end
只要在表达式里的所有元素为真,就执行while和end语句之间{commands}。
上述的顺序、选择和循环三种结构可以嵌套使用,例如循环语句常与选择语句嵌套使用。
3.3MATLAB的绘图功能
MATLAB另一个重要特色就是MATLAB具有方便实用的绘图功能。MATLAB有两类绘图命令,一类是直接对图形句柄进行操作的底层绘图命令,另一类是在底层命令的基础上建立起来的高层绘图命令。
MATLAB可以表达出数据的二维,三维,甚至四维的图形。通过图形的线型,立面,色彩,光线,视角等属性的控制,可把数据的内在特征表现得淋漓尽致。
二维图形比较简单,用plot函数可以画出。在此主要介绍三维图形的绘图。三维图形分为曲线和曲面两种,对于MATLAB中绘制三维图形可以用“三维线图”命令plot3函数,该函数允许用户在三维空间内绘制三维图形。除了plot3函数可以绘制三维图形外,还有一些函数可以用来绘制三维线图和曲面图。能通过简单的命令绘制三维曲面
图1 MATLAB三维曲面图
从图1可以看出,曲面图为彩色图形,并且着色均匀,如果想要得到黑白图形,只要把程序表达式改为:[x,y]=meshgrid(-3∶0.01∶3);z=-5/((x^2+1)+y*0);surf(x,y,z);运行此命令后,输出图形如图2所示。可以看出,MATLAB绘图简便直观,能够激发学生的学习兴趣,提高课堂教学效果。
图2 MATLAB三维曲面图
3.4MATLAB的数据分析功能
在科学计算中,MATLAB可以用于数据分析,例如MATLAB可以将数据进行统计处理,例如需要求出数据的平均值、方差、最大值、最小值等,只需要使用mean、std、max、min等函数,使用简便并且非常快捷。例如:利用MATLAB提供的rand函数生成2000个符合均匀分布的随机数,然后检验随机数的性质:均值和标准方差;最大元素和最小元素;大于0.6的随机数个数占总数的百分比。可以编写程序如下:
X=rand(1,2000);Mean(X);std(X);max(X);min(X);e=size(find(x>0.6));f=e/2000.
4.结语
本文在此讨论了MATLAB安装教学和编程教学中有关矩阵、程序结构、画图、数据分析方面的注意问题。我们可以看出,MATLAB作为编程工具,避免了繁琐的底层编程,从而可以把主要精力和时间花在科学研究和解决实际问题上。
参考文献:
[1]刘卫国.MATLAB程序设计教程[M].中国水利水电出版社,2005.
[2]李光华,李早水.基于MATLAB编程的实验教学中学生的探索思维研究[J].哈尔滨职业技术学院学报,2009:51-52.
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