化工仿真在化工專業教學中的應用

胡磊，胡紫芳(浙江工程設計有限公司，浙江 杭州 310002)

1 概述

1.1 仿真技術

1950年之后，仿真技術開始在多個技術領域中得到廣泛應用，如化工領域和水力領域等。近年來，仿真技術應用更加廣泛，在社會經濟發展中發揮十分重要的作用。目前，仿真技術已經取得顯著的發展，在軍事領域、農業生產領域等發揮著不可替代的作用。

1.2 計算機仿真技術

計算機仿真，指采用電子計算機對人的思維行為以及思維過程進行模仿。計算機仿真具備低成本、高效率的特征，所以計算機仿真對仿真技術發展具有很大的積極作用。1950年之后，現代電子計算機的誕生促使數字仿真和計算機模擬在人們的生活中得到廣泛應用，成為多個領域中不可或缺的一部分，例如軍事領域等。20世紀末期，計算機軟硬件技術取得飛速進步，促使計算機仿真在多個領域中得到廣泛應用。

1.3 化工仿真技術

化工仿真技術，是建立在計算機軟硬件系統之上的，模擬的基礎和對象為實際生活中的儀器設備和化工工藝等，利用計算機軟件對設備的工藝流程和操作流程進行模擬。

在教育教學以及企業培訓中，化工仿真技術應用的非常普遍。從1980年之后，國內外積極研發計算機仿真系統，該系統被廣泛應用在企業的培訓中。近些年，計算機軟硬件水平取得十分顯著的發展，從而促進了化工仿真技術的快速發展，從傳統的二維仿真進一步拓展到虛擬現實(Virtual Reality，VR)、3D可視化中。

2 化工仿真在教學上的作用及意義

21世紀之后，在科學技術方面取得了飛速進步。現代化工生產具有原料及產品眾多、工藝復雜以及生產規模大等特征，促使生產過程向實現智能化和規模化發展；此外，政府和企業對安全生產有著比較高的要求；同時，化工生產要求化工從業人員要具備較高的職業素質和操作技能。對于傳統的培訓方式來說，已無法順應現代化工的需求。應用化工仿真技術能夠對生產設備的運行以及故障等進行模擬，此外，除了計算機之外，不用再追加硬件投資，不但使得教學和培訓變得更加的安全，還使得教學的效率得到顯著提升。仿真技術在化工實踐教學中的應用效果具體表現為：

(1)獲取概念。仿真技術運用計算機圖形技術動畫展示仿真模型實體的運動狀況，促使教和學能夠相互配合。因為利用動畫展示，促使人們能夠在屏幕上觀看仿真系統的具體運行情況，能夠對實踐情況有一個全新的認識，使人們在屏幕上就能直接觀看到操作中存在的錯誤，使得學生可以對系統形成更加全面的認識。

(2)加強激勵。對于計算機仿真輔助訓練來說，采用人機對話可以及時收到信息反饋，進而對學生的學習速度和進度做出合理的調整，不但可以增加教學力度，同時還能引導學生主動聽講，能夠積極的接受教師傳授的知識，使得教學效果更加的明顯。仿真訓練合理地采用程序化教學模式，因材施教，進而更好地指導現代化教育。仿真訓練評分利用反饋控制和控制規律是相吻合的[1]。

(3)訓練智能。化工仿真體現了多個學科的研究水平，其中包含數字仿真技術、模擬工程、計算機工程、控制工程以及應用工程，具有非常高的應用價值和技術含量。化工仿真是對化工系統進行模擬，學員不用到工廠就可以利用電子網絡就能進行管理和操作，幫助學員了解、思考生產中的組分、壓力以及流量等數據，使學生學會從本質上看問題，進一步提升學生的認知能力，并使學生的綜合分析能力顯著提升。

(4)培養創造性。仿真培訓使得學生對操作控制方案的探索能夠得以實現，促使學生能夠利用仿真系統重新設計操作方案，能夠對未知事物形成更加全面的認識，使學生能夠進行獨立的思考。仿真培訓屬于一項創造性的活動。

3 化工仿真在化工教學中的應用

3.1 化工原理實驗仿真

化工原理和化工工藝的操作過程、設備用途和構造以及基本原理等存在十分密切的聯系；在操作和驗證時，需要進行10多個實驗才能完成。化工原理實驗仿真結合實際的操作流程，使得學生可以全面地了解。

部分院校由于受到資金等因素的影響，校園內不具備化工原理實訓設備，學生不能進行實際操作。化工原理實驗仿真能夠很好的解決這一問題。比如，東方仿真軟件提供的化工原理實驗仿真多達10余個，例如精餾塔等。利用仿真能夠使學生可以更清楚地了解化工設備的實際操作以及化工原理基礎理論[2]。

3.2 化工單元操作仿真

化工單元操作課程教授的內容主要是化工生產中的單元操作，例如精餾和流體輸送等常識。學生通過學習化工單元操作知識，可以有效地了解設備以及單元操作有關的基本理論，進而對化工設備操作辦法有一個更加全面的認識，例如停車、排除故障以及開車等。利用仿真技術可以在計算機上模擬典型設備以及化工單元等，學生利用仿真操作能夠對化工生產相關知識形成正確的認知，如單元操作技術以及單元操作原理等，這些都是一些常用的知識。采用化工仿真技術可以有效地解決學生在實際訓練中面臨的問題，減少硬件投入，促使學生的學習效率得到顯著提升。

3.3 化工工藝仿真

化工工藝課程教授的內容主要是典型的化工生產工藝，對典型化工產品的生產原理和化工過程進行介紹。學生通過對典型化工產品排除故障方法以及生產工藝操作等知識的學習，進而對化工生產形成全面的認識。化工工藝課的學習內容存在特殊性，因此在學校不便開展實際訓練，一般情況下都是在企業中進行實際操作。利用計算機仿真技術模擬典型的化工產品生產工藝，學生可以通過計算機操作有效地了解生產原理等知識。當前計算機技術快速發展，并已取得顯著成績，比如3D技術等已經被廣泛應用在人們的生活中，使得仿真的仿真程度和實時性得到有效提升，進而能夠使學生接受到更好的培訓和教學效果。如合成氨工藝仿真等[3]。

3.4 大型儀器操作仿真

儀器分析課程簡單地介紹了化學化工中常用的分析儀器的操作方法。其中，儀器分析實驗在課程中占據著很重要的地位。對于儀器分析實驗仿真而言，其指的是采用計算機仿真技術模擬儀器分析的實際操作環節和實際操作，學生采用計算機仿真技術進行實際操作訓練，可以對設備操作技能有一個簡單的認識。

此外，就學校和企業而言，將化工仿真應用于化工教學中，還可以協調和解決設備數量和學員數量之間存在的供需矛盾，進而使得多項培訓和教學任務可以順利的完成。

4 化工仿真應用中的相關問題探討

在教學中運用仿真系統可以與實際生產過程相互結合，組織學生到企業進行實踐，然后借助仿真教學，學生通過利用計算機進行操作，能夠有效地彌補在企業中無法親自動手的缺陷。就仿真實踐教學來說，能把實訓內容分成多個單元，按照一定的順序層層遞進，使學生能夠進行操作實訓，從而掌握產品生產的實際操作流程。仿真教學能夠讓學生人人都擁有仿真動手操作的機會，可以在短時間內積累一定的操作經驗，使得學生解決實際問題的能力得到顯著提升[4]。在仿真教學中應需要重視：第一，相似程度比較高的專業盡可能的使用統一的實習操作流程，以便后續更好地開展評價和交流工作；盡可能的減少重復開發的現象，能夠節省實習經費。第二，利用計算機可以固化仿真操作系統中的工藝參數，其調節和控制都只能在計算機軟件的特定區域內產生作用，然而實際生產工藝參數的變化情況和相關性相對來說比較復雜，教師在教學過程中需要重視教學態度，讓學生對教學內容形成正確的認識，避免學生存在錯誤認知。

5 結語

化工仿真實訓可以極大地提升學生的實踐操作能力，豐富學生的理論知識，促使學生能夠對化工仿真形成一個正確的認識，促使學生的實踐操作水平能夠得到顯著提升，學生能夠自主進行操作，可以獨自完成整個操作流程，在教學中合理的采用化工仿真技術，對于提升學生的操作技能水平以及優化實驗實訓環境將發揮積極的作用。化工仿真實訓屬于一種全新的教學方法，其能夠極大地提升學生接受知識的效率，使得學生能夠學習到更多的相關知識，其應用前景將非常廣泛。