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摘 要：为利用电脑软件的计算和图形功能，参与教学环节理论验证和数据分析，根据实际教学经验，探讨规划选择计算机软件工具选择与利用的基本原则，并通过实例说明计算机软件与课堂教学内容之间良好结合应当注意的问题。
关键词：工科理论教学 结合 验证 MATLAB
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（a）-0-02
工具软件此处特指采用计算机等现代工具，为工程或者其他研究目的，利用前人所编写的诸多成型或者半成型程序，完成直接在程序基础上的计算或者进行源程序基础之上的二次开发，实现比较复杂的重复繁琐计算过程工程应用类工具软件[1-2]。
实际经验证明，很多工科教学内容经合理安排，使用计算机或自编程序，能效率更高地完成理论验证，同时，很多无法很好传达的抽象概念，通过实际算例的验证变得易于理解。工科教学面向工程实际的本质使得高校专业课理论体系与工具软件的开发初衷具有天然亲和性。但市面上辅助解决实际工程问题的工具软件较多，因此，需要探讨计算机工具与工科专业课程教学过程结合的应对策略，以及建立针对不同教学特点如何进行工具软件合理选择的总体原则。
1 可行性与策略研究
目前工科高校课堂使用各种自编和商用计算软件辅助教学实现理论的验证、分析、实验数据处理、结果图形化表述等。很多高校从自身理论教学实践过程出发，不断地探索形成良性反馈过程，取得了出色的效果与经验总结[3-4]。但工具软件毕竟是一种新兴的教学手段，受计算机普及和硬件瓶颈所限，近十几年才逐步进入普通工程师的个人电脑，专业教学中应用的时间则更短。但软件对于专业教学的辅助作用已经引起工科高校教师的重视，教学中根据课程基本特点寻找合适工具，并配套编写具备教学演示特点的程序，逐步形成典型案例，在工科专业课程中尤其值得关注。从工科应用角度来讲，想在课堂教学过程中，既能够利用软件工具带来的强力结论验证能力，又想不失理论教学讲述的本色，应服从如下几个原则：选择对本课程而言合适的工具软件、自顶而下安排调整专业和课程教学大纲并确定工具软件所参与的角色、合理设计课堂理论教学结论验证案例。
1.1 选择合适于教学的工具软件
如何选择以及选择何种工具软件并无统一答案，往往因课程特色而异、因教师教学风格偏好而异、因学生计算机整体实际操作水平而异，同时，如果对某一种工具理解足够透彻，软件间的差异性将不复存在。但在实际工科教学过程中，尤其是非计算机专业和不是以软件开发作为主要目标的课程教学，“用最对症的工具最快地解决问题”依旧是课堂教学中值得提倡的做法，在此前提下，选择软件工具有三个基本原则可依循：
1）尽量选择与专业内容接轨的工具软件
对非计算机专业的理论教学（非软件开发），作为辅助工具的工具软件，在课程或专业领域内应具备通用基础模块，不要让每个实际教学问题的描述和结论验证都需要自底层开始重头编写，这些通用模块同时利于学生快速理解所验证的教学理论，并在此基础之上实现不同组合，对相似问题能举一反三，完成从“他励”到“自激”的跃迁。
2）尽量选择过程清楚明了的工具软件
在易用性、较强的二次开发能力、数据图形交互能力几个方面寻找平衡点。课堂上，使用软件的主要目的不是图省事实现结果，而是服务于教学大纲，对基本理论概念的表达、验证和描述产生辅助效果，因此要具有一些必要的接口，能和电子教案、幻灯等多媒体手段之间形成良好的互补、协调促进关系。
3）尽量选择容易学习和普及面广的工具软件
教学背景下，应注意专业问题并非只靠专业软件完成，工具本身的通用性和便于操作更加重要。学生快速掌握使用软件的方法，注意力才能集中在知识学习，而非放在代码编写上。例如工程计算和简单的二维图形展示，通过办公软件如：Office、金山spreadsheet就可完成，合适的软件，很多时候并不曲高和寡。例如：水力学课程中，环状管路的水力计算一直是教学难点，虽然计算思想并不复杂，只需整个环状管路n个节点（管路汇交点）处流量和均为零，即：
由于分支节点流量数值需进行叠加和方向判断，需要给出初值并迭代[5]。这种小规模计算问题普遍出现在很多工科专业课程的教学过程中，特点是只需计算结果而不要求代码过程，执行效率忽略不计。
1.2 自顶而下安排调整专业和课程教学大纲
实际教学和工程实践中所遇各种问题，其数学、力学解决手段具有高度趋同性和一致性，导致工具软件更加集成化、模块化、工具箱化，基础模块不断增多，往往一个软件覆盖多门课程的学习。工具软件的学习代价和教学项目预期之间能够相辅相成还是相互矛盾，关键取决于从什么层次看待软件在教学过程中的地位，一些通用或者公认对于课堂教学具有正面作用的工具，应从专业课程开始很久之前就及时普及，这不仅要求从本课程的大纲，而且要从本专业的大纲开始，自顶而下地完成课学时合理分配安排的布局。
1.3 合理设计课堂教学案例
课堂教学核心目标是向学生传达课程相关基础理论知识，工具软件是通过更加强大的计算与数据图形处理手段强化完成这一目标的能力[6]。如果过分依赖工具计算结果却忽视对计算结果的定量分析，或者不恰当地夸大工具软件的作用等，都可能使原有教学内容主次不分，更重要的是计算结果也变得毫无说服力。取材合理、带有计算过程和结果分析的课堂教学案例，能令原本枯燥抽象的理论知识生动地展开；相反，繁琐冗长、刻意炫耀软件自身能力的实例，则喧宾夺主，把简单问题弄得复杂混乱。忌讳过多利用工具导致主次不分；结果产生过程繁琐，受众对知识的新奇感和注意力集中程度随等待时间延长急剧下降，基本理论也同时在暂态记忆区内迅速淡忘。所以需要精心准备和设计课堂案例，保持课堂教学重心始终在教材或工程实例内容的分析和展开上。例如：控制工程基础中讲述二阶系统时，在一张图中绘制欠阻尼二阶系统受阻尼比影响下的单位阶跃响应曲线族（图1），课堂现场编程费时费力，可事先编好程序直接运行或者给出运行图形[7]。学生注意力较容易集中在分析问题，而不是人为增加关于“软件如何运行”、“代码如何编写”等各种与当堂理论教学内容并无直接关联的枝节。
2 结语
引入工具软件辅助是今后工科基础和专业课堂教学中的趋势，计算、数据处理和图形表现能力出色的软件工具，使得课堂教学出现革命性变化，它使得原来难以验证或者无法实现验证的结果，在短时间内实现多组结果计算，利于分析比较，把原来抽象枯燥的理论用实际案例形象地表达。另一方面，很多软件的开发初衷就是起始于课堂教学，这些工作从一定程度上反向促进课堂教学的方式、手段和内容向更深层次实现变革。对课堂中如何更合理地使用工具软件来达到更加理想的教学效果，成为高校工科课程教学中受到师生普遍关注的问题。
教学过程和工具软件形成深层次的良态结合模式，在使用工具软件介入基础理论的教学过程，应当注意使用适合教学、易用易学的工具软件；在教学内容开展之前对工具软件进行恰当地铺垫；对工具软件的学习代价和执行代价进行预判。
教学中，应当谨慎地使用电算工具，使之不至于喧宾夺主，把内容的验证放在课外，由学生自主进行验证，以便更多地发挥学生本身的创造力和学习主动性；理论教学课堂不应过多纠缠于工具本身的使用，应当从工学教学大纲的整体布局调整中自然完成工具使用的过渡。
参考文献
[1] 陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用指南[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2004.
[2] 王跃，邵兰霞.计算机辅助教学的设计理论和方法[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2005（5）：105-106.
[3] 薛定宇，陈阳泉.高等应用数学问题的MATLAB求解[M].北京：清华大学出版社，2005.
[4] 潘晶.专业软件教学与实践应用的关系研究[J].呼伦贝尔学院学报，2005（4）：67-68.
[5] 龙北生，许玉望.水力学[M].北京：中国建筑出版社，2007.
[6] 丁革建，师书恩.软件教学的模式研究[J].中国电化教育，2001（3）.
[7] 胡壽松.自动控制原理[M].5版.北京：科学出版社，2009.
关键词：工科理论教学 结合 验证 MATLAB
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（a）-0-02
工具软件此处特指采用计算机等现代工具，为工程或者其他研究目的，利用前人所编写的诸多成型或者半成型程序，完成直接在程序基础上的计算或者进行源程序基础之上的二次开发，实现比较复杂的重复繁琐计算过程工程应用类工具软件[1-2]。
实际经验证明，很多工科教学内容经合理安排，使用计算机或自编程序，能效率更高地完成理论验证，同时，很多无法很好传达的抽象概念，通过实际算例的验证变得易于理解。工科教学面向工程实际的本质使得高校专业课理论体系与工具软件的开发初衷具有天然亲和性。但市面上辅助解决实际工程问题的工具软件较多，因此，需要探讨计算机工具与工科专业课程教学过程结合的应对策略，以及建立针对不同教学特点如何进行工具软件合理选择的总体原则。
1 可行性与策略研究
目前工科高校课堂使用各种自编和商用计算软件辅助教学实现理论的验证、分析、实验数据处理、结果图形化表述等。很多高校从自身理论教学实践过程出发，不断地探索形成良性反馈过程，取得了出色的效果与经验总结[3-4]。但工具软件毕竟是一种新兴的教学手段，受计算机普及和硬件瓶颈所限，近十几年才逐步进入普通工程师的个人电脑，专业教学中应用的时间则更短。但软件对于专业教学的辅助作用已经引起工科高校教师的重视，教学中根据课程基本特点寻找合适工具，并配套编写具备教学演示特点的程序，逐步形成典型案例，在工科专业课程中尤其值得关注。从工科应用角度来讲，想在课堂教学过程中，既能够利用软件工具带来的强力结论验证能力，又想不失理论教学讲述的本色，应服从如下几个原则：选择对本课程而言合适的工具软件、自顶而下安排调整专业和课程教学大纲并确定工具软件所参与的角色、合理设计课堂理论教学结论验证案例。
1.1 选择合适于教学的工具软件
如何选择以及选择何种工具软件并无统一答案，往往因课程特色而异、因教师教学风格偏好而异、因学生计算机整体实际操作水平而异，同时，如果对某一种工具理解足够透彻，软件间的差异性将不复存在。但在实际工科教学过程中，尤其是非计算机专业和不是以软件开发作为主要目标的课程教学，“用最对症的工具最快地解决问题”依旧是课堂教学中值得提倡的做法，在此前提下，选择软件工具有三个基本原则可依循：
1）尽量选择与专业内容接轨的工具软件
对非计算机专业的理论教学（非软件开发），作为辅助工具的工具软件，在课程或专业领域内应具备通用基础模块，不要让每个实际教学问题的描述和结论验证都需要自底层开始重头编写，这些通用模块同时利于学生快速理解所验证的教学理论，并在此基础之上实现不同组合，对相似问题能举一反三，完成从“他励”到“自激”的跃迁。
2）尽量选择过程清楚明了的工具软件
在易用性、较强的二次开发能力、数据图形交互能力几个方面寻找平衡点。课堂上，使用软件的主要目的不是图省事实现结果，而是服务于教学大纲，对基本理论概念的表达、验证和描述产生辅助效果，因此要具有一些必要的接口，能和电子教案、幻灯等多媒体手段之间形成良好的互补、协调促进关系。
3）尽量选择容易学习和普及面广的工具软件
教学背景下，应注意专业问题并非只靠专业软件完成，工具本身的通用性和便于操作更加重要。学生快速掌握使用软件的方法，注意力才能集中在知识学习，而非放在代码编写上。例如工程计算和简单的二维图形展示，通过办公软件如：Office、金山spreadsheet就可完成，合适的软件，很多时候并不曲高和寡。例如：水力学课程中，环状管路的水力计算一直是教学难点，虽然计算思想并不复杂，只需整个环状管路n个节点（管路汇交点）处流量和均为零，即：
由于分支节点流量数值需进行叠加和方向判断，需要给出初值并迭代[5]。这种小规模计算问题普遍出现在很多工科专业课程的教学过程中，特点是只需计算结果而不要求代码过程，执行效率忽略不计。
1.2 自顶而下安排调整专业和课程教学大纲
实际教学和工程实践中所遇各种问题，其数学、力学解决手段具有高度趋同性和一致性，导致工具软件更加集成化、模块化、工具箱化，基础模块不断增多，往往一个软件覆盖多门课程的学习。工具软件的学习代价和教学项目预期之间能够相辅相成还是相互矛盾，关键取决于从什么层次看待软件在教学过程中的地位，一些通用或者公认对于课堂教学具有正面作用的工具，应从专业课程开始很久之前就及时普及，这不仅要求从本课程的大纲，而且要从本专业的大纲开始，自顶而下地完成课学时合理分配安排的布局。
1.3 合理设计课堂教学案例
课堂教学核心目标是向学生传达课程相关基础理论知识，工具软件是通过更加强大的计算与数据图形处理手段强化完成这一目标的能力[6]。如果过分依赖工具计算结果却忽视对计算结果的定量分析，或者不恰当地夸大工具软件的作用等，都可能使原有教学内容主次不分，更重要的是计算结果也变得毫无说服力。取材合理、带有计算过程和结果分析的课堂教学案例，能令原本枯燥抽象的理论知识生动地展开；相反，繁琐冗长、刻意炫耀软件自身能力的实例，则喧宾夺主，把简单问题弄得复杂混乱。忌讳过多利用工具导致主次不分；结果产生过程繁琐，受众对知识的新奇感和注意力集中程度随等待时间延长急剧下降，基本理论也同时在暂态记忆区内迅速淡忘。所以需要精心准备和设计课堂案例，保持课堂教学重心始终在教材或工程实例内容的分析和展开上。例如：控制工程基础中讲述二阶系统时，在一张图中绘制欠阻尼二阶系统受阻尼比影响下的单位阶跃响应曲线族（图1），课堂现场编程费时费力，可事先编好程序直接运行或者给出运行图形[7]。学生注意力较容易集中在分析问题，而不是人为增加关于“软件如何运行”、“代码如何编写”等各种与当堂理论教学内容并无直接关联的枝节。
2 结语
引入工具软件辅助是今后工科基础和专业课堂教学中的趋势，计算、数据处理和图形表现能力出色的软件工具，使得课堂教学出现革命性变化，它使得原来难以验证或者无法实现验证的结果，在短时间内实现多组结果计算，利于分析比较，把原来抽象枯燥的理论用实际案例形象地表达。另一方面，很多软件的开发初衷就是起始于课堂教学，这些工作从一定程度上反向促进课堂教学的方式、手段和内容向更深层次实现变革。对课堂中如何更合理地使用工具软件来达到更加理想的教学效果，成为高校工科课程教学中受到师生普遍关注的问题。
教学过程和工具软件形成深层次的良态结合模式，在使用工具软件介入基础理论的教学过程，应当注意使用适合教学、易用易学的工具软件；在教学内容开展之前对工具软件进行恰当地铺垫；对工具软件的学习代价和执行代价进行预判。
教学中，应当谨慎地使用电算工具，使之不至于喧宾夺主，把内容的验证放在课外，由学生自主进行验证，以便更多地发挥学生本身的创造力和学习主动性；理论教学课堂不应过多纠缠于工具本身的使用，应当从工学教学大纲的整体布局调整中自然完成工具使用的过渡。
参考文献
[1] 陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用指南[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2004.
[2] 王跃，邵兰霞.计算机辅助教学的设计理论和方法[J].吉林师范大学学报（自然科学版），2005（5）：105-106.
[3] 薛定宇，陈阳泉.高等应用数学问题的MATLAB求解[M].北京：清华大学出版社，2005.
[4] 潘晶.专业软件教学与实践应用的关系研究[J].呼伦贝尔学院学报，2005（4）：67-68.
[5] 龙北生，许玉望.水力学[M].北京：中国建筑出版社，2007.
[6] 丁革建，师书恩.软件教学的模式研究[J].中国电化教育，2001（3）.
[7] 胡壽松.自动控制原理[M].5版.北京：科学出版社，2009.