曹 宇，田 徽，谭承佳，赵 洪，李 婷

(绵阳师范学院生命科学与技术学院，四川绵阳 621006)

0 引言

Matlab ( Matrix Laboratory)是一款功能强大的数学应用软件，在工程设计及科学计算中具有重要的作用[1,2].我国的高等教育教学中，关于如何在高等教育中应用Matlab辅助教学，有一些有益的探索和研究，主要体现在课程设计训练、课程实践训练等教学环节中[3-7].目前将Matlab引入课堂教学环节的实践研究还不多见.如何将Matlab真正引入课堂教学，引入课堂教学中的实践过程以及引入课堂教学后的效果是将Matlab辅助教学从理论转化为实践的关键问题.“化工原理”理论教学中的习题中有大量的计算，且部分计算涉及条件判定与公式选择，部分计算涉及条件假设与验证及再假设再验证的重复计算，部分计算涉及假设与试差的循环计算等.而Matlab中的循环语句、条件语句等能很好的完成重复和循环计算，避免化工原理中的繁琐计算，有利于提高学生解题的积极性.本文以生物制药专业“化工原理”课程为例，探索Matlab辅助“化工原理”数学的可行性及教学效果评价，以期为丰富该门课程的教学方法与手段，提升本课程教学效果，为应用型人才培养提供更为丰富科学的手段.

1 学生学情

1.1 学生概况及专业知识结构

绵阳师范学院生物制药专业2016级74名学生有男生10名，女生64名，男女比例为1∶6.4.该课程在生物制药2016级学生第6学期开设，学生前期进行了“无机及分析化学”“高等数学”“生物制药工艺学”等课程，学生具有一定的数学基础、化学基础和工艺学基础.但是该课程还需要“物理化学”“大学物理”的相关基础知识，所以教学具有一定的难度，需要在相关章节给学生进行基础知识的补充.

1.2 学生计算机知识基础概况

考虑到 Matlab属于计算机应用软件，其运用需要具备一定的计算机程序编写能力.在“化工原理”理论教学中引入Matlab，首先应该分析学生的计算机应用能力以及计算机程序编写的能力.经过调查统计，该专业学生在大学一年级第一学期和第二学期分别学习了“计算机文化基础”“Visual Basic”两门课程.其中“Visual Basic”涉及到计算机程序编写，有助于学生学习Matlab的程序编写.同时，我们统计了该专业74名同学通过全国计算机等级考试的情况：未取得级别占43%；全国计算机二级占12%；全国计算机一级占45%.

该专业学生通过的计算机考试科目均为不涉及程序编写的MS Office，虽然学生学习过“Visual Basic”中的程序编写，但是大多数学生计算机程序编写基础较差，所以计算机程序编写能力是该教学改革中的一个制约因素.为突破这一限制，本研究在该课程实践中安排相应4学时进行Matlab的使用开展专题培训. 经过调查统计，全专业74名学生一致同意在“化工原理”课堂教学中引入Matlab编程培训，可见适当的引导有利于激发学生的学习积极性.

2 基本方法及内容

2.1 Matlab的课程内容及学时分配

学生的学习兴趣与需求是Matlab能否顺利引入“化工原理”理论教学的关键.在正式引入Matlab教学前，首先对Matlab软件及其在“化工原理”中的作用向学生们作了简要介绍，主要向学生介绍计算机技术的重要性、Matlab的强大计算功能以及Matlab编程在化工原理习题解答中的优势等，对学生进行引导，并进行了学习意愿调查.同时，结合前期学生所学“生物制药工艺学”等课程给学生介绍“化工原理”课程在生物制药行业中的应用.

结合学生的计算机基础，在“化工原理”64个理论课时中安排了4个课时对学生进行Matlab编程培训.Matlab编程训练课程采用在教室进行，由教师和学生自带笔记本电脑，教学过程中无需互联网.为了让学生能够尽快的将Matlab程序编写应用于“化工原理”中， 教学团队制定的Matlab编程培训内容如表1所示.

表1 Matlab程序编写培训内容及作用Tab.1 Teaching content and hours of Matlab

2.2 Matlab用于“化工原理”教学实践案例

通过前期的Matlab程序编写的初步培训，教学团队结合化学工业出版社第三版的“化工原理”教材[8]以及“化工原理教学大纲”的要求，筛选出两道例题让学生进行化工原理习题训练的程序编写.

例1在一温度为25oC的水悬浮液，其中固体颗粒的密度为1 400 kg.m-3，现测得其沉降速度为0.01 m.s-1.试求颗粒直径.

该题的传统解题过程为：沉降速度与颗粒直径之间的关系式有三种，包括斯托克斯定律、艾伦定律以及牛顿定律.这三种公式适用范围不同，主要根据雷诺数的值来判别，而计算雷诺数需要先知道颗粒直径，所以我们必须先假设其适用某一公式，求出相应的直径后进行雷诺数检验，检验正确计算结束，检验不正确则重新假设.该题需要进行条件假设和验证计算，如果学生假设错误，则需要经过两次甚至三次计算才能得到正确答案，因为计算的重复导致学生训练意愿降低，且改变其中任何一个数值，则需全部重新计算.而使用Matlab程序可以由计算机完成判定和验证以及多次计算，能大大节省计算的时间，且改变数值后该程序也可以直接使用，能让学生体会Matlab程序编写在化工计算中的优势.

例2常压下湿空气的温度为30℃、湿度为0.025 6 kg/kg绝干气，试用试差法求该湿空气的绝热饱和温度tas.(其中，水的饱和蒸气压采用公式(1)，汽化潜热取2 425.5kJ/kg)

(1)

该题传统的解题过程为：利用绝热饱和温度的计算公式(2).

(2)

其中，

(3)

在该等式中，需要先知道Tw，才能求出Hw，所以必须先假设Tw的值，利用试差法计算.也就是假设Tw后，利用公式(3)求出Hw，然后将Hw带入公式(2)，求出Tw，看与假设Tw差值大不大，如果差值大则假设错误，重新计算后再求差值，直到假设值与求出数值的差距在能接受的范围内计算结束.该题在传统解题中，如果学生假设值与结果偏差较大，则会造成计算次数过多，计算时间过长导致学生错误率增高以及解题意愿降低.而Matlab中的循环语句可以轻松解决多次循环计算，在该题中，学生要用到条件语句以及循环语句，能够让学生感受到计算机编程的优势.

3 教学效果分析

3.1 学生出勤率及上课投入度

在Matlab编程培训的4个课时中，学生的出勤率为100%，无缺席、无迟到和无早退等情况.74名学生中，未自带电脑的为7人，自带电脑率为90.5%，且7名同学都已经找到共用电脑同学，说明学生的学习积极性较高.在课程安排的自行练习时间中，5 min内共计有6名同学主动提问，要求帮助其查看程序，且5 min外还有同学举手提问.与传统的理论教学课堂的练习和提问相比，学生主动提问率较高，也反应出学生的学习投入度较高.

3.2 学生Matlab程序的完成率

为了更好的进行比较，我们把程序编写实例中的两道例题分为两组，让学生用传统解题方式和Matlab编程方式完成作业.74名学生中有73名选择了第二种方式完成作业.其中有2名学生程序雷同，有2名学生程序无法正确运行.学生程序完成率为100%，雷同率为2.7%，正确率为95.9%.计算机程序编写完成后，学生可以通过运行程序自查.自查可以让学生主动的思考错误原因，通过对问题的分析和理论的再学习可以修正自己的程序，直到程序成功运行.所以计算机编程有利于学生主动的进行“化工原理”理论的学习.

3.3 Matlab程序编写在课程考核中的应用

“化工原理”课程在2016级学生的期末考核中使用的是非标准答案考核，考核的内容是让学生完成一个药物生产小设计.在设计环节，学生可自愿采用编程的方式(编程得分占比仅为5%).在完成的期末考核中，采用了Matlab编程辅助设计的学生共有12名，占比为16.2%，其中11名学生在计算较为复杂的精馏设计中采用了Matlab编程辅助设计.化工设计中精馏的计算需要迭代可能是大多数学生在精馏设计中采用Matlab编程的主要原因.而精馏的编程相对较为复杂，可能也是学生自愿采用Matlab编程辅助设计占比较小的主要原因.

3.4 Matlab程序编写促进生物制药专业学生应用能力的培养

Matlab程序编写有利于提高学生的计算机应用能力，通过期末考核和编程训练，学生对工程设计与计算有更深入的认识.“化工原理”的单元操作部分能够让学生将生物制药工艺学的相关工艺划分为合理的单元操作，而通过Matlab辅助教学能够促进学生进行工艺设计，应用计算机技术辅助生物制药的车间设计和计算.通过引入Matlab编程后，学生参加全国大学生制药工程设计大赛的积极性较往年有所提高.2017-2019年参加比赛人数和获奖情况见表2所示.2019年参赛学生组成为：生物制药2016级学生8人，生物制药2017级学生7人，资源环境工程学院2人.从统计结果来看，2019年学生参赛人数大幅度增加(主要为2016级生物制药学生，且队长都为生物制药2016级学生).而全国制药工程设计竞赛主要应用药学专业知识以及“化工原理”知识，尤其是“化工原理”里面的工程设计概念以及设计计算，Matlab辅助“化工原理”教学实施的2019年，2016级学生参赛积极性较高.

4 结语

通过在绵阳师范学院生物制药专业2016级的“化工原理”教学实践中引入Matlab程序编写，说明引入Matlab程序编写辅助课程理论教学是可行的.在引入的过程中，需要对学生学情进行调查和研究，合理安排Matlab培训课时，激发学生的学习兴趣.在教学实践中，需要选择适合学生的实例让学生进行练习 ，并且在期末考核中适当的引入Matlab程序编写的考核，有利于学生运用现代计算机技术，并且能够让学生主动进行知识点的掌握，有效的训练学生解决问题的能力.引入Matlab编程能够使学生有效的运用计算机技术解决工程问题，提高学生应用实践能力，有助于生物制药专业培养应用型人才的建设.