化工仿真在《化工原理》教學中的應用

王明明，游軍杰，劉 曄,李云雁

(武漢輕工大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430023)

1 《化工原理》課程特點及教學現狀

《化工原理》課程綜合運用數學、物理、化學、計算機技術等基礎知識，分析和解決化工類型生產過程中的各種物理操作問題，是一門工程性和實踐性很強的技術基礎課，它擔負著由理及工、由基礎到專業的特殊使命[1-2]。

目前，《化工原理》課程的教學一般由理論環節和實驗環節兩部分構成。理論課程的講授以“說教”式為主，教師首先介紹相關單元操作的特點、工作原理，然后結合抽象的數學模型或繁瑣的公式推導進行計算，并借助例題和習題加以強化。學生在這個環節中感受不到真實的化工生產過程，很難調動自主學習的積極性，可能會出現厭學、反感的情緒，從而對這門課程失去興趣，甚至完全放棄學習這門課程。實驗課程由于教學時數和臺套數的限制，往往多位同學同組完成一些驗證性實驗，因此很難激發學生的積極性和創造性，不利于學生實踐技能和創新能力的提高。

2 化工仿真的特點

化工仿真是化工過程的數學仿真，它的教授是以化學過程的基本規律為基礎依據，并且利用數學建立的模型和方法，將化工的過程生動的展現在計算機上[3]。這一環節一方面是對前期化工原理理論方面的總結概況，另一方面是對后期現場真實操作實踐的鋪墊[4]。

仿真訓練中，教師通過教師站向學生站發出操作指令，并且可以實時監測學生站的操作情況，因此可以詳細了解每一名學生的當前學習情況，進而一定程度上反應學生對理論知識的掌握情況。

借助化工仿真技術，將DCS操作界面和3D操作場景展現在學生面前，相對于理論課上對工藝流程和操作注意事項枯燥無味的講解，這種借助視覺、聽覺及觸覺上認知和熟悉操作現場[5]讓學生對設備裝置、工藝指標的控制等，都有更深刻的理解和認知[6]，從而提高學生分析和解決問題的能力，使他們在現場有更強的應變能力。

3 化工仿真在《化工原理》課程教學中的作用

3.1 改進教學方法

學生根據所學理論知識和老師的演示指導進行仿真操作，操作時每人一臺電腦，并且每個同學可以設置不同的實驗任務，自己調整實驗參數。以固體干燥為例，給定一個實驗任務，需要將某一濕物料的水含量從w1降到w2，學生可以自己選擇濕物料的總質量，干燥介質的初始狀態，經預熱后進干燥器的狀態，風機風量等等參數。在這個過程中，學生在老師的主導下帶著問題和任務自主地進行學習，完全避免了學生分組實驗時“吃大鍋飯”的心理，給學生充分發揮的空間，讓學生自己設計實驗，極大促進了學生自主學習能力的培養，提高了學生在學習活動中的創新能力和獨立思考能力。

3.2 提高學習效率

傳統實驗模式需要花費較多時間，比如精餾操作，配制原料液加入精餾塔釜，經加熱到達系統穩定需要數十分鐘，通過仿真軟件可以將時間進度按比例調整，極大縮短了穩定時間。通過仿真軟件，學生可以改變操作條件，采集大量的實驗數據，得到更多規律性的數據變化趨勢。此外，借助仿真軟件實驗數據的自動處理和結果分析，可以大大節省處理數據的時間[7]。因此，相對傳統實驗模式而言，仿真軟件減少了大量枯燥、乏味的重復步驟和雷同的操作過程[4]，提高了學生的學習效率，使學生有更多的時間和精力綜合地考量和分析實驗過程和實驗結果，提高了學生學習的積極性和主動性。

3.3 改革課程考核方式

標準試題化考試一直是主導性的考核方式，其本質是將具體工程問題抽象化和模型化，從而使問題解決途徑單一化和標準化，其優點是在統一標準下評價被考核者，能夠獲得定量化的學習效果評價，但其“重知識、輕能力”的局限性十分突出，為此產生了許多課程考核方式的改革，包括辯論、作報告、寫論文等等，以強化“能力”方面的考評。這些評價方法的改革能夠啟發學生的學習積極性和主動性[8]，然而這些考核方式通常只能提供較為主觀的定性評價結果，難以獲得客觀的定量評價結論。

針對課程考核方式的現狀，借助化工仿真軟件可以建立標準任務考核環境，并根據學生在任務目標導向下實施調控所得的工藝參數及調節思路來建立客觀指標的定量化評價。考核有三個方面的任務：設備操作、參數計算及調節改造。以氣體吸收為例，首先根據任務要求設置參數將吸收塔運行到穩定狀態，接著利用吸收操作運行到穩態時獲得的數據來計算塔設備參數和傳質參數，最后是動態調節，往往是因為某種目標的變化，比如尾氣含量、吸收率等發生變化，需要調控，既可以對設備進行調控也可以對操作條件進行調控，所以這個環節是開放性的。這三個步驟和考核的三個任務是一一對應的，由此建立了一個客觀的定量化評價方式。

4 結論

化工仿真在化工教學中的應用可以優化教學過程，改進教學方法，不僅能提高學生學習的效率，而且強調學生的主體地位，促進學生自主學習，提高學生學習的積極性和創造性，對培養“重能力”的化工儲備人才具有重要的作用。