仿真技術(shù)在化工教學(xué)中的應(yīng)用

高洪燕(濰坊科技學(xué)院)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步的影響下，化工仿真技術(shù)得以迅速地發(fā)展，化工仿真軟件也日益成熟。可是，我國(guó)一些院校的化工仿真研究和教學(xué)卻是比較滯后，有關(guān)的課程只是在為數(shù)不多的工科院校開(kāi)設(shè)，因而這就難以實(shí)現(xiàn)院校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)。為此，創(chuàng)建化工仿真實(shí)驗(yàn)室，促進(jìn)化工技術(shù)的研究和教學(xué)，不斷地健全有關(guān)化工仿真的教學(xué)內(nèi)容，就顯得非常迫切。

一、化工仿真技術(shù)概述

化工工程的教學(xué)仿真就是化工仿真技術(shù)，化工仿真技術(shù)的依據(jù)是化工過(guò)程的規(guī)律，它通過(guò)數(shù)學(xué)建立模型，是將化工過(guò)程在計(jì)算機(jī)上得以再現(xiàn)的技術(shù)。化工當(dāng)中的操作，如生產(chǎn)工藝過(guò)程，使用離心泵，吸收、蒸發(fā)和換熱的過(guò)程等能夠借助化工仿真軟件加以再現(xiàn)，讓化工人員在逼真的環(huán)境當(dāng)中掌握操作技能與理解工藝知識(shí)。化工仿真實(shí)驗(yàn)室的背景是化工專(zhuān)業(yè)和化學(xué)專(zhuān)業(yè)，它是一種網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，并且以計(jì)算機(jī)技術(shù)作為媒介，主要是實(shí)施化工見(jiàn)習(xí)模擬、化工仿真實(shí)驗(yàn)、AutoCAD設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等的研究和教學(xué)工作。化工仿真技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是在仿真系統(tǒng)上通過(guò)計(jì)算機(jī)再現(xiàn)化工過(guò)程，對(duì)實(shí)際生活當(dāng)中的控制系統(tǒng)環(huán)境和化工生產(chǎn)操作進(jìn)行模仿，且以此作為前提條件實(shí)施事故處理、緊急停車(chē)、正常運(yùn)行、正常停車(chē)和正常開(kāi)車(chē)等過(guò)程，進(jìn)而使學(xué)生仿佛置身其中，學(xué)習(xí)化工過(guò)程的具體操作，仿真實(shí)驗(yàn)軟件能夠在計(jì)算機(jī)上模擬運(yùn)行儀表、設(shè)備和儀器等，仿真實(shí)驗(yàn)軟件當(dāng)中所進(jìn)行模擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠使學(xué)生更加深入地理解實(shí)驗(yàn)裝置。

二、在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中實(shí)施化工仿真系統(tǒng)的必要性

第一，一部分院校的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)是非常有限的，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力。而通過(guò)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，有效地解決了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠與學(xué)生不能夠動(dòng)手操作的問(wèn)題。

第二，當(dāng)前，院校所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)課程的形式是分組實(shí)驗(yàn)，這會(huì)受到師資、實(shí)驗(yàn)裝置、課時(shí)和場(chǎng)地的影響，學(xué)生難以自主地完成實(shí)驗(yàn)，致使實(shí)驗(yàn)課程形式化，而實(shí)施仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠有效地解決這一問(wèn)題。

第三，由于是仿真性的操作，因此可靠性和安全性是比較大的，學(xué)生在操作的過(guò)程中沒(méi)有什么心理壓力?；どa(chǎn)的設(shè)備管線(xiàn)較多、工藝比較復(fù)雜、生產(chǎn)過(guò)程具有較強(qiáng)的連續(xù)性，倘若實(shí)施傳統(tǒng)意義上的化工實(shí)驗(yàn)，那么就會(huì)出現(xiàn)一些誤操作，可能會(huì)損壞設(shè)備，甚至是發(fā)生安全事故。因此學(xué)生在操作不夠熟練的前提條件下會(huì)出現(xiàn)膽怯的心理，不能夠順利地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。而在仿真教學(xué)當(dāng)中，針對(duì)學(xué)生的誤操作，軟件能夠給予提示，不會(huì)發(fā)生安全事故。除正常的運(yùn)行和開(kāi)、停車(chē)外，化工仿真系統(tǒng)能夠讓學(xué)生或者是教師自主地設(shè)置故障，對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行模擬，以培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。

第四，通過(guò)化工仿真教學(xué)，能夠使學(xué)生在不進(jìn)入企業(yè)的前提下，就可以觀察到化工生產(chǎn)的整個(gè)操作過(guò)程，學(xué)生根據(jù)教材當(dāng)中的知識(shí)就可以自主性地操作，以使實(shí)踐與教材能夠統(tǒng)一起來(lái)，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。

三、化工仿真技術(shù)在化工教學(xué)中的應(yīng)用

1、化工仿真技術(shù)在儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用

化工、化學(xué)專(zhuān)業(yè)的必修課是儀器分析，儀器分析是測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、組成與實(shí)施質(zhì)量監(jiān)控及科學(xué)研究的一種方式。此外，通過(guò)儀器分析，能夠明確一些復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)選擇性與收率的高低。傳統(tǒng)意義上的教學(xué)模式是課件的演示與教師的講解，然而課堂的教學(xué)時(shí)間是非常有限的，學(xué)生難以記憶與理解儀器的操作方法及其原理，特別是針對(duì)一部分精密儀器，像熒光分析儀、紅外光譜儀、紫外分析儀等，學(xué)生缺少動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，因而難以學(xué)會(huì)這些儀器的使用方法和工作原理。通過(guò)儀器分析仿真系統(tǒng)，學(xué)生能夠?qū)x器的內(nèi)部構(gòu)造有一個(gè)清晰地了解，將儀器操作的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬，這不但方便了教師的教授，而且也能夠使學(xué)生有效地掌握這一部分儀器的特點(diǎn)和使用方法。當(dāng)然，模擬不可以完全地代替場(chǎng)地的實(shí)習(xí)，學(xué)生一定要到場(chǎng)地親自看到復(fù)雜的工藝流程與龐大的化工設(shè)備。當(dāng)前，DCS系統(tǒng)是一些化工企業(yè)所應(yīng)用的控制系統(tǒng)，學(xué)生能夠迅速地掌握控制系統(tǒng)，很快理解與把握工藝流程，將場(chǎng)地參觀和仿真實(shí)習(xí)統(tǒng)一起來(lái)，能夠使實(shí)習(xí)取得事半功倍的效果。

2、仿真技術(shù)在化學(xué)工藝教學(xué)中的應(yīng)用

化工專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課是化學(xué)工藝，主要有化工設(shè)計(jì)、儀表自動(dòng)化、化工熱力學(xué)、化工基礎(chǔ)等學(xué)科的知識(shí)，通過(guò)學(xué)習(xí)化學(xué)工藝，學(xué)生需要根據(jù)基本的化工知識(shí)，學(xué)習(xí)基本的熱量與物料衡算方法，了解主要的設(shè)備、工藝流程、生產(chǎn)方法，以及化學(xué)工藝過(guò)程的原理。一般來(lái)講，教師是灌輸式地講解，讓學(xué)生對(duì)一些工藝流程進(jìn)行死記硬背，這樣學(xué)生會(huì)失去學(xué)習(xí)的興趣。而化工仿真課可以有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生能夠在DCS畫(huà)面上操作各種工藝流程，對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行隨意地更改，以探究最為理想的工藝條件與工藝路線(xiàn)。為了使仿真效果更加理想，學(xué)生可以起始于基本的化工單元操作，通過(guò)化工過(guò)程先進(jìn)控制、化工過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬，最后實(shí)施化工過(guò)程的優(yōu)化模擬，比如過(guò)濾的操作，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前，首先實(shí)施仿真模擬，熟悉實(shí)驗(yàn)的操作步驟、動(dòng)態(tài)參數(shù)和流程，再實(shí)施真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，以實(shí)現(xiàn)較為理想的效果。通過(guò)進(jìn)行防真模擬再到達(dá)實(shí)習(xí)場(chǎng)地，能夠更加深入地理解工藝指標(biāo)控制與設(shè)備裝置。

綜上所述，在化工教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，積極地推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)和理解有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。

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