□天津理工大學 孫喆 尹曉紅 盧世榮 范文元 萬鈞 張立軍

MATLAB輔助化工原理教學的探討

□天津理工大學 孫喆 尹曉紅 盧世榮 范文元 萬鈞 張立軍

探討了MATLAB軟件在化工原理教學中的應(yīng)用價值，說明了采用MATLAB軟件的數(shù)值分析函數(shù)和腳本文件數(shù)值求解化工原理問題的意義，提出了用戶交互界面和Notebook在化工原理教學中的使用方法，并分析了MATLAB在化工原理課程設(shè)計中的輔助作用。

化工原理；MATLAB；數(shù)值分析；教學研究

一、引言

化工原理是當前各高?；瘜W工程、化學工藝、制藥工程、生物化工等工科專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程側(cè)重于化工生產(chǎn)中各類單元操作的關(guān)鍵概念、基本理論、典型設(shè)備結(jié)構(gòu)與調(diào)控技術(shù)和工藝設(shè)計計算等。[1-2]依據(jù)教學目標，化工原理課程涉及的各類單元操作的主要內(nèi)容都可以劃歸為三個層次。

一是單元操作基本概念與對應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)的介紹。這一層次的內(nèi)容著重于對設(shè)備單元的定性認識，主要涵蓋操作單元的范疇、操作單元在化工流程中的作用和操作單元設(shè)備結(jié)構(gòu)的基本特點。

二是單元操作的經(jīng)典理論與計算模型。每一種單元操作給出的計算模型不僅起到了加深對單元操作概念理解的作用，更為關(guān)鍵的是理論模型提供了優(yōu)化單元操作條件、設(shè)計單元操作設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸及工藝條件的理論依據(jù)。這部分內(nèi)容在化工原理課程中占據(jù)著核心地位。

三是單元操作工藝與設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過單元操作流程的工藝設(shè)計和設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計，使學生具備初步的過程設(shè)計能力，同時，深化單元操作的概念、熟悉單元操作模型的計算方法。

現(xiàn)階段，化工原理教學仍然延續(xù)著上世紀七八十年代的模式，教學內(nèi)容和手段已經(jīng)滯后于化學工程技術(shù)的發(fā)展，無法滿足社會對設(shè)計型化工技術(shù)人才的需求?；ぴ碚n程中提供的單元操作計算方法主要為解析方法，此類方法的優(yōu)勢在于數(shù)學模型和計算方法簡單，有利于學生加深單元操作概念和規(guī)律的認識。對不能解析計算的模型，目前化工原理課程給出的方法是示差法或者圖解法，而這兩種方法計算繁瑣、求解精度低，明顯落后于數(shù)值分析和計算機模擬技術(shù)的發(fā)展。而且，真實的單元操作流程的計算多數(shù)需要數(shù)值求解。但是，長期以來，工科高校的化學工程及相關(guān)本科專業(yè)多數(shù)不開設(shè)數(shù)值分析課程，化工數(shù)學課程也多安排在化工原理之后。所以，在化工原理課程的計算和設(shè)計環(huán)節(jié)全面應(yīng)用數(shù)值方法進行編程計算有一定困難。

許多化學工程專業(yè)教師已經(jīng)意識到采用數(shù)值分析軟件MATLAB能夠在一定程度上解決這一問題[3-5]。MATLAB軟件中帶有各種數(shù)值方法的優(yōu)質(zhì)工具箱、解算器和調(diào)用函數(shù)，學生只需調(diào)用已有函數(shù)就可以進行數(shù)值分析，不必編寫數(shù)值計算程序代碼。這樣，不但部分規(guī)避了學生缺乏數(shù)值分析理論知識的問題，而且能夠?qū)⒂嬎銠C輔助過程設(shè)計融入到化工原理教學之中[6-8]。

二、MATLAB在化工原理教學中的應(yīng)用形式

MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，這一軟件最早由美國新墨西哥大學計算機科學系主任Cleve Moler用FORTRAN編寫，后經(jīng)Little、Moler、Steve Bangert合作完善后由MathWorks公司推向市場。

Moler編寫MATLAB的初衷是為了減輕學生編寫數(shù)值計算程序的負擔，而事實上，MATLAB的開發(fā)為化學工程類本科生應(yīng)用數(shù)值方法解決單元操作的計算和設(shè)計問題提供了可能性?；ぴ碚n程涉及的數(shù)值計算問題在MATLAB軟件的數(shù)值分析程序庫中都能找到對應(yīng)的調(diào)用函數(shù)。學生只需對數(shù)值分析方法有基本的了解就可以進行高精度數(shù)值計算。例如，對精餾操作進行工藝計算時，必須的氣液相平衡曲線可以由氣液相平衡數(shù)據(jù)經(jīng)spline命令直接樣條插值獲得，學生不必去編寫樣條插值程序。又如，在計算吸收塔的傳質(zhì)單元數(shù)時，需要進行數(shù)值積分，學生只需了解化工原理教材中提供的Simpson求積方法就可以采用quad函數(shù)進行高精度自適應(yīng)性Simpson積分計算傳質(zhì)單元數(shù)。

MATLAB不僅擁有大量的數(shù)值分析函數(shù)，而且提供了可以編程的計算平臺，即腳本文件。MATLAB的語法類似于C語言，學生比較容易掌握。在進行湍流條件下管路計算時，學生不必使用示差法進行手工計算，直接通過腳本文件編程就可以對其求解。雖然編程中涉及的方程組迭代和收斂問題需要在課堂上補充相關(guān)知識，但是，化工原理課程中遇到的管路問題計算量普遍較小，必須補充的內(nèi)容只限于迭代原理、收斂標準、牛頓法和松弛法迭代技術(shù)，這樣，也不會擠占化工原理過多的學時。在精餾塔的流程設(shè)計中遇到的逐板計算求理論板層數(shù)的問題也可以通過腳本文件編程實現(xiàn)，這樣，學生在學習圖解法之后又可以掌握數(shù)值求解精餾塔板數(shù)的技術(shù)，為后續(xù)課程學習化工過程模擬打下了基礎(chǔ)。

MATLAB應(yīng)用于化工原理課程教學的另一優(yōu)勢是軟件提供的強大圖形界面功能。學生通過編制腳本文件，不僅能夠進行精餾塔的逐板計算，而且可以將計算結(jié)果繪制成圖形。較之Visual Basic和Visual C++復雜的繪圖命令，MATLAB提供的繪圖函數(shù)能夠很簡單地生成二維或三維圖形。這樣，學生能夠更直觀地加深對理論板的認識，并且提高了學習的趣味性。

采用MATLAB輔助化工原理課程的教學時，軟件提供的Word接口，即Notebook是很有實用價值的。Notebook本質(zhì)上是在Word界面下MATLAB的程序和圖形的運行環(huán)境。教師在每一章的教學過程中，都可以布置與MATLAB有關(guān)的習題。學生只需上交Word版本的作業(yè)，教師就可以將作業(yè)中的程序直接運行以評價其正確性。對學生而言，這樣的作業(yè)形式不會有枯燥感，學習興趣將會被激發(fā)。對教師來說，以Notebook形式完成的作業(yè)也可以降低作業(yè)批改的工作量。

用戶交互界面（GUI）是MATLAB強大功能的又一體現(xiàn)。這一系統(tǒng)可以幫助用戶方便地建立圖形界面?；ぴ斫虒W中可以利用UGI功能指導部分有能力的學生編制帶有圖形界面的簡單軟件。例如，目前教學中使用的濕空氣狀態(tài)都是通過查空氣H-I圖得到的，查得的數(shù)據(jù)精度較低。對此，教師可以指導部分學生利用用戶交互界面共同編制計算濕空氣狀態(tài)點的軟件，在圖形界面上實現(xiàn)輸入空氣狀態(tài)參數(shù)顯示空氣狀態(tài)點的位置和所有空氣狀態(tài)數(shù)據(jù)的功能。運用這種教學手段，可以使學生在編制程序的過程中深入領(lǐng)會濕空氣性質(zhì)的有關(guān)知識，同時在學習中培養(yǎng)團隊合作意識，對學生今后從事真正的設(shè)計工作很有幫助。

現(xiàn)階段化工原理課程設(shè)計中的流程計算仍然延續(xù)手工示差法，學生在設(shè)計過程中往往會感覺計算量大而枯燥，而且此方法已經(jīng)為現(xiàn)代流程設(shè)計方法所取代。由于化工原理課程設(shè)計主要被操作單元的物料和熱量衡算，數(shù)值計算的難度不大，因此，教師指導學生編制程序進行迭代計算可以完成設(shè)計規(guī)定的所有計算內(nèi)容?；ぴ碚n程設(shè)計中的操作流程一般為穩(wěn)態(tài)連續(xù)過程，需要的數(shù)值計算方法只有插值、迭代、曲線擬合和數(shù)值積分幾種，學生相對容易學習掌握，不必占用過多課時。采用MATLAB輔助化工原理課程設(shè)計，不僅提高了設(shè)計精度，而且使用的方法也在向現(xiàn)代過程模擬靠攏，可以為學生今后系統(tǒng)學習流程設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

三、應(yīng)用MATLAB輔助教學的問題

將MATLAB應(yīng)用于化工原理教學時，教師要確立化工原理理論教學的核心地位。也就是說，MATLAB只能作為輔助手段提高學生對基本概念的理解以及對公式的掌握和靈活運用程度，同時增加學習的效率和趣味性。在化工原理學習過程中，解析計算是學生必須掌握的方法，MATLAB作為補充手段能夠使學生方便地解決試差和查圖計算的問題。

在單元過程設(shè)計教學時，教師也需明確MATLAB的使用是為了降低學生的計算量，提高設(shè)計精度，關(guān)鍵還是要求學生在設(shè)計過程中掌握各種操作單元的計算方法和設(shè)計原則。使用MATLAB輔助操作單元設(shè)計與使用Aspen，ProII等過程模擬軟件優(yōu)化流程是不同的，MATLAB輔助單元設(shè)計時，學生必須掌握算法原理，并親自編制流程計算程序，這與手工設(shè)計計算對理論的要求是一致的，符合化工原理課程設(shè)計的教學目的。

綜上所述，采用MATLAB輔助化工原理教學有望取得良好的教學效果，在深化學生對單元操作概念和模型理解的基礎(chǔ)上使學生獲得一定的數(shù)值分析能力，大幅度提高設(shè)計能力，進而為今后過程模擬課程的學習起到鋪墊作用。

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G642.0

項目名稱：天津理工大學2010年教學基金項目。項目號：YB10-04。