在化工專業(yè)課程教學(xué)中融入數(shù)值分析的探索與實(shí)踐

朱　煒,鄭長征，李　慶，劉　斌，劉永紅

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安　710048)

化學(xué)工程與工藝專業(yè)在本科生能力培養(yǎng)方面包含兩個(gè)與"計(jì)算"相關(guān)的能力：

(1)掌握化工裝置工藝與設(shè)備設(shè)計(jì)方法，掌握化工過程模擬優(yōu)化方法；(2)具有對新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備進(jìn)行研究、開發(fā)和設(shè)計(jì)的初步能力。同時(shí)我校又是"卓越工程師"培養(yǎng)高校，其旨在培養(yǎng)造就創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才,當(dāng)然培養(yǎng)良好的計(jì)算能力也是必不可缺的。

1　問題的提出

在我校化工專業(yè)本科生的教學(xué)和培養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生對于專業(yè)課程中的基礎(chǔ)理論通過老師的反復(fù)講解和自己的刻苦學(xué)習(xí)都能很好的理解和掌握。但在對所學(xué)的原理和理論進(jìn)行具體應(yīng)用時(shí)卻會遇到極大的困難，輕則會出現(xiàn)作業(yè)、習(xí)題做不了或耗費(fèi)時(shí)間極長的現(xiàn)象，重則打擊繼續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)課的積極性，甚至出現(xiàn)自動放棄學(xué)習(xí)的心理。

深究其背后原因,發(fā)現(xiàn)不是學(xué)生的專業(yè)課理論和方法沒學(xué)會，而是化工專業(yè)課程的計(jì)算時(shí)會涉及大量復(fù)雜的非線性方程，積分方程，微分方程和常微分方程的求解。如果采用傳統(tǒng)的手工或計(jì)算器計(jì)算，幾乎是不可能完成的任務(wù)，必須得采用計(jì)算機(jī)才能解決問題。即使現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)生已經(jīng)擁有自己的筆記本電腦，但由于缺乏必要的編程基礎(chǔ)，而且教授計(jì)算機(jī)計(jì)算的《數(shù)值分析》課程在本科階段又是沒有開設(shè)，所以幾乎所有的學(xué)生到頭來對于計(jì)算問題都顯的力不從心或者束手無策。

2　問題的解決

為了解決上述教學(xué)中所遇到的難題，筆者希望通過在本科生的授課過程中融入數(shù)值分析課程和計(jì)算機(jī)編程知識的講解，從而使學(xué)生學(xué)習(xí)理解各種化工課程計(jì)算所需的數(shù)值分析理論，并掌握用計(jì)算機(jī)來求解化工專業(yè)問題的方法。具體則采用"教、學(xué)、用"三位一體的實(shí)施方式。

2.1　“教”

(1)編寫適用于本科化工專業(yè)的《數(shù)值分析》講義。本講義的目的在于靈活應(yīng)用各種算法，所以編寫中會盡量減少晦澀難懂的理論部分，而更加側(cè)重于每種算法的應(yīng)用實(shí)例，而且我們只選擇最常用的，最容易接受的算法。

(2)使學(xué)生掌握至少一門計(jì)算機(jī)語言。計(jì)算機(jī)語言可以是C、Visual Basic、Java、C++、Matlab、Fortran中的任意一種。但最核心的是掌握該語言的基本數(shù)據(jù)類型，算數(shù)運(yùn)算符與算數(shù)表達(dá)式，關(guān)系運(yùn)算符與關(guān)系表達(dá)式，邏輯運(yùn)算符和邏輯表達(dá)式，程序的輸入與輸出，流程控制語句，函數(shù)，數(shù)組，文件操作。

(3) 教授可用于數(shù)值分析的計(jì)算軟件。該做法主要針對計(jì)算機(jī)水平太差的學(xué)生。很多的計(jì)算軟件都提供了一個(gè)函數(shù)接口，因此只要知道該算法的函數(shù)接口，然后輸入初始參數(shù)，軟件就會自動給出計(jì)算結(jié)果，類似于進(jìn)行"黑箱"操作。

2.2　“學(xué)”

(1)使學(xué)生掌握相關(guān)數(shù)值分析的基本原理和應(yīng)用方法。與本科化工專業(yè)相關(guān)的數(shù)值分析包括：函數(shù)的插值、離散數(shù)據(jù)的擬合、微分與積分、線性與非線性方程、矩陣特征值問題、微分方程等。學(xué)習(xí)時(shí)不但要注意掌握每種數(shù)值方法的基本原理和思想，還要與計(jì)算機(jī)的結(jié)合，通過例子，學(xué)習(xí)使用各種數(shù)值方法解決實(shí)際計(jì)算問題，熟悉數(shù)值方法的計(jì)算過程。

(2)讓編程基礎(chǔ)好的學(xué)生用一種計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)每種算法的源代碼。若開始無法上手可以多閱讀，分析別人的源代碼。閱讀別人是學(xué)習(xí)編程語言時(shí)最好的學(xué)習(xí)方法，同時(shí)還可以積累編程經(jīng)驗(yàn)。

(3)讓編程基礎(chǔ)差的學(xué)生掌握可用于數(shù)值分析的專業(yè)軟件。如：Excel對于一些不太復(fù)雜的非線性方程，可在單元格中通過構(gòu)造合適的表達(dá)式進(jìn)行求解；Origin對于許多的離散數(shù)據(jù)可以進(jìn)行簡單的擬合計(jì)算，包括多項(xiàng)式擬合、線性擬合和非線性擬合等；Matlab則可通過調(diào)用該軟件的中自帶的函數(shù)庫，進(jìn)行非常廣泛的數(shù)值分析。

2.3　“用”

(1)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最大程度的給學(xué)生共享代碼和軟件。將編程資料、講義和編寫的計(jì)算軟件，作為學(xué)習(xí)資料掛載在學(xué)院的網(wǎng)站上，方便學(xué)生和專業(yè)課老師的下載、學(xué)習(xí)和使用，這樣可以及時(shí)獲取學(xué)生的反饋，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)和使用情況。

(2)在課堂中講一些可用數(shù)值分析代碼或軟件解決的例題。通過給學(xué)生們做示范的方式，告訴他們所編寫的源代碼到底怎么用，或者計(jì)算軟件到底如何應(yīng)用，讓學(xué)生有一種身臨其境的感覺，激起他們熱愛程序，使用程序，深究程序的積極性。

(3)在課后布置一些可用數(shù)值分析代碼或軟件解決的習(xí)題。一則使學(xué)生搞清楚計(jì)算程序的使用或調(diào)用方法；二則讓他們明白數(shù)值計(jì)算的重要性；三則激起學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)值計(jì)算的熱情；四則減輕學(xué)生做課后題的壓力，節(jié)約寶貴的時(shí)間。

(4)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用數(shù)值分析代碼或軟件解決設(shè)計(jì)問題。說到化工專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的工藝設(shè)計(jì)，就必須牽扯到化工計(jì)算，因此少不了數(shù)值分析。使用源代碼和計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，不但可以極大的提高他們的設(shè)計(jì)效率，也能讓他們享受到那種“學(xué)有所用”的樂趣和滿足感。

(5)在學(xué)生的設(shè)計(jì)大賽中使用數(shù)值分析方法解決問題。如全國化工設(shè)計(jì)大賽，各個(gè)級別的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，各個(gè)級別的挑戰(zhàn)杯大賽等，讓學(xué)生在競賽中使用源代碼和計(jì)算軟件，可以提高他們參賽作品的質(zhì)量，獲得更好的比賽成績。

3　結(jié)語

本文提出了“教、學(xué)、用”三位一體的模式，通過在本科生的授課過程中融入《數(shù)值分析》課程和計(jì)算機(jī)編程知識，使學(xué)生理解專業(yè)課程計(jì)算時(shí)所需的各種《數(shù)值分析》理論，掌握用計(jì)算機(jī)來求解化工專業(yè)問題的技能，打掉學(xué)習(xí)過程中的攔路虎，恢復(fù)、調(diào)動和增加學(xué)生學(xué)習(xí)化工專業(yè)課程的信心，使得他們能徹底做到“學(xué)以致用”。