科學(xué)計算與Matlab編程課程教學(xué)大綱

《科學(xué)計算與MATLAB編程》課程教學(xué)大綱課程名稱：科學(xué)計算與MATLAB編程ScientificComputingandMATLABProgramming課程編號：021060340課程性質(zhì)：□必修R選修課程類別：□通識課程R專業(yè)課程￡實踐教學(xué)適用專業(yè)：新能源科學(xué)與工程課程學(xué)時：總學(xué)時32，其中：理論20、實驗12課程學(xué)分：2應(yīng)開課學(xué)期：第六學(xué)期先修課程：大學(xué)計算機、C語言、線性代數(shù)任課學(xué)院、系部：能源科學(xué)與工程學(xué)院新能源科學(xué)與工程系一、課程簡介本課程為新能源科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)選修課。MATLAB是由MathWorks公司1985年推出的一種面向科學(xué)與工程的計算軟件，它具有極強的數(shù)值計算、圖形文字處理、數(shù)據(jù)分析、動態(tài)仿真、信號處理等功能，涉及了數(shù)值分析、自動控制、信號處理、圖像處理等十幾個領(lǐng)域的計算和圖形顯示，功能強大。因此，將MATLAB引入教學(xué)，強化應(yīng)用能力培養(yǎng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課程時，增加工程應(yīng)用背景，在打好專業(yè)基礎(chǔ)的同時，提高學(xué)生的應(yīng)用、創(chuàng)新意識。課程設(shè)置總學(xué)時32學(xué)時，由理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩部分組成。二、課程教學(xué)的目標(biāo)及與畢業(yè)要求的關(guān)系 （一）課程目標(biāo)課程總目標(biāo)：通過本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生利用MATLAB軟件處理問題的思維方式和程序設(shè)計的基本方法，啟發(fā)學(xué)生主動將MATLAB引入到其它基礎(chǔ)課和專業(yè)課。課程目標(biāo)1：學(xué)習(xí)和掌握如何利用MATLAB對所學(xué)理論、原理和方法進行計算機仿真，通過仿真，加深對所學(xué)知識的理解和掌握，解決學(xué)習(xí)相關(guān)課程中遇到的抽象問題，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。課程目標(biāo)2：通過工程軟件在新能源科學(xué)與工程專業(yè)基礎(chǔ)課程的應(yīng)用，提高學(xué)生動手能力、分析問題與解決問題的能力，到達對學(xué)生的工程意識培養(yǎng)的目的。（二）課程目標(biāo)與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系本課程目標(biāo)支持的主要畢業(yè)要求如下表：課程目標(biāo)畢業(yè)要求1．學(xué)習(xí)和掌握如何利用MATLAB對所學(xué)理論、原理和方法進行計算機仿真，通過仿真，加深對所學(xué)知識的理解和掌握，解決學(xué)習(xí)相關(guān)課程中遇到的抽象問題，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)畢業(yè)要求1：工程知識，能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決新能源勘查、開發(fā)與綜合利用中的工程問題，具備工程科學(xué)思維和工程管理意識。畢業(yè)要求2：問題分析，能夠應(yīng)用新能源科學(xué)與工程理論與技術(shù)，并結(jié)合數(shù)學(xué)、自然科學(xué)等基本原理，通過理論分析和文獻研究，對新能源勘查、開發(fā)、利用過程中遇到的問題進行綜合分析。具備獨立思考、善于發(fā)現(xiàn)和提出問題并獨立分析工程問題的能力，掌握基本的分析問題和總結(jié)歸納的方法。2．通過工程軟件在新能源科學(xué)與工程專業(yè)基礎(chǔ)課程的應(yīng)用，提高學(xué)生動手能力、分析問題與解決問題的能力，到達對學(xué)生的工程意識培養(yǎng)的目的畢業(yè)要求4：研究，能夠基于科學(xué)原理與方法，結(jié)合具體生產(chǎn)實踐，分析、解決新能源勘查和開發(fā)利用中的技術(shù)問題。能夠正確認(rèn)識行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，具備文獻信息提煉、歸納能力。能夠提出工程問題的關(guān)鍵理論問題和技術(shù)難題，善于利用文獻資料及團隊技能開展初步科學(xué)研究與技術(shù)攻關(guān)。畢業(yè)要求5：使用現(xiàn)代工具能夠針對新能源勘查、開發(fā)及綜合利用中的問題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，并掌握文獻檢索、資料查詢及運用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本方法。三、課程教學(xué)的基本內(nèi)容及教學(xué)安排（一）課程教學(xué)的內(nèi)容及學(xué)時安排知識單元知識點學(xué)時數(shù)課程目標(biāo)線下授課線上授課實驗/實踐1.MATLAB系統(tǒng)環(huán)境知識點1.1：MATLAB概貌；知識點1.2：MATLAB系統(tǒng)環(huán)境的準(zhǔn)備；知識點1.3：MATLAB操作界面；知識點1.4：MATLAB基本操作；1課程目標(biāo)12.MATLAB數(shù)據(jù)及其運算知識點2.1：MATLAB數(shù)值數(shù)據(jù)；知識點2.2：MATLAB矩陣的表示；知識點2.3：變量及其操作；知識點2.4：MATLAB常用內(nèi)部函數(shù)；知識點2.5：MATLAB運算；知識點2.6：字符串；知識點2.7：結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和單元數(shù)據(jù)；31課程目標(biāo)13.MATLAB矩陣分析與處理知識點3.1：特殊矩陣；知識點3.2：矩陣變換；知識點3.3：矩陣求值；知識點3.4：矩陣的特征值與特征向量；知識點3.5：稀疏矩陣；21課程目標(biāo)14.MATLAB程序設(shè)計知識點4.1：M文件；知識點4.2：程序控制結(jié)構(gòu)；知識點4.3：函數(shù)文件；知識點4.4：特殊形式的函數(shù)；知識點4.5：程序調(diào)試與優(yōu)化；32課程目標(biāo)15.MATLAB繪圖知識點5.1：二維圖形；知識點5.2：其他形式的二維圖形；知識點5.3：三維圖形；知識點5.4：隱函數(shù)繪圖；知識點5.5：圖形修飾處理；知識點5.6：圖像處理與動畫制作；知識點5.7：交互式繪圖工具；32課程目標(biāo)16.MATLAB數(shù)值計算知識點6.1：MATLAB數(shù)據(jù)分析與多項式計算；知識點6.2：MATLAB數(shù)值微分與積分；知識點6.3：MATLAB方程求解；21課程目標(biāo)17.MATLAB符號運算知識點7.1：符號計算基礎(chǔ)；知識點7.2：符號微積分；知識點7.3：級數(shù)；知識點7.4：符號方程求解；21課程目標(biāo)18.MATLAB圖形用戶界面設(shè)計知識點8.1：對話框設(shè)計；知識點8.2：菜單設(shè)計；知識點8.3：可視化圖形用戶界面設(shè)計；22課程目標(biāo)29.MATLABSimulink仿真軟件知識點9.1：Simulink操作基礎(chǔ)；知識點9.2：系統(tǒng)仿真模型的建立；知識點9.3：系統(tǒng)的仿真與分析；知識點9.4：子系統(tǒng)及其封裝；知識點9.5：S函數(shù)的設(shè)計與應(yīng)用；22課程目標(biāo)2合計2012（二）課堂實驗/實踐教學(xué)內(nèi)容及要求序號項目名稱內(nèi)容、要求學(xué)時實驗/實踐類別實驗/實踐類型每組人數(shù)必做/選做課程目標(biāo)1MATLAB基礎(chǔ)操作熟悉界面、矩陣表示、數(shù)組運算等基本操作；2上機驗證1必做課程目標(biāo)12MATLAB程序設(shè)計掌握程序設(shè)計中的變量與語句、程序控制語句；2上機驗證1必做課程目標(biāo)13MATLAB圖形處理學(xué)會畫二、三維圖形；2上機驗證1必做課程目標(biāo)14MATLAB數(shù)值計算及符號計算掌握多項式數(shù)值計算以及符號函數(shù)的創(chuàng)立和符號計算；2上機驗證1必做課程目標(biāo)15圖形用戶界面設(shè)計根據(jù)具體要求能沒計出圖形用戶界面；2上機驗證1必做課程目標(biāo)26Simulink仿真學(xué)會基本的動態(tài)仿真；2上機驗證1必做課程目標(biāo)2基本要求1．實驗采用教師課堂演示、學(xué)生上機驗證的實驗方式；2．上機實驗前，學(xué)生應(yīng)認(rèn)真預(yù)習(xí)有關(guān)的實驗內(nèi)容；3．學(xué)生完成實驗后須撰寫實驗報告；注：實驗/實踐類別：專業(yè)、上機等實驗/實踐類型：操作型、驗證型、演示型、綜合型等。四、本課程與其他課程的聯(lián)系本課程的預(yù)修課程為大學(xué)計算機、C語言、線性代數(shù)，它為學(xué)生提供學(xué)習(xí)本課程所必須具備的計算機操作、編程能力和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)等方面的理論知識。本課程通過對MATLAB的算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算等的學(xué)習(xí)，掌握應(yīng)用MATLAB進行科學(xué)運算的能力和進行簡單程序設(shè)計的技能，了解MATLAB在Simulink仿真環(huán)境中的應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)本課程，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)、各種實用程序的開發(fā)、畢業(yè)設(shè)計的實施以及將來走上工作崗位的實際應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。五、教材與其他教學(xué)資源（含教學(xué)參考書或在線資源）（一）建議教材[1]劉衛(wèi)國.MATLAB程序設(shè)計與應(yīng)用（第3版）[M].高等教育出版社,2017.(普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，教育部大學(xué)計算機課程改革項目規(guī)劃教材，湖南省普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材)[2]劉衛(wèi)國.輕松學(xué)MATLAB2021從入門到實戰(zhàn)（案例·視頻·彩色版）[M].中國水利水電出版社,2021.（二）其他教學(xué)資源[1]劉保柱.MATLAB7.0從入門到精通（修訂版）[M].人民郵電出版社,2010.[2]唐向宏.MATLAB及在電子信息類課程中的應(yīng)用（第2版）[M].電子工業(yè)出版社,2011.[3]張德豐.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2012.六、教學(xué)方法與學(xué)習(xí)建議授課方式：教學(xué)過程中采用多媒體課件的形式進行互動式教學(xué)，充分調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性，使課堂成為積極互動的、高質(zhì)高效的課堂。注重實用性。鼓勵學(xué)生通過閱讀參考文獻、撰寫課程論文、開展課堂討論來與專業(yè)課相聯(lián)系，注重理論知識的專業(yè)應(yīng)用。通過課后布置適量思考題、練習(xí)題，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，使學(xué)生深入理解基本原理和概念，提高分析和解決問題的能力。實習(xí)操作采用網(wǎng)絡(luò)和計算機輔助教學(xué)等現(xiàn)代教育技術(shù)在專業(yè)實驗室機房進行；公布所有教學(xué)與實習(xí)資源，根據(jù)課程體系結(jié)構(gòu)和實習(xí)大綱組織學(xué)生動手操作。重點：掌握矩陣線性運算、數(shù)組的算術(shù)運算、MATLAB數(shù)據(jù)類型、程序控制語句、二維曲線和三維曲線的繪制、線性方程和方程組求解、多項式數(shù)值計算、數(shù)據(jù)分段插值和曲線擬合、符號矩陣和函數(shù)的建立、方程和方程組的符號求解、圖形用戶界面設(shè)計工具的使用、對話框的使用、句柄在調(diào)用函數(shù)中的使用、Simulink模塊的操作、自定義功能模塊、仿真參數(shù)的設(shè)定。難點：包括矩陣線性運算、數(shù)據(jù)分段插值和曲線擬合、圖形用戶界面設(shè)計工具的使用、對話框的使用，Simulink模塊的操作、自定義功能模塊、仿真參數(shù)的設(shè)定。后續(xù)自主學(xué)習(xí)建議：利用MATLAB程序設(shè)計方法編寫簡單程序，解決專業(yè)領(lǐng)域遇到的問題，啟發(fā)學(xué)生主動將MATLAB引入到其它基礎(chǔ)課和專業(yè)課。七、課程考核及成績評定方式（一）課程考核本課程成績評定包括平時考核（平時到課率統(tǒng)計）、過程考核（隨堂問答、課堂測驗、課后作業(yè)、實驗報告）和終結(jié)性評價（期末考試）三部分，其中平時成績占課程總成績的10％，過程成績占課程總成績的30％，終結(jié)性評價成績占課程總成績的60％。具體要求及評分方法如下：平時成績：出勤成績采用扣分制，每缺勤一次扣平時成績1分，每遲到或早退一次扣平時成績0.5分，無故曠課4次以上者取消本次課程成績，占總成績的10%。過程成績：課堂測驗、課后作業(yè)、實驗報告要求學(xué)生必須獨立完成，未按時提交作業(yè)、實驗報告或作業(yè)、實驗報告有抄襲（雷同）現(xiàn)象的，該次作業(yè)、實驗報告成績按零分計，占總成績的30%。終結(jié)性評價：形式為閉卷考試，其成績占總成績的60%。（二）課程目標(biāo)與考核內(nèi)容的關(guān)系課程具體目標(biāo)與知識單元和考試內(nèi)容的關(guān)系如下：課程目標(biāo)知識單元考試內(nèi)容1．學(xué)習(xí)和掌握如何利用MATLAB對所學(xué)理論、原理和方法進行計算機仿真，通過仿真，加深對所學(xué)知識的理解和掌握，解決學(xué)習(xí)相關(guān)課程中遇到的抽象問題，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)1.MATLAB系統(tǒng)環(huán)境；2.MATLAB數(shù)據(jù)及其運算；3.MATLAB矩陣分析與處理；4.MATLAB程序設(shè)計；5.MATLAB繪圖；6.MATLAB數(shù)值計算；7.MATLAB符號運算；矩陣線性運算；創(chuàng)立數(shù)組、數(shù)組的算術(shù)運算；矩陣線性運算：矩陣的特征值、矩陣的正交基、矩陣的二次型和秩；創(chuàng)立數(shù)組、數(shù)組的算術(shù)運算；MATLAB數(shù)據(jù)類型、程序控制