G-A-C聯合使用在化工原理模擬教學中的研究

于 鵬

(黑龍江廣播電視大學 糧油食品學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

近年來仿真模擬技術日漸火熱，仿真模擬在眾多領域已經占有一席之地，并且該技術已經被美國國防部定義為22項未來發展的關鍵技術之一[1-2]。模擬技術在實際應用中具有占地空間小、針對性強、成本低、反應直觀迅速等特點，因此如何將模擬技術引入教學已經成為教學領域的新熱點問題。

但是，在實際應用過程中，往往個別軟件具有局限性，無法完全發揮其全部作用。例如,化工領域中比較流行的Aspen Plus，該軟件是美國麻省理工學院于20 世紀70 年代后期研制開發的大型化工模擬軟件，被公認為世界性大型化工標準流程模擬軟件，自身附帶有較完整的物性參數和各種模型(如反應模型、精餾模型等)，能根據工藝的特點，精確計算，廣泛適用于精餾、吸收、反應等化工生產過程[3-4]具有化工流程模擬，和化學反應模擬的作用，但在實際應用中由于其資源庫限制，庫中的化合物種類并不能完全符合化工模擬的所有要求，本課題組在實際教學探索中應用了基團貢獻法和分子鍵能計算法對所需化合物資源進行了模擬補充，但是由于計算量大，誤差的存在不可避免，影響了教學使用效率。

本文主要針對化工原理課程實驗繁瑣，計算量大且復雜的特點對化工模擬教學進行探索研究。研究發現眾多模擬軟件具有互補和兼容的效果，如，ChemOffice軟件中的Chem3D模塊除了具有化合物命名、3D分子模型顯示以外，還具備強大的計算功能。計算范圍包括鍵長、鍵角、二面角、分子間距離、分子所在空間的基本計算。還能結合MM2、MOPAC、Gaussian等程序進行分子力學和量子力學的計算，甚至對分子進行動力學擬、化合物構象分析和過渡態能量優化[5],而Gaussian 是一個強大的量子化學軟件包可以執行分子化學性質的理論預測，化學過渡態的能量與幾何結構計算，鍵能與化學反應能計算等復雜計算[6]。

1 Aspen Plus在化工教學中的實用性分析

1.1 提升化工教學中的趣味性

模擬教學由于圖形直觀，分子結構和分子反應過程可以直觀立體化呈現，在高職高專的教育教學中可以提升教學主動性，讓學生積極參與，截止目前已經眾多高校舉辦了模擬教學的學生操作技能大賽，效果顯著。

1.2 工藝流程直觀性

Aspen Plus 數據庫中為用戶提供了五十幾種單元操作模型，如精餾、閃蒸、混合、壓縮、換熱反應等，通過各類模型的有機組合，可建立用戶所需的模擬流程。在實際使用和操作中這種單元花的操作方式，省時省力，而且該軟件在單元數據庫中提供了極其豐富的設備結構圖形和立體圖形，為用戶使用帶來極大便利；為教育教學提供了必要條件。

1.3 提升學生自由發揮能力

Aspen Plus 軟件提供了便捷、友善的用戶界面，以交互式圖形界面(GUI)來定義問題、控制計算和靈活地檢查結果。用戶在窗口環境中可使用鼠標和鍵盤操作，用戶可以根據屏幕提示以填充式的表格方式填入數據，產生報告，定義圖表和流程。用戶通過Model Manager 數據輸入后，即可模擬計算，以交互方式分析計算結果，省去了學生在學習中大量的計算量，并且可以保證計算過程中的準確性，減少誤差的存在。

2 G-A-C軟件聯合使用的必要性分析

2.1 Aspen Plus在教學和研究中的局限性

Aspen Plus雖然擁有諸多優點，但作者在實際應用過程中對于相當一部分有機化合物的數據庫不夠全面，比如作者在模擬一些酰化反應時發現，相當一部分酚類化合物在該軟件中沒有數據提供，但在Aspen Plus中可以通過提供分子結構和分子鍵能的方式進行模擬，在實際操作過程中由于基團貢獻法誤差較大，對于每次模擬都會產生較大誤差，對于模擬結果的準確性產生影響。

2.2 幾種軟件聯合使用的拓展性分析

通過反復研究使用發現在ChemOffice的圖形界面和Gaussian的圖形界面中都提供了gif格式圖形并且可以全接口兼容，如此對于一些不常見的化合物可以通過ChemOffice進行分子畫圖，雖然在Gaussian view5.0中也提供了分子制圖，但對于不熟悉分子鍵長鍵角的學生存在一定困難，而ChemOffice提供了分子制圖后的分子結構優化，省去了不必要的麻煩。通過分子制圖后利用Gaussian模擬分子性質并提供給Aspen Plus可以全數據對接，如此為不常見的化學反應模擬，化工反應模擬帶來極大便利。

圖1 課堂案例分析應用框架

3 討論

目前，模擬教學已經日益被眾多高校所重視，但是在模擬軟件開發和應用的技術手段上，我們還在不斷的探索和開發，

例如Autodock 的分子對接技術、pymol的蛋白質模擬技術等等都應該在課堂上更好的應用展現，而不僅僅拘泥于學術研究，軟件的利用可以給學生更多的圖形展示和模擬動態展示，既減少了教師的口述和繪圖任務，還大大提高了課堂的生動性、直觀性，對復雜的教學內容提高其帶入感。

4 結論

通過模擬軟件在課堂中的有效應用，大大提升了教學效率,更有利于加深學生對結構化學知識的了解。因此,我們應努力發掘和運用這類專業的化學軟件,讓其在化學教學的過程中得到推廣并發揮其更大作用。

[1] 熊杰明，李江保.化工流程模擬Aspen Plus 教程[M].2 版.北京: 化學工業出版社，2015.

[2] 陳聲宗.化工設計[M].北京: 化學工業出版社，2012.

[3] 王廣全，李肖華，張智亮.Aspen Plus軟件在化工原理課程設計中的應用[J].化工高等教育，2015，32(2)：60-63.

[4] 方立國.化工過程分析與合成課程教學模式改革實踐研究[J].廣州化工，2010(7):280-282.

[5] 周公度,段連云.結構化學基礎[M].3版.北京:北京大學出版社,2008.

[6] 陳佩東，郭藴萍，黃 燕.Gaussian view在紅外光譜教學中的應用[J].光譜實驗室，2010,27(1)：55-57.

(本文文獻格式：于鵬.G-A-C聯合使用在化工原理模擬教學中的研究[J].山東化工,2018,47(7):142,144.)