計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與思考

（天津天獅學(xué)院，301700）

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與思考

李書(shū)啟，韓希鳳

（天津天獅學(xué)院，301700）

隨著科技發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛?；ぴ硎且婚T重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在教學(xué)實(shí)踐中不斷思考和總結(jié)，化工仿真實(shí)驗(yàn)具有節(jié)省教學(xué)資源、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、豐富教學(xué)手段，增強(qiáng)教學(xué)效果的顯著優(yōu)勢(shì)。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)；化工原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 化工原理課程的地位

化工原理是我院生物工程、食品科學(xué)與工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。課程的主要內(nèi)容是研究化工生產(chǎn)中的各主要單元操作及典型設(shè)備的基本原理和計(jì)算方法，強(qiáng)調(diào)“工程”觀點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。實(shí)踐教學(xué)在學(xué)生能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高方面有其獨(dú)特作用?；ぴ韺?shí)驗(yàn)不同于化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，具有工程特點(diǎn)?；ぴ韺?shí)驗(yàn)教學(xué)能夠直觀形象地展示各單元操作的特點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)典型設(shè)備的認(rèn)識(shí)，使理論和實(shí)際相結(jié)合，進(jìn)行工程知識(shí)的熏陶，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀點(diǎn)及運(yùn)算、設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生綜合素養(yǎng)，使他們不僅能從事實(shí)驗(yàn)室工作，更能解決工程實(shí)際問(wèn)題。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在本課程教學(xué)中占有重要地位。

2 仿真技術(shù)及計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用于化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

仿真是利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的本質(zhì)和規(guī)律進(jìn)行研究、分析和實(shí)驗(yàn)的方法。計(jì)算機(jī)仿真是一門隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而興起的新技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)接收操作人員的指令來(lái)模擬實(shí)際系統(tǒng)的行為，在航天、航空、軍事、電子、機(jī)械、化工等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。

作為一門工程科學(xué)，化工原理和生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密，解決大量的工程實(shí)際問(wèn)題，在教學(xué)過(guò)程中樹(shù)立學(xué)生的工程觀點(diǎn)和意識(shí)，教學(xué)模式和教學(xué)手段的選擇至關(guān)重要。實(shí)踐教學(xué)在我院課程體系中占有重要地位，較強(qiáng)實(shí)際工作能力和社會(huì)適應(yīng)能力的應(yīng)用型人才是我們秉持的培養(yǎng)目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，教學(xué)各領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用計(jì)算機(jī)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并不斷嘗試教學(xué)方法、教學(xué)手段的革新，化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也勢(shì)必打破傳統(tǒng)教學(xué)思想的禁錮，革新教學(xué)手段，改進(jìn)教學(xué)方式，完善教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)社會(huì)不斷發(fā)展的需求，仿真模擬技術(shù)日益應(yīng)用于教學(xué)各領(lǐng)域，成為一種發(fā)展趨勢(shì)。因此，我們將仿真技術(shù)引入我院化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

化工原理仿真實(shí)驗(yàn)是以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)動(dòng)態(tài)模型模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過(guò)3D動(dòng)畫(huà)模擬現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)操作，通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生和真實(shí)實(shí)驗(yàn)類似的操作結(jié)果。

傳統(tǒng)化工原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備一般體積較大、占地面積廣、設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用高、運(yùn)行維護(hù)不便，且學(xué)生很難做到人手一臺(tái)單獨(dú)操作。相比較而言，仿真實(shí)驗(yàn)可解決實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備數(shù)量、課時(shí)及師資等方面的限制。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式相比較，仿真實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）仿真實(shí)驗(yàn)投資少，使用維護(hù)方便。只需將操作軟件安裝在計(jì)算機(jī)上，借助電腦展示多媒體示教資源，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，省去了大規(guī)模實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的人力物力。

2）仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K操作簡(jiǎn)便，工藝流程形象逼真。實(shí)驗(yàn)操作只需使用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)，整個(gè)單元操作工藝流程全部展現(xiàn)在屏幕上，學(xué)生可縱觀全局，一目了然。

3）每個(gè)學(xué)生單獨(dú)操作，學(xué)生可設(shè)計(jì)組合實(shí)驗(yàn)裝置，改變實(shí)驗(yàn)設(shè)置，突破了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限性，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造能力。

4）仿真實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線自動(dòng)化處理，節(jié)省冗繁計(jì)算過(guò)程消耗的時(shí)間。

5）仿真實(shí)驗(yàn)可以有效避免實(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生。

4 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探索

4.1構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)內(nèi)的化工原理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

局域網(wǎng)下應(yīng)用的仿真技術(shù)，避免了單系統(tǒng)仿真技術(shù)使用的局限性，節(jié)約了應(yīng)用成本，極大發(fā)揮了資源的有效利用率。局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了合作實(shí)驗(yàn)、協(xié)作學(xué)習(xí)，教師機(jī)可以采集到每臺(tái)學(xué)生機(jī)的在不同實(shí)驗(yàn)條件下的多組數(shù)據(jù)結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)的在線分析和處理得到更科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；還可通過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)在線答題部分，掌握學(xué)生們的預(yù)習(xí)情況，有的放矢地講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及理論。

4.2化工原理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

化工原理仿真實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)包括化工原理仿真實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)示教課件兩部分。仿真實(shí)驗(yàn)部分包含管內(nèi)流動(dòng)阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)、離心泵特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)、管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱膜系數(shù)的測(cè)定、填料塔吸收過(guò)程實(shí)驗(yàn)、篩板塔精餾過(guò)程實(shí)驗(yàn)、干燥特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)、萃取實(shí)驗(yàn)，共七個(gè)模塊。示教課件是對(duì)各模塊操作過(guò)程的演示及講解。

4.3實(shí)驗(yàn)教學(xué)

以干燥特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，每個(gè)實(shí)驗(yàn)操作模塊分為“實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)”和“實(shí)驗(yàn)操作”兩部分（圖1）。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)部分進(jìn)行自測(cè)（圖2），此部分包含10個(gè)選擇題，每題10分。答對(duì)，屏幕右上角得分框自動(dòng)加上10分；答錯(cuò)，不得分，題目下方彈出文本框，給出正確答案和理由。主要考察學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)裝置設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理等的理解認(rèn)識(shí)能力。在實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)內(nèi)，教師可以掌握每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)成績(jī)及答題情況，有針對(duì)性的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解。

圖1 真實(shí)驗(yàn)開(kāi)始界面

圖2 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)部分界面

圖3 實(shí)驗(yàn)操作界面

按屏幕上方“實(shí)驗(yàn)操作”選項(xiàng)，進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)操作界面（圖3）。按照仿真實(shí)驗(yàn)操作步驟，依次設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件：調(diào)整天平平衡；給濕球溫度計(jì)加水；啟動(dòng)風(fēng)機(jī)；設(shè)置空氣流量；設(shè)置熱空氣溫度；啟動(dòng)加熱器；稱量干物料初重；制備濕物料；測(cè)量空氣溫度、濕度；進(jìn)入干燥測(cè)試過(guò)程（圖4）。通過(guò)遞減砝碼及點(diǎn)擊秒表測(cè)得一系列濕物料質(zhì)量隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，直到濕物料干燥至干物料狀態(tài)。

圖4 干燥過(guò)程測(cè)試初始時(shí)刻

按界面上方“數(shù)據(jù)處理”按鈕，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理界面（圖5）。依據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制干燥特性曲線圖及干燥速率曲線圖。按操作注意事項(xiàng)進(jìn)行停車操作。

4.4仿真實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及缺陷

優(yōu)點(diǎn)：

（1）幫助功能：在仿真操作過(guò)程中，可以利用Windows的多任務(wù)操作，在仿真界面和幫助界面進(jìn)行切換，獲得有關(guān)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作步驟、數(shù)據(jù)處理仿真操作界面等方面的幫助信息。

（2）實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)：以選擇題的形式對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒀b置、原理等基本知識(shí)進(jìn)行測(cè)試、解釋及評(píng)分。

（3）數(shù)據(jù)的在線讀取及處理：對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的在線處理，并進(jìn)行分析整合，以表、圖等直觀形式顯示出來(lái)。

（4）提示功能：當(dāng)鼠標(biāo)箭頭移動(dòng)至操作界面相應(yīng)設(shè)備裝置或儀表上，屏幕下方自動(dòng)彈出提示信息條，顯示相應(yīng)名稱及功能。在操作進(jìn)行到一定步驟或操作失誤時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)彈出對(duì)話框顯示警告信息。

缺陷：

離心泵特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)K灌泵操作關(guān)閉進(jìn)水閥不及時(shí)會(huì)引起死機(jī)；干燥特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)K系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，對(duì)操作要求較高，學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)增減砝碼不及時(shí)或者秒表控制不得當(dāng)?shù)那闆r，導(dǎo)致漏測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，無(wú)法正常繪制特性曲線圖；萃取實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)料閥關(guān)閉不及時(shí)會(huì)引起淹塔，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)或者重新啟動(dòng)程序才能回到正常操作狀態(tài)；

5 總結(jié)

化工原理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化教學(xué)手段，吸收先進(jìn)的教學(xué)思想，鞏固加深學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考完成任務(wù)的能力，樹(shù)立學(xué)生工程觀點(diǎn)，對(duì)整體教學(xué)效果的提高具有一定作用。

將仿真技術(shù)應(yīng)用到化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、時(shí)間、維護(hù)人員、安全等實(shí)際條件的限制，尤其對(duì)于缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的學(xué)校，仿真實(shí)驗(yàn)提供了一種行之有效的教學(xué)手段。仿真實(shí)驗(yàn)、模擬操作的方式使理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)更為緊密地聯(lián)系在一起，仿真實(shí)驗(yàn)中模擬動(dòng)畫(huà)等素材資源可以作為課堂理論教學(xué)的有效補(bǔ)充，既方便了課堂的實(shí)驗(yàn)演示，使得單元操作原理簡(jiǎn)單易懂，又充實(shí)了課堂內(nèi)容。

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理界面

[1] 李金云.淺談高?；ぴ韺?shí)驗(yàn)教學(xué)中的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)——仿真實(shí)驗(yàn)[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，2（2）.

[2] 楊郭，顏杰，李玉芝，等.仿真技術(shù)在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2007（22）.

[3] 孫煒，唐正姣，陳中.淺談在化工原理教學(xué)中對(duì)學(xué)生工程觀念的培養(yǎng)[J].化工高等教育，2004（2）.

[4] 程謙偉，孟陸麗，易弋，等.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].廣東化工，2010（2）.

The Practice and Thinking of Computer Simulation Technology applied in the course of Principles of Chemical Engineering Experiment Teaching

Li Shuqi,Han Xifeng
(Tianjin Tianshi College,301700)

With the development of science and technology,the computer simulation technology is widely used in many areas.Principles of Chemical Engineering is an important basic course.It’s necessary to introduce simulation technology into the experiment teaching of such an important course.More attention is paid in the practice of teaching.It’s conclude that Chemical Simulation Experiment has notable advantages in saving teaching resources,increasing students’interests,enriching teaching means and enhancing teaching effect.

Computer Simulation Technology；Principles of Chemical Engineering；Experiment Teaching

李書(shū)啟（1983—），女，山東德州人，教學(xué)院長(zhǎng)，碩士，講師，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)工程。

天津市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度青年專項(xiàng)立項(xiàng)課題的階段性研究成果（課題編號(hào)：VEYP5012）。