卡耐基梅隆大学教授使用在线MATLAB教程来教授生物医学工程的计算方法

解决方案

采用翻转课堂策略，学生在课前完成MATLAB在线教程，学习MATLAB的基础知识

结果

翻转课堂启用
积极参与了
编程效率增加

“在翻转课堂教学中，你不能指望学生在没有合适的辅导材料的情况下自己学习，并做好上课准备。交互式的MATLAB教程对于吸引学生并让他们快速上手来说是完美的。”
王玉立博士，重庆大学

利用K-means聚类方法来识别正常和恶性乳腺组织样本的电阻抗测量中的聚类。散点图显示了这些主成分对之间的关系，用不同的颜色描绘了不同簇的分布。

对于那些相对缺乏编程经验的学生来说，一门关于计算或数值方法的研究生课程可能会让人望而生畏。为了让这些学生参与进来，并使他们在一个学期内达到工程任务的功能水平，教师必须根据学生的具体工程兴趣提供有意义的练习，同时确保学生快速进步，而不会被低层次的编码细节所淹没。

卡耐基梅隆大学生物医学工程教授王玉立博士通过将翻转课堂策略与MATLAB相结合来应对这一挑战^®基于作业。学生在上课前完成交互式MATLAB教程。在课堂上，他们将在教程中获得的基本技能应用到更高级的问题或与生物医学工程相关的问题上。王博士发现，这种方法提高了学生的参与度，并帮助学生为他们将作为执业专业人士解决的工程问题做好准备。

“用传统的、基于教科书的方法来教授数值方法可能枯燥乏味，对学生来说也不是特别有趣，所以在我的课程中，我们直接用MATLAB来做这些任务，”王博士说。“在课程结束时，学生们比在更传统的数值方法课程中培训的学生更有可能成为高效的工程师。”

挑战

王博士的新课程，计算生物医学工程基础，CMU的第一门研究生生物医学工程课程是否完全基于MATLAB和Simulink万博1manbetx^®。王博士早期的一次课堂调查显示，尽管他们的编程背景有限，但大多数学生都希望成为MATLAB的“高级用户”，并将其用于生物医学工程课程和未来的工作。

虽然他有数十年的其他语言编程经验，从汇编语言到c++，但他不是MATLAB专家。为了准备每节课，他需要提高自己的熟练程度，并确定学生将使用的资源。

解决方案

王使用MathWorks在线培训课程学习MATLAB，并将翻转课堂方法应用到新的计算方法课程中。在给学生分配辅导课之前，王博士会自己完成，因为他既要掌握进度，又要确定学生可能需要帮助的地方。

王发现，他可以让学生在课前完成他指定的辅导课，从而将课堂上教授基本语法的时间减到最少。在课堂上，他简要回顾了教程中介绍的主要概念，然后向学生展示如何在生物医学工程环境中应用这些概念。例如，在他们的第一项作业中，学生们使用MATLAB分析病人数据，以发现血压、胆固醇和整体健康之间的相关性。在一节图像分析课上，学生们从MATLAB Central上下载的文件交换算法开始，该算法对一幅米粒照片进行图像分割，并将其修改为计算和测量细胞核。

通过采用类似的教学方法，王博士在完成教程后扩展了几个重要的主题领域。例如，对于线性代数，Wang博士引入了额外的解决问题的材料，以涵盖特征向量、奇异值分解和主成分分析的应用。学生们使用MATLAB教程建立的基础使他们更容易掌握抽象和复杂的概念。

当王博士研究常微分方程(ode)时，他要求学生们完成用MATLAB求解ode的教程。然后，要求学生使用symbol Math Toolbox™和Simulink图形化地解决相同的ode。万博1manbetx

本课程以MATLAB机器学习教程结束。然后，许多学生选择使用传统的机器学习或基于神经网络的深度学习来完成他们选择的主题的期末项目。主题包括肺部x线影像的分类、侦测痴呆症的脑电图记录、侦测心律失常的心电图记录，以及自动血球计数的白血球影像。许多项目涉及到比较分类方法，从简单的回归到深度学习。

在未来的学期中，王博士计划将更多的时间分配给机器学习和深度学习，以回应学生的反馈，以及学生在期末项目中广泛使用的分类器。

结果

翻转课堂启用。“在我教授计算方法的能力上，MATLAB教程让我日夜有所不同，我使用翻转课堂来最大化结果，”王博士说。“例如，如果我用Python来教这门课，我可能不得不从课堂上抽出时间来教授基础知识，或者花自己的时间来创建类似的教程。”
积极参与了。“MATLAB基础取代了一系列枯燥和耗时的课程，”王博士说。“随着他们技能的提高，学生们变得更加活跃和投入，他们对我给他们的挑战给出了更好、更有趣的答案。”
编程效率增加。“MATLAB是一个非常有效的工程工具，它使学生和像我这样的专业实践人员能够轻松快速地解决问题，”王博士说。“如果我使用C或c++来构建类似问题的原型，即使我有一个很好的库，也会比使用MATLAB花费更多的时间和精力来查看结果。”