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

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用價值，說明了采用MATLAB軟件的數值分析函數和腳本文件數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在化工原理課程設計中的輔助作用。

化工原理；MATLAB；數值分析；教學研究

一、引言

化工原理是當前各高校化學工程、化學工藝、制藥工程、生物化工等工科專業必修的專業基礎課。課程側重于化工生產中各類單元操作的關鍵概念、基本理論、典型設備結構與調控技術和工藝設計計算等。[1-2]依據教學目標，化工原理課程涉及的各類單元操作的主要內容都可以劃歸為三個層次。

一是單元操作基本概念與對應設備結構的介紹。這一層次的內容著重于對設備單元的定性認識，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備結構的基本特點。

二是單元操作的經典理論與計算模型。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，更為關鍵的是理論模型提供了優化單元操作條件、設計單元操作設備結構尺寸及工藝條件的理論依據。這部分內容在化工原理課程中占據著核心地位。

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

現階段，化工原理教學仍然延續著上世紀七八十年代的模式，教學內容和手段已經滯后于化學工程技術的發展，無法滿足社會對設計型化工技術人才的需求。化工原理課程中提供的單元操作計算方法主要為解析方法，此類方法的優勢在于數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，明顯落后于數值分析和計算機模擬技術的發展。而且，真實的單元操作流程的計算多數需要數值求解。但是，長期以來，工科高校的化學工程及相關本科專業多數不開設數值分析課程，化工數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計環節全面應用數值方法進行編程計算有一定困難。

許多化學工程專業教師已經意識到采用數值分析軟件MATLAB能夠在一定程度上解決這一問題[3-5]。MATLAB軟件中帶有各種數值方法的優質工具箱、解算器和調用函數，學生只需調用已有函數就可以進行數值分析，不必編寫數值計算程序代碼。這樣，不但部分規避了學生缺乏數值分析理論知識的問題，而且能夠將計算機輔助過程設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值計算程序的負擔，而事實上，MATLAB的開發為化學工程類本科生應用數值方法解決單元操作的計算和設計問題提供了可能性。化工原理課程涉及的數值計算問題在MATLAB軟件的數值分析程序庫中都能找到對應的調用函數。學生只需對數值分析方法有基本的了解就可以進行高精度數值計算。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據經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單元數時，需要進行數值積分，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函數進行高精度自適應性Simpson積分計算傳質單元數。

MATLAB不僅擁有大量的數值分析函數，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，必須補充的內容只限于迭代原理、收斂標準、牛頓法和松弛法迭代技術，這樣，也不會擠占化工原理過多的學時。在精餾塔的流程設計中遇到的逐板計算求理論板層數的問題也可以通過腳本文件編程實現，這樣，學生在學習圖解法之后又可以掌握數值求解精餾塔板數的技術，為后續課程學習化工過程模擬打下了基礎。

MATLAB應用于化工原理課程教學的另一優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本質上是在Word界面下MATLAB的程序和圖形的運行環境。教師在每一章的教學過程中，都可以布置與MATLAB有關的習題。學生只需上交Word版本的作業，教師就可以將作業中的程序直接運行以評價其正確性。對學生而言，這樣的作業形式不會有枯燥感，學習興趣將會被激發。對教師來說，以Notebook形式完成的作業也可以降低作業批改的工作量。

用戶交互界面（GUI）是MATLAB強大功能的又一體現。這一系統可以幫助用戶方便地建立圖形界面。化工原理教學中可以利用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都是通過查空氣H-I圖得到的，查得的數據精度較低。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點的軟件，在圖形界面上實現輸入空氣狀態參數顯示空氣狀態點的位置和所有空氣狀態數據的功能。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會濕空氣性質的有關知識，同時在學習中培養團隊合作意識，對學生今后從事真正的設計工作很有幫助。

現階段化工原理課程設計中的流程計算仍然延續手工示差法，學生在設計過程中往往會感覺計算量大而枯燥，而且此方法已經為現代流程設計方法所取代。由于化工原理課程設計主要被操作單元的物料和熱量衡算，數值計算的難度不大，因此，教師指導學生編制程序進行迭代計算可以完成設計規定的所有計算內容。化工原理課程設計中的操作流程一般為穩態連續過程，需要的數值計算方法只有插值、迭代、曲線擬合和數值積分幾種，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計，不僅提高了設計精度，而且使用的方法也在向現代過程模擬靠攏，可以為學生今后系統學習流程設計奠定基礎。

三、應用MATLAB輔助教學的問題

將MATLAB應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，提高設計精度，關鍵還是要求學生在設計過程中掌握各種操作單元的計算方法和設計原則。使用MATLAB輔助操作單元設計與使用Aspen，ProII等過程模擬軟件優化流程是不同的，MATLAB輔助單元設計時，學生必須掌握算法原理，并親自編制流程計算程序，這與手工設計計算對理論的要求是一致的，符合化工原理課程設計的教學目的。

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上使學生獲得一定的數值分析能力，大幅度提高設計能力，進而為今后過程模擬課程的學習起到鋪墊作用。

[1]夏清，陳常貴．化工原理[M]．天津：天津大學出版社：28-32.

[2]孫煒，唐正姣，陳中．淺談在化工原理教學中對學生工程觀念的培養[J]．化工高等教育，2004（2）：108-110.

[3]張纓，夏清，劉明言.充分利用網絡資源輔助化工原理教學[J]．化工高等教育，2010（4）：85-86.

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[5]吳景雄，周錫堂.化工原理教學中數值分析概念與方法的引入[J]．廣州化工，2010（9）：226-227.

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[7]肖武，馬威.在化工原理課程中結合工程案例和科研成果初探[J]．廣東化工，2010（9）：190-192.

[8]曾嶸，魯德平，楊世芳.化工原理理論教學改革的思路與措施[J]．高教論壇，2007（1）：43-49.

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。