□天津理工大学 孙喆 尹晓红 卢世荣 范文元 万钧 张立军

MATLAB辅助化工原理教学的探讨

□天津理工大学 孙喆 尹晓红 卢世荣 范文元 万钧 张立军

探讨了MATLAB软件在化工原理教学中的应用价值，说明了采用MATLAB软件的数值分析函数和脚本文件数值求解化工原理问题的意义，提出了用户交互界面和Notebook在化工原理教学中的使用方法，并分析了MATLAB在化工原理课程设计中的辅助作用。

化工原理；MATLAB；数值分析；教学研究

一、引言

化工原理是当前各高校化学工程、化学工艺、制药工程、生物化工等工科专业必修的专业基础课。课程侧重于化工生产中各类单元操作的关键概念、基本理论、典型设备结构与调控技术和工艺设计计算等。[1-2]依据教学目标，化工原理课程涉及的各类单元操作的主要内容都可以划归为三个层次。

一是单元操作基本概念与对应设备结构的介绍。这一层次的内容着重于对设备单元的定性认识，主要涵盖操作单元的范畴、操作单元在化工流程中的作用和操作单元设备结构的基本特点。

二是单元操作的经典理论与计算模型。每一种单元操作给出的计算模型不仅起到了加深对单元操作概念理解的作用，更为关键的是理论模型提供了优化单元操作条件、设计单元操作设备结构尺寸及工艺条件的理论依据。这部分内容在化工原理课程中占据着核心地位。

三是单元操作工艺与设备结构设计。通过单元操作流程的工艺设计和设备结构设计，使学生具备初步的过程设计能力，同时，深化单元操作的概念、熟悉单元操作模型的计算方法。

现阶段，化工原理教学仍然延续着上世纪七八十年代的模式，教学内容和手段已经滞后于化学工程技术的发展，无法满足社会对设计型化工技术人才的需求。化工原理课程中提供的单元操作计算方法主要为解析方法，此类方法的优势在于数学模型和计算方法简单，有利于学生加深单元操作概念和规律的认识。对不能解析计算的模型，目前化工原理课程给出的方法是示差法或者图解法，而这两种方法计算繁琐、求解精度低，明显落后于数值分析和计算机模拟技术的发展。而且，真实的单元操作流程的计算多数需要数值求解。但是，长期以来，工科高校的化学工程及相关本科专业多数不开设数值分析课程，化工数学课程也多安排在化工原理之后。所以，在化工原理课程的计算和设计环节全面应用数值方法进行编程计算有一定困难。

许多化学工程专业教师已经意识到采用数值分析软件MATLAB能够在一定程度上解决这一问题[3-5]。MATLAB软件中带有各种数值方法的优质工具箱、解算器和调用函数，学生只需调用已有函数就可以进行数值分析，不必编写数值计算程序代码。这样，不但部分规避了学生缺乏数值分析理论知识的问题，而且能够将计算机辅助过程设计融入到化工原理教学之中[6-8]。

二、MATLAB在化工原理教学中的应用形式

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，这一软件最早由美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler用FORTRAN编写，后经Little、Moler、Steve Bangert合作完善后由MathWorks公司推向市场。

Moler编写MATLAB的初衷是为了减轻学生编写数值计算程序的负担，而事实上，MATLAB的开发为化学工程类本科生应用数值方法解决单元操作的计算和设计问题提供了可能性。化工原理课程涉及的数值计算问题在MATLAB软件的数值分析程序库中都能找到对应的调用函数。学生只需对数值分析方法有基本的了解就可以进行高精度数值计算。例如，对精馏操作进行工艺计算时，必须的气液相平衡曲线可以由气液相平衡数据经spline命令直接样条插值获得，学生不必去编写样条插值程序。又如，在计算吸收塔的传质单元数时，需要进行数值积分，学生只需了解化工原理教材中提供的Simpson求积方法就可以采用quad函数进行高精度自适应性Simpson积分计算传质单元数。

MATLAB不仅拥有大量的数值分析函数，而且提供了可以编程的计算平台，即脚本文件。MATLAB的语法类似于C语言，学生比较容易掌握。在进行湍流条件下管路计算时，学生不必使用示差法进行手工计算，直接通过脚本文件编程就可以对其求解。虽然编程中涉及的方程组迭代和收敛问题需要在课堂上补充相关知识，但是，化工原理课程中遇到的管路问题计算量普遍较小，必须补充的内容只限于迭代原理、收敛标准、牛顿法和松弛法迭代技术，这样，也不会挤占化工原理过多的学时。在精馏塔的流程设计中遇到的逐板计算求理论板层数的问题也可以通过脚本文件编程实现，这样，学生在学习图解法之后又可以掌握数值求解精馏塔板数的技术，为后续课程学习化工过程模拟打下了基础。

MATLAB应用于化工原理课程教学的另一优势是软件提供的强大图形界面功能。学生通过编制脚本文件，不仅能够进行精馏塔的逐板计算，而且可以将计算结果绘制成图形。较之Visual Basic和Visual C++复杂的绘图命令，MATLAB提供的绘图函数能够很简单地生成二维或三维图形。这样，学生能够更直观地加深对理论板的认识，并且提高了学习的趣味性。

采用MATLAB辅助化工原理课程的教学时，软件提供的Word接口，即Notebook是很有实用价值的。Notebook本质上是在Word界面下MATLAB的程序和图形的运行环境。教师在每一章的教学过程中，都可以布置与MATLAB有关的习题。学生只需上交Word版本的作业，教师就可以将作业中的程序直接运行以评价其正确性。对学生而言，这样的作业形式不会有枯燥感，学习兴趣将会被激发。对教师来说，以Notebook形式完成的作业也可以降低作业批改的工作量。

用户交互界面（GUI）是MATLAB强大功能的又一体现。这一系统可以帮助用户方便地建立图形界面。化工原理教学中可以利用UGI功能指导部分有能力的学生编制带有图形界面的简单软件。例如，目前教学中使用的湿空气状态都是通过查空气H-I图得到的，查得的数据精度较低。对此，教师可以指导部分学生利用用户交互界面共同编制计算湿空气状态点的软件，在图形界面上实现输入空气状态参数显示空气状态点的位置和所有空气状态数据的功能。运用这种教学手段，可以使学生在编制程序的过程中深入领会湿空气性质的有关知识，同时在学习中培养团队合作意识，对学生今后从事真正的设计工作很有帮助。

现阶段化工原理课程设计中的流程计算仍然延续手工示差法，学生在设计过程中往往会感觉计算量大而枯燥，而且此方法已经为现代流程设计方法所取代。由于化工原理课程设计主要被操作单元的物料和热量衡算，数值计算的难度不大，因此，教师指导学生编制程序进行迭代计算可以完成设计规定的所有计算内容。化工原理课程设计中的操作流程一般为稳态连续过程，需要的数值计算方法只有插值、迭代、曲线拟合和数值积分几种，学生相对容易学习掌握，不必占用过多课时。采用MATLAB辅助化工原理课程设计，不仅提高了设计精度，而且使用的方法也在向现代过程模拟靠拢，可以为学生今后系统学习流程设计奠定基础。

三、应用MATLAB辅助教学的问题

将MATLAB应用于化工原理教学时，教师要确立化工原理理论教学的核心地位。也就是说，MATLAB只能作为辅助手段提高学生对基本概念的理解以及对公式的掌握和灵活运用程度，同时增加学习的效率和趣味性。在化工原理学习过程中，解析计算是学生必须掌握的方法，MATLAB作为补充手段能够使学生方便地解决试差和查图计算的问题。

在单元过程设计教学时，教师也需明确MATLAB的使用是为了降低学生的计算量，提高设计精度，关键还是要求学生在设计过程中掌握各种操作单元的计算方法和设计原则。使用MATLAB辅助操作单元设计与使用Aspen，ProII等过程模拟软件优化流程是不同的，MATLAB辅助单元设计时，学生必须掌握算法原理，并亲自编制流程计算程序，这与手工设计计算对理论的要求是一致的，符合化工原理课程设计的教学目的。

综上所述，采用MATLAB辅助化工原理教学有望取得良好的教学效果，在深化学生对单元操作概念和模型理解的基础上使学生获得一定的数值分析能力，大幅度提高设计能力，进而为今后过程模拟课程的学习起到铺垫作用。

[1]夏清，陈常贵．化工原理[M]．天津：天津大学出版社：28-32.

[2]孙炜，唐正姣，陈中．浅谈在化工原理教学中对学生工程观念的培养[J]．化工高等教育，2004（2）：108-110.

[3]张缨，夏清，刘明言.充分利用网络资源辅助化工原理教学[J]．化工高等教育，2010（4）：85-86.

[4]汪武.Matlab在化工原理计算中的应用[J]．淮南师范学院学报，2007（3）：104-106.

[5]吴景雄，周锡堂.化工原理教学中数值分析概念与方法的引入[J]．广州化工，2010（9）：226-227.

[6]曹阳，高轶群，乐意，等.化工类人才培养模式及化工原理课程教改探讨[J]．化工高等教育，2007（2）：59-61.

[7]肖武，马威.在化工原理课程中结合工程案例和科研成果初探[J]．广东化工，2010（9）：190-192.

[8]曾嵘，鲁德平，杨世芳.化工原理理论教学改革的思路与措施[J]．高教论坛，2007（1）：43-49.

G642.0

项目名称：天津理工大学2010年教学基金项目。项目号：YB10-04。