教学仪器的生物系统与MATLAB螺旋工程课程

生物系统工程系(BSE)的弗吉尼亚理工大学在2004年接受了美国国家科学基金会在螺旋开发课程教案学习。在螺旋课程,学生反复回到相同的基本概念解决日益复杂的问题。我们用这种方法教不仅生物系统工程概念,而且现代工程工具,包括MATLAB^®。

MATLAB是螺旋弗吉尼亚理工大学课程的关键,因为它同时支持所需的基本数据分析第一年项目和所需的数据采集和更复杂的统计分析在接下来的几万博1manbetx年里。在螺旋的学生已经完成了四年的课程,他们利用MATLAB来逐步分析和理解更复杂的生物过程,首先在试管中,然后在一个烧杯,在半工业规模的反应堆在实验室里,最后,在工业加工设施(图1)。

用MATLAB实现螺旋课程

一个螺旋课程的目标是培养学生毕业后立即开始练习他们的职业。为了达到这个目标,我们知道我们必须学生参与解决实际,从一开始就真实的生物系统工程问题。

在他们的第一年,疯牛病的学生普通化学和工程概论。在这个入门级学习一个简单的生物过程中添加一个试管中含有基质酶。酶催化底物的水解反应,改变颜色从蓝色到黄色。学生们使用分光光度计监视和测量这一变化,并执行在MATLAB和测量数据的线性回归估计Micheles-Menton方程的系数。在看到第一手酶是如何工作的,他们学习如何使用酶在化学工程,生物修复和现实世界的生物反应器过程。

二年级的课程介绍生物系统工程、作业更先进。例如,而不是简单地添加酶底物在一个烧杯,学生使用微生物产生的酶;而不是简单地测量颜色的变化,他们从生物处理中提取材料,分类,并使用MATLAB分析物料平衡和能量平衡的过程。

在三年级课程单元操作在疯牛病,学生完成项目可比在规模和范围上实验室的实验练习生物系统工程师。使用半工业规模连续蒸馏器反应堆,学生设计并进行单元操作实验中控制反应堆的溶解氧和pH值,并使用MATLAB分析和解释测试结果。三年级学生也参加一个数值分析课程的进一步发展他们的技能在MATLAB求解微分方程。

在他们的最后一年,学生完成课程生物处理工程、工业生物工艺和生物工艺装置的设计。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,学生们参观一个工作的反应堆是几层楼高。

教学与MATLAB生物处理仪器

之前应对其生物反应器的设计项目,四年级的学生学习使用MATLAB仪表和控制,数据采集工具箱™和仪器控制工具箱™。生物仪器、测量和控制系统以前教的教师工程科学和力学。因为课程包括工程来自其他部门的学生,攻读生物工程实验室作业通常都是不相关的。另一个缺点是,学生们必须学习一种新的图形化编程环境的课程,和上课时间必须留出教他们如何使用它。我和疯牛病的同事决定重新设计课程,教它自己。我们开发了实验室任务特定的生物工程,改变了要求软件MATLAB,数据采集工具箱、仪器控制工具箱。

我们螺旋的概念应用于实验室中,进行作业的学生简单的测量数据导入MATLAB作业,需要更多的先进的数据采集技术。在第一个实验室学生用万用表测量电压和电阻,记录一个电子表格中的数据。他们将数据导入MATLAB,生成一个散点图,并进行线性回归。在接下来的两个实验室,学生参加电压测量使用热电偶,热敏电阻,光学传感器(图2)。

他们使用一个USB连接万用表的数据直接导入MATLAB进行分析。在执行一项任务后离散快速傅里叶变换使用MATLAB,他们继续在实验室利用RS232C和通用接口总线数据采集工具箱收购色度计和示波器数据。后续实验覆盖了色谱法、压力测量、流量测量、强制使用应变计测量,使用压力计和沼气压力监测。用于测量压力、流量和力量,学生使用一个数据采集板连接传感器和仪器控制从MATLAB工具箱。

对于最后的项目,每个学生提交一个实验设计,设计完成的类选择一个在一起。最近的一个项目涉及从粪便生产沼气,MATLAB分析热电偶和压力传感器数据监控过程和产出最大化。另一个是用生物聚合物作为包装的保质期延长香蕉。对于这个项目,学生测量颜色,纹理,pH值,使用统计工具和穿刺力,处理数据在MATLAB和使用结果来衡量香蕉的成熟。

前后学生调查给予这个项目的课程不仅强调了价值,但是课程的整体。数量的学生强烈认为他们理解生物系统控制的重要性,以最大化的结果从3增加到17。学生们也同样出现显著改善传感器的理解和控制,以及增加信心的能力使用MATLAB连接硬件数据收集和导入,情节和曲线拟合收集到的数据。学生的数量同意MATLAB技能有更广泛的使用在未来的课程和职业生涯几乎增加了两倍。