螺旋工程课程生物系统仪器的MATLAB教学

弗吉尼亚理工大学生物系统工程系(BSE)在2004年获得了国家科学基金会的拨款，以开发基于螺旋主题的学习课程。在螺旋课程中，学生在解决日益复杂的问题时，会反复回到相同的基本概念。我们使用这种方法不仅教授生物系统工程概念，而且还教授现代工程工具，包括MATLAB^®．

MATLAB是弗吉尼亚理工大学螺旋课程的关键，因为它既支持第一年项目所需的基本数据分析，也支持以后几年所需的数据获取和更复杂的统计分析。当学生完成第四年的螺旋课程时，他们已经使用MATLAB来分析和理解越来越复杂的生物过程，首先在试管中，然后在烧杯中，在实验室的中试规模的反应器中，最后在工业处理设施中(图1)。

用MATLAB实现螺旋课程

螺旋课程的一个目标是让学生在毕业后立即开始从事他们的专业。为了达到这个目标，我们知道我们必须让学生从第一天就开始解决实际的、真实的生物系统工程问题。

在他们的第一年，BSE学生普通化学而且工程概论。在这个入门阶段，他们研究了一个简单的生物过程，在这个过程中，他们将一种酶添加到含有底物的试管中。这种酶催化水解反应，使底物的颜色从蓝色变为黄色。学生们使用分光光度计监测和测量这种变化，并在MATLAB中对测量数据进行线性回归，估计Micheles-Menton方程中的系数。在亲眼看到酶是如何工作的之后，他们了解了酶是如何在化学工程、生物修复和现实生活中的生物反应器过程中使用的。

在第二年的课程中生物系统工程导论“，在美国，作业更高级。例如，学生们不是简单地将酶添加到烧杯的底物中，而是使用一种产生酶的微生物;他们不是简单地测量颜色变化，而是从生物过程中提取材料，对其进行分类，并使用MATLAB来分析该过程的物质平衡和能量平衡。

在第三年的课程中BSE中的单元操作在美国，学生完成的项目在规模和范围上可与实习生物系统工程师进行的实验室实验相媲美。利用中试规模的连续蒸馏反应器，设计并进行单元操作实验，控制反应器的溶解氧和pH值，并使用MATLAB对测试结果进行分析和解释。三年级学生还学习数值分析课程，进一步发展他们在MATLAB中求解微分方程的技能。

在他们的最后一年，学生完成生物过程工程，工业生物加工和生物加工厂设计的课程。重点是学习如何设计一个完整的反应堆。作为他们研究的一部分，学生们参观了一个正在工作的处理设施，其中的反应堆有几层楼高。

用MATLAB教学生物过程仪器

在着手他们的生物反应器设计项目之前，四年级学生学习使用MATLAB、数据采集工具箱™和仪器控制工具箱™的仪器和控制。生物系统中的仪器、测量和控制“，以前是由工程科学和力学系的老师授课。因为这门课包括来自其他系的工程学生，实验作业通常与生物过程工程无关。另一个缺点是，学生们必须为这门课程学习一个新的图形编程环境，并且必须留出课堂时间来教他们如何使用它。我和我的同事们决定重新设计这门课程，自己教授。我们开发了特定于生物工程的实验室作业，并将所需软件改为MATLAB、数据采集工具箱和仪器控制工具箱。

我们将螺旋概念应用到课程的实验室中，从学生简单地将测量数据导入MATLAB的作业发展到需要更高级的数据采集技术的作业。在第一个实验室中，学生们用万用表测量电压和电阻，并将数据记录在电子表格中。他们将数据导入MATLAB，生成散点图，并执行线性回归。在接下来的两个实验室中，学生使用热电偶、热敏电阻和光学传感器进行电压测量(图2)。

他们使用USB连接将万用表数据直接导入MATLAB进行分析。在完成使用MATLAB进行离散快速傅里叶变换的作业后，他们继续在实验室中使用数据采集工具箱中的RS232C和GPIB来获取色度计和示波器数据。后续的实验室包括色谱，压力测量，流量测量，使用应变计的力测量，以及使用压力计的沼气压力监测。为了测量压力、流量和力，学生们使用MATLAB中的数据采集板和仪器控制工具箱连接传感器。

对于最终的项目，每个学生提交一个实验设计，然后全班选择一个设计一起完成。最近的一个项目涉及从粪便中生产沼气，并在MATLAB中分析热电偶和压力传感器数据，以监控过程和最大化输出。另一项涉及使用生物聚合物作为包装来延长香蕉的保质期。在这个项目中，学生测量了香蕉的颜色、质地、pH值和穿刺力，并使用MATLAB中的统计工具对数据进行处理，并用结果来衡量香蕉的成熟度。

学生在课程前后进行的调查不仅强调了这个项目的价值，而且强调了课程的整体价值。强烈同意他们理解控制生物系统以使结果最大化的重要性的学生人数从3人上升到17人。学生们还报告说，他们对传感器和控制的理解有了显著的提高，同时对他们使用MATLAB连接硬件进行数据收集，然后导入、绘制和曲线拟合收集的数据的能力也有了更大的信心。同意他们学到的MATLAB技能将在未来的课程和职业生涯中有更广泛用途的学生数量几乎增加了两倍。