利用虚拟实验室教授反应工程

反应工程向隆德大学三年级化学工程学生介绍反应堆分析、定级和设计的原理。和其他类似的课程一样，它的传统教学重点是理论和数学方程的推导。学生们完成了大量的练习，但很少对发生在工业反应堆中的物理过程和化学反应的综合影响形成直观的理解。

认识到这一缺点，我们将重点从单纯的理论转移到数字实验。我创建了一套MATLAB^®应用程序，使学生能够交互式地修改关键反应参数，并查看他们的变化如何影响结果(图1)。我也开始在课程中使用MATLAB Grader™。我的助教们现在花在简单代码修正上的时间大大减少，而是花更多的时间帮助学生理解模型结构，这在新冠肺炎大流行期间课程转移到网上时特别有优势。应用程序和MATLAB Grader都集成到大学的学习管理系统(LMS)中。

创建和托管MATLAB应用程序

的反应工程应用程序的设计是为了让学生批判性地思考在间歇反应器和连续搅拌槽反应器(CSTRs)中发生的过程对反应性能的影响。在一节课上，我让学生们想象一下如果CSTR冷却系统发生故障会发生什么。学生们认识到，如果不采取行动，温度和压力将上升，直到反应堆爆炸。我接着问，如果他们可以控制反应堆的容积流速，他们会增加还是减少流速来拯救反应堆?

这个问题的答案并不直观;大多数学生不正确地推荐减少流。向他们展示增加流动会减少系统的总能量，我让他们用MATLAB应用程序进行实验，让他们控制流速，并随着时间的推移跟踪反应堆内的温度(图2)。该应用程序让他们更好地理解反应堆的能量平衡，而不是通过完成机械的数值计算。

因为隆德大学有校园许可证，学生可以下载我开发的应用程序，并在自己的电脑上运行。然而，我决定通过MATLAB web App Server™使应用程序作为交互式web应用程序可用。然后我就可以在应用程序的屏幕上为作业提供指导。MATLAB Web app Server也使应用程序与我们的LMS Canvas集成成为可能，使它们更容易访问(图3)。

结合MATLAB分级器

当疫情迫使我们开始在线教学时，我的同事和我必须想出如何管理和吸引大约100名学生参加课程。大约在课程开始前两周，我决定使用MATLAB Grader进行虚拟实验室作业。从我之前为这门课程创建的求解微分方程和非线性方程的MATLAB模板开始，用MATLAB Grader创建和测试交互式实验室练习只用了几天时间(图4)。

MATLAB Grader被证明是一个重要的补充，因为它为学生提供了对他们的工作的即时反馈。例如，在第二个实验室中，学生模拟一个化学反应，要求他们在MATLAB中求解8个微分方程。在正常情况下，25到30名学生在一个实验室工作，有两个助教。即使有这么多的学生，助教们也要花很多时间来回答问题，这些问题主要是关于简单的编码错误，并检查每个学生的作业。使用MATLAB Grader，我们可以自动检查所有100名学生的作业，并提供实时反馈。然后助教就可以关注那些需要额外帮助的学生。

学生的反馈和明年的计划

虽然我们没有对MATLAB评分器和应用程序的使用进行正式的课程调查，但学生们非正式地评论说，应用程序帮助他们学习新概念。他们还说他们喜欢MATLAB Grader提供的即时反馈。

我们所做的改变反应工程已经引起了隆德大学以外的关注:瑞典的另一所大学联系了我，他们有兴趣使用MATLAB Grader和MATLAB Web App Server来对他们自己的课程实现类似的增强。