查尔姆斯理工大学将MATLAB融入到核心数学课程中

挑战

教授数学和数学建模的学生跨越多个学科和两所大学,并准备他们满足行业的需求

解决方案

在核心数学课程中整合MATLAB,并提供实际问题解决的跨学科练习

结果

  • 跨部门合作改进
  • 学生们学习行业所需的技能
  • 学生自认为是专家使用者

“我们训练学生使用MATLAB作为一种互动工具,不仅用于完成指定的练习,而且用于研究数学问题并从中获得乐趣。”我们正在加大对跨学科项目的关注,MATLAB是将数学与其他学科融合的完美工具。”

查尔姆斯理工大学汤米·古斯塔夫松博士
瑞典哥德堡查尔姆斯大学。

查尔姆斯理工大学和哥德堡大学共享一个数学科学系,为两所大学的学生提供课程。该系的本科课程包括一套核心课程,为学生在工程,科学和数学项目。通过这些课程,每年有近1000名学生学习如何使用MATLAB®解决与其研究领域相关的问题。教师采用这种方法,让学生学习基本的数学概念,并为他们准备更高层次的课程和职业,需要在数学建模的技能。

“MATLAB是贯穿我们所有核心数学课程的共同主线,”Chalmers数学研究主任汤米·古斯塔夫松博士(Dr. Tommy Gustafsson)说。“MATLAB作为数学和其他学科(如化学或建筑学)之间的桥梁,帮助学生与课程材料建立联系,并理解如何将其应用于工业。”

挑战

在过去,早期数学课程的学生被给予相对简单的课堂教学概念的作业。系里的教职工很快就认识到这种方法的两个缺点。首先,这些问题的难度不足以吸引学生。其次,它们是抽象的,与实际工程或科学挑战没有直接关系。古斯塔夫松说:“我们不是像我所说的学校问题,而是想向学生们提出真正的问题,帮助他们理解并应用所学到的知识。”“瑞典的许多行业都需要懂数学建模的人,我们希望我们的学生能够满足这一需求。”

该系还希望向查尔默斯和哥德堡大学的学生提供方便的工具,使他们能够在跨学科课程中完成作业和项目。

解决方案

数学科学系的教师将MATLAB集成到核心课程和高级课程中,两所大学都获得了校园许可,使学生可以在任何一个校园使用MATLAB。

教师为化学和生物工程专业的学生以及建筑和技术专业的学生量身定做了第一年和第二年的课程。

化学和生物工程的学生首先会学习MATLAB,包括内置函数和绘图。然后,他们在MATLAB中学习基本的编程结构,并完成一项任务,他们在其中编写康威的《生活游戏》。本课程的最后两项作业是探讨二分法、线性化和牛顿法。

第二门课程包括积分和常微分方程在MATLAB中的应用。利用MATLAB对反应动力学和NO氧化过程进行建模2

在第三和第四门课程中,学生解线性微分方程组。学生在使用内置的MATLAB求解器之前先编写自己的求解器。利用MATLAB,学生们重现了化学教科书中的一个图表,该图表显示了在氢原子周围某一特定区域找到电子的概率。

建筑学和技术专业的一年级学生也从MATLAB入门开始,包括积分、微分方程和数值计算。他们用MATLAB完成了一元微积分和多元微积分的作业。

的学生形状、颜色和建筑工具课程探索建筑和工程中使用的几何图形。在后续的线性代数课程中,学生们完成了最后一个项目,他们使用MATLAB建模大英博物馆庭院的玻璃屋顶。

所有级别的学生(包括研究生)在整个学习过程中都会继续使用MATLAB进行课程作业、个人和团队项目以及学生工程竞赛。

结果

  • 跨部门合作改进。古斯塔夫松博士说:“MATLAB使数学科学系能够改善与其他系的合作,这有助于学生与他们正在学习的学科建立联系。”“化学专业的学生解决与化学过程相关的数学问题,建筑专业的学生将数学建模应用于桥梁、建筑和其他结构——所有这些都在MATLAB中实现。”

  • 学生们学习行业所需的技能。古斯塔夫松博士说:“我们在瑞典和欧洲的工业合作伙伴希望学生懂得如何在MATLAB中创建和使用数学模型。”“当我在汽车行业工作时,我们广泛使用MATLAB。我们的学生使用它的方式和他们学习解决实际问题的方式差不多。”

  • 学生自认为是专家使用者。来自查尔默斯和哥德堡大学(University of Gothenburg)的团队参与了一项调查,共有115个团队参加了“公式学生本科生工程竞赛”(Formula Student undergraduate engineering competition),只有4个团队认为自己是MATLAB的专家用户,这个团队就是其中之一。Gustafsson博士说:“我对这个结果并不感到惊讶,因为MATLAB已经深入到我们系的所有教学中。”

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