Matlab在化学化工中的应用课程教学改革探讨

马京香

（华北电力大学 河北·保定 071003）

0 引言

过程模拟及计算是化工化学过程涉及的设计与研究、模型预测、优化和控制等过程的基础。随着计算机软件的发展，Aspen、ProII、Fluent等成熟的商业应用软件能够帮助工作者进行过程模拟及解决流体力学问题。但 Matlab以其算法齐全、计算功能强大等优点可广泛应用于化学化工过程中的数值分析，能够解决常微分方程、偏微分方程、化工最优化、参数估计等计算问题。Matlab本身既是一种语言，又是一个数值计算软件，被广泛应用于专业课程教学中。“Matlab在化学化工中的应用”课程，就是面向化工专业本科生开设的计算编程语言在化学化工中模拟计算中的实际应用课程。

Matlab在课程教学中的改革，一直是教学关注的重点。该课程涉及到的内容就是将化学化工过程抽象为具体的数学模型，经过复杂的公式推导和编程计算，来达到解决实际问题的目的，是化学工程或应用化学专业学生需掌握的必备技能之一。如何让学生掌握过程模拟方法、数学计算、程序编制以及实践教学过程是本门课程中教学的难点和重点。

1 课程教学存在的问题

1.1 教学手段单一，教学方法陈旧

当前普遍采用的教学手段为“黑板+计算机+ppt”，虽教学效率高，但该手段是教师向学生的一种单向视觉加听觉哺育教学方式，无法实现双向互动。填鸭式的教学方法使学生处于一种被动、机械的学习状态，加之课程内容难度大，没有给予学生思考及消化的时间。

1.2 学生编程基础参差不齐，学习热情不足

应用化学专业学生学习Matlab课程，是在学习化工原理，C语言，高等数学等基础课程的基础上进行的。基础知识的掌握程度直接决定了学习Matlab的难易程度，这就导致前期基础知识相对较差的同学认为Matlab在化学化工中的应用晦涩难懂，直接打击了学习积极性，学习热情不足。

1.3 参考教材少，教学实例不丰富

目前该课程可供选择的教材数目较少，也未发展成为在高校内广泛开设的必修课程，可供参考的Matlab在化学化工中的应用实例更少。此外，现有的教材未综合考虑学生水平的差异，对教材进行难易程度的区分。

2 课程教学改革

2.1 课堂学习气氛调动

对于枯燥的计算编程学习，首次课至关重要，教师需要考虑如何在第一次课吸引学生的注意力，让学生对课程产生兴趣。如，可以通过一些和生活或者专业息息相关的实例，让学生明白利用Matlab解决日常问题或者专业难题的强大功能；让学生明白只要学好本门课程，可以解决化学化工模拟计算中的多种问题，能对后续其他课程的学习提供有力帮助；课堂应激发学生的学习热情，保持可能良好的学习气氛；结合思政课堂的新型教学方式，适当拓宽教学内容，多方式、多维度、多渠道吸引学生的注意力，调动学生学习的积极性。

2.2 教学方法改革及课堂教学设计

教师要充分利用多媒体教学的优势，进行声、光、电、影等多维度一体化教学手段的改进。如，利用多媒体及软件进行实例的演示，并结合学生已有的知识，处理他们学习中遇到的实际的问题，让学生亲身感受到软件的强大功能；教学实例由易到难，结合日常生活和学习中的常见例子，逐步引导学生，让学生明白学习不是难受的过程，而是有乐趣的过程，增加学习过程中有成就感；增加课堂互动，教师和学生之间有交流，而不是教师一味地传授，留给学生思考的余地和时间；允许学生自带电脑，课上即可进行实操，有问题随时提问，争取当堂知识当堂消化掌握；教师对教学内容进行合理设计，将知识点和编程方法穿插到实例中，强调重点，对准难点，注重实践。

3 实践教学设计

3.1 实践教学方案设计

教师对实践教学进行合理设计，见图1。通过实例引入、模型建立、设计编程、结果分析等步骤对实践教学过程进行编排。从学生层面或者教师层面分析，学生的实践学习过程应与实例问题互通，教师的引导实践过程应有机穿插进实例问题中，学生与教师通过实践过程形成跨越互动，以达到最好的实践效果。

图1

图1：Matlab在化学化工中的应用课程实践教学设计方案

3.2 实例演示

等温管式反应器的时空计算实例。

某气相反应A→3B在等温管式反应器内进行，反应条件为T=215℃，p=506.625kPa（5 atm），系统保持恒压，已知反应速率为：

式中，k=0.01。为了控制反应，向反应物A中加入一定惰性气体I，两者的摩尔分率皆为50%。已知出口转化率为0.8，试计算PFR反应器的空时（space time）。

在教学过程中，此类例题要求学生具有一定的化工原理理论知识以建立等温管式反应器计算空时的数学模型。解决实际问题时，教师应留给学生足够的思考时间，引导学生查阅资料，建立正确的模型，并进行分析。

反应过程中有体积变化，设膨胀因子为A，则对于线性膨胀：

根据理想气体状态方程求得：

想要应用Matlab求解 ，需要对函数进行积分，编程过程中，需要选择合适的积分函数，可以采用自适应Lobatto求积函数quadl()进行积分。

教师通过对Matlab中常用积分函数的使用方法的讲解，引导学生正确使用积分函数，编制解题程序（见图1）。

最后得到运行结果：

Space time:33.2(s)>

在这样的教学实践中，教师应该时刻注意将学生作为主体，其本人应该起到引导启发的作用，及时发现学生出现的问题及错误，并进行纠正，当学生遇到困难时，要给予适当帮助，保持实践过程中教师和学生的互动，以期达到最后的实践效果。

4 考核方案改革

传统的课程考核方式多为试卷考试方式，考试内容多为知识点的掌握、计算方法的应用等，显然这种考试方式并不适用于软件教学相关课程。对于化学化工中的Matlab的具体应用，整个设计计算编程过程需要学生参考大量资料，使用计算机完成。因此，考试宜改为采用复合实际的，能真正考查学生掌握程度及实践技能的考试方式。笔者认为，可以采用布置题目，学生进行模型设计，编程，得出结果，把整个过程以论文的形式记录下来。教师通过让学生上机答辩的形式，讲解设计过程，演示程序，来达到全方位考查学生的目的。最后综合论文内容的优劣、答辩过程的表现、任务的完成情况来综合评定成绩。

5 总结

Matlab在化学化工中的应用极为广泛，此课程对于提高学生使用软件解决化学化工中的实际问题的技能有很大的帮助。本文针对教学现状，教学方法，教学手段中存在的问题，提出了针对性的课程教学改革方案。并提出了一套合理可行的教学方案设计，并进行了教学实例演示。最后提出了新型的课程考核方案。可为Matlab在化学化工中的应用或者Matlab在化学模拟计算中的应用等课程提供教学参考。