計算機仿真技術應用于化工原理實驗教學的實踐與思考

（天津天獅學院，301700）

計算機仿真技術應用于化工原理實驗教學的實踐與思考

李書啟，韓希鳳

（天津天獅學院，301700）

隨著科技發展，計算機仿真技術的應用日益廣泛。化工原理是一門重要的專業基礎課，將計算機仿真技術引入化工原理實驗教學，在教學實踐中不斷思考和總結，化工仿真實驗具有節省教學資源、提高學生學習興趣、豐富教學手段，增強教學效果的顯著優勢。

計算機仿真技術；化工原理；實驗教學

1 化工原理課程的地位

化工原理是我院生物工程、食品科學與工程專業的一門重要的專業基礎課，為后續專業課學習奠定基礎。課程的主要內容是研究化工生產中的各主要單元操作及典型設備的基本原理和計算方法，強調“工程”觀點，具有很強的實踐性。實踐教學在學生能力的培養和綜合素質的提高方面有其獨特作用。化工原理實驗不同于化學實驗過程，具有工程特點。化工原理實驗教學能夠直觀形象地展示各單元操作的特點，加深學生對典型設備的認識，使理論和實際相結合，進行工程知識的熏陶，培養學生的工程觀點及運算、設計能力，提高學生綜合素養，使他們不僅能從事實驗室工作，更能解決工程實際問題。因此，實驗教學在本課程教學中占有重要地位。

2 仿真技術及計算機仿真應用于化工原理實驗教學的必要性

仿真是利用系統模型對真實系統的本質和規律進行研究、分析和實驗的方法。計算機仿真是一門隨著計算機的發展而興起的新技術，通過計算機接收操作人員的指令來模擬實際系統的行為，在航天、航空、軍事、電子、機械、化工等行業都有廣泛應用。

作為一門工程科學，化工原理和生產實際聯系緊密，解決大量的工程實際問題，在教學過程中樹立學生的工程觀點和意識，教學模式和教學手段的選擇至關重要。實踐教學在我院課程體系中占有重要地位，較強實際工作能力和社會適應能力的應用型人才是我們秉持的培養目標。隨著科學技術的進步，教學各領域日益廣泛的應用計算機、多媒體、網絡技術，并不斷嘗試教學方法、教學手段的革新，化工原理實驗教學也勢必打破傳統教學思想的禁錮，革新教學手段，改進教學方式，完善教學內容，以適應社會不斷發展的需求，仿真模擬技術日益應用于教學各領域，成為一種發展趨勢。因此，我們將仿真技術引入我院化工原理實驗教學。

3 計算機仿真技術應用于化工原理實驗教學的優勢

化工原理仿真實驗是以真實的實驗原理、實驗現象、實驗過程和實驗數據為基礎，在計算機上通過動態模型模擬實驗現象，通過3D動畫模擬現場真實操作，通過數據處理軟件實時地進行數據處理，產生和真實實驗類似的操作結果。

傳統化工原理實驗設備一般體積較大、占地面積廣、設備購置費用高、運行維護不便，且學生很難做到人手一臺單獨操作。相比較而言，仿真實驗可解決實驗場地、設備數量、課時及師資等方面的限制。與傳統實驗方式相比較，仿真實驗具有以下優勢：

1）仿真實驗投資少，使用維護方便。只需將操作軟件安裝在計算機上，借助電腦展示多媒體示教資源，并進行實驗操作，省去了大規模實驗設備運行維護的人力物力。

2）仿真實驗模塊操作簡便，工藝流程形象逼真。實驗操作只需使用鼠標和鍵盤，整個單元操作工藝流程全部展現在屏幕上，學生可縱觀全局，一目了然。

3）每個學生單獨操作，學生可設計組合實驗裝置，改變實驗設置，突破了實驗設備的局限性，充分調動了學生的學習積極性和創造能力。

4）仿真實驗可實現數據在線自動化處理，節省冗繁計算過程消耗的時間。

5）仿真實驗可以有效避免實驗事故的發生。

4 仿真實驗教學實踐探索

4.1構建實驗室局域網內的化工原理仿真實驗系統

局域網下應用的仿真技術，避免了單系統仿真技術使用的局限性，節約了應用成本，極大發揮了資源的有效利用率。局域網內實現了合作實驗、協作學習，教師機可以采集到每臺學生機的在不同實驗條件下的多組數據結果，通過數據的在線分析和處理得到更科學的實驗結果；還可通過實驗預習在線答題部分，掌握學生們的預習情況，有的放矢地講解實驗內容及理論。

4.2化工原理仿真實驗系統

化工原理仿真實驗操作系統包括化工原理仿真實驗和仿真實驗示教課件兩部分。仿真實驗部分包含管內流動阻力測定實驗、離心泵特性曲線測定實驗、管內強制對流傳熱膜系數的測定、填料塔吸收過程實驗、篩板塔精餾過程實驗、干燥特性曲線測定實驗、萃取實驗，共七個模塊。示教課件是對各模塊操作過程的演示及講解。

4.3實驗教學

以干燥特性曲線測定實驗為例，每個實驗操作模塊分為“實驗預習”和“實驗操作”兩部分（圖1）。在實驗開始前，學生通過實驗預習部分進行自測（圖2），此部分包含10個選擇題，每題10分。答對，屏幕右上角得分框自動加上10分；答錯，不得分，題目下方彈出文本框，給出正確答案和理由。主要考察學生對實驗目的、實驗裝置設備、實驗原理等的理解認識能力。在實驗室局域網內，教師可以掌握每個學生的實驗預習成績及答題情況，有針對性的進行實驗內容講解。

圖1 真實驗開始界面

圖2 實驗預習部分界面

圖3 實驗操作界面

按屏幕上方“實驗操作”選項，進入仿真實驗操作界面（圖3）。按照仿真實驗操作步驟，依次設置實驗條件：調整天平平衡；給濕球溫度計加水；啟動風機；設置空氣流量；設置熱空氣溫度；啟動加熱器；稱量干物料初重；制備濕物料；測量空氣溫度、濕度；進入干燥測試過程（圖4）。通過遞減砝碼及點擊秒表測得一系列濕物料質量隨時間變化的數據，直到濕物料干燥至干物料狀態。

圖4 干燥過程測試初始時刻

按界面上方“數據處理”按鈕，進入數據處理界面（圖5）。依據所得數據繪制干燥特性曲線圖及干燥速率曲線圖。按操作注意事項進行停車操作。

4.4仿真實驗操作系統的優點及缺陷

優點：

（1）幫助功能：在仿真操作過程中，可以利用Windows的多任務操作，在仿真界面和幫助界面進行切換，獲得有關實驗原理、實驗操作步驟、數據處理仿真操作界面等方面的幫助信息。

（2）實驗預習：以選擇題的形式對實驗目的、裝置、原理等基本知識進行測試、解釋及評分。

（3）數據的在線讀取及處理：對基礎實驗數據進行快速的在線處理，并進行分析整合，以表、圖等直觀形式顯示出來。

（4）提示功能：當鼠標箭頭移動至操作界面相應設備裝置或儀表上，屏幕下方自動彈出提示信息條，顯示相應名稱及功能。在操作進行到一定步驟或操作失誤時，系統自動彈出對話框顯示警告信息。

缺陷：

離心泵特性曲線測定實驗模塊灌泵操作關閉進水閥不及時會引起死機；干燥特性曲線測定實驗模塊系統要求數據點較多，對操作要求較高，學生經常出現增減砝碼不及時或者秒表控制不得當的情況，導致漏測數據點，無法正常繪制特性曲線圖；萃取實驗模塊進料閥關閉不及時會引起淹塔，經過長時間調節或者重新啟動程序才能回到正常操作狀態；

5 總結

化工原理仿真實驗教學以真實實驗為基礎，利用網絡計算機等現代化教學手段，吸收先進的教學思想，鞏固加深學生對基本知識的理解和掌握，培養學生理論聯系實際的實踐能力和創新精神，鍛煉學生獨立思考完成任務的能力，樹立學生工程觀點，對整體教學效果的提高具有一定作用。

將仿真技術應用到化工原理實驗教學中，突破了傳統實驗場地、時間、維護人員、安全等實際條件的限制，尤其對于缺乏實驗教學條件的學校，仿真實驗提供了一種行之有效的教學手段。仿真實驗、模擬操作的方式使理論教學與實驗教學更為緊密地聯系在一起，仿真實驗中模擬動畫等素材資源可以作為課堂理論教學的有效補充，既方便了課堂的實驗演示，使得單元操作原理簡單易懂，又充實了課堂內容。

圖5 實驗數據處理界面

[1] 李金云.淺談高校化工原理實驗教學中的計算機輔助教學——仿真實驗[J].濰坊學院學報，2002，2（2）.

[2] 楊郭，顏杰，李玉芝，等.仿真技術在化工原理實驗教學中的應用[J].四川理工學院學報（社會科學版），2007（22）.

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

[4] 程謙偉，孟陸麗，易弋，等.網絡技術在化工原理教學中的應用探討[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

李書啟（1983—），女，山東德州人，教學院長，碩士，講師，研究方向為化學工程。

天津市教育科學“十二五”規劃2012年度青年專項立項課題的階段性研究成果（課題編號：VEYP5012）。