计算机仿真技术应用于化工原理实验教学的实践与思考

（天津天狮学院，301700）

计算机仿真技术应用于化工原理实验教学的实践与思考

李书启，韩希凤

（天津天狮学院，301700）

随着科技发展，计算机仿真技术的应用日益广泛。化工原理是一门重要的专业基础课，将计算机仿真技术引入化工原理实验教学，在教学实践中不断思考和总结，化工仿真实验具有节省教学资源、提高学生学习兴趣、丰富教学手段，增强教学效果的显著优势。

计算机仿真技术；化工原理；实验教学

1 化工原理课程的地位

化工原理是我院生物工程、食品科学与工程专业的一门重要的专业基础课，为后续专业课学习奠定基础。课程的主要内容是研究化工生产中的各主要单元操作及典型设备的基本原理和计算方法，强调“工程”观点，具有很强的实践性。实践教学在学生能力的培养和综合素质的提高方面有其独特作用。化工原理实验不同于化学实验过程，具有工程特点。化工原理实验教学能够直观形象地展示各单元操作的特点，加深学生对典型设备的认识，使理论和实际相结合，进行工程知识的熏陶，培养学生的工程观点及运算、设计能力，提高学生综合素养，使他们不仅能从事实验室工作，更能解决工程实际问题。因此，实验教学在本课程教学中占有重要地位。

2 仿真技术及计算机仿真应用于化工原理实验教学的必要性

仿真是利用系统模型对真实系统的本质和规律进行研究、分析和实验的方法。计算机仿真是一门随着计算机的发展而兴起的新技术，通过计算机接收操作人员的指令来模拟实际系统的行为，在航天、航空、军事、电子、机械、化工等行业都有广泛应用。

作为一门工程科学，化工原理和生产实际联系紧密，解决大量的工程实际问题，在教学过程中树立学生的工程观点和意识，教学模式和教学手段的选择至关重要。实践教学在我院课程体系中占有重要地位，较强实际工作能力和社会适应能力的应用型人才是我们秉持的培养目标。随着科学技术的进步，教学各领域日益广泛的应用计算机、多媒体、网络技术，并不断尝试教学方法、教学手段的革新，化工原理实验教学也势必打破传统教学思想的禁锢，革新教学手段，改进教学方式，完善教学内容，以适应社会不断发展的需求，仿真模拟技术日益应用于教学各领域，成为一种发展趋势。因此，我们将仿真技术引入我院化工原理实验教学。

3 计算机仿真技术应用于化工原理实验教学的优势

化工原理仿真实验是以真实的实验原理、实验现象、实验过程和实验数据为基础，在计算机上通过动态模型模拟实验现象，通过3D动画模拟现场真实操作，通过数据处理软件实时地进行数据处理，产生和真实实验类似的操作结果。

传统化工原理实验设备一般体积较大、占地面积广、设备购置费用高、运行维护不便，且学生很难做到人手一台单独操作。相比较而言，仿真实验可解决实验场地、设备数量、课时及师资等方面的限制。与传统实验方式相比较，仿真实验具有以下优势：

1）仿真实验投资少，使用维护方便。只需将操作软件安装在计算机上，借助电脑展示多媒体示教资源，并进行实验操作，省去了大规模实验设备运行维护的人力物力。

2）仿真实验模块操作简便，工艺流程形象逼真。实验操作只需使用鼠标和键盘，整个单元操作工艺流程全部展现在屏幕上，学生可纵观全局，一目了然。

3）每个学生单独操作，学生可设计组合实验装置，改变实验设置，突破了实验设备的局限性，充分调动了学生的学习积极性和创造能力。

4）仿真实验可实现数据在线自动化处理，节省冗繁计算过程消耗的时间。

5）仿真实验可以有效避免实验事故的发生。

4 仿真实验教学实践探索

4.1构建实验室局域网内的化工原理仿真实验系统

局域网下应用的仿真技术，避免了单系统仿真技术使用的局限性，节约了应用成本，极大发挥了资源的有效利用率。局域网内实现了合作实验、协作学习，教师机可以采集到每台学生机的在不同实验条件下的多组数据结果，通过数据的在线分析和处理得到更科学的实验结果；还可通过实验预习在线答题部分，掌握学生们的预习情况，有的放矢地讲解实验内容及理论。

4.2化工原理仿真实验系统

化工原理仿真实验操作系统包括化工原理仿真实验和仿真实验示教课件两部分。仿真实验部分包含管内流动阻力测定实验、离心泵特性曲线测定实验、管内强制对流传热膜系数的测定、填料塔吸收过程实验、筛板塔精馏过程实验、干燥特性曲线测定实验、萃取实验，共七个模块。示教课件是对各模块操作过程的演示及讲解。

4.3实验教学

以干燥特性曲线测定实验为例，每个实验操作模块分为“实验预习”和“实验操作”两部分（图1）。在实验开始前，学生通过实验预习部分进行自测（图2），此部分包含10个选择题，每题10分。答对，屏幕右上角得分框自动加上10分；答错，不得分，题目下方弹出文本框，给出正确答案和理由。主要考察学生对实验目的、实验装置设备、实验原理等的理解认识能力。在实验室局域网内，教师可以掌握每个学生的实验预习成绩及答题情况，有针对性的进行实验内容讲解。

图1 真实验开始界面

图2 实验预习部分界面

图3 实验操作界面

按屏幕上方“实验操作”选项，进入仿真实验操作界面（图3）。按照仿真实验操作步骤，依次设置实验条件：调整天平平衡；给湿球温度计加水；启动风机；设置空气流量；设置热空气温度；启动加热器；称量干物料初重；制备湿物料；测量空气温度、湿度；进入干燥测试过程（图4）。通过递减砝码及点击秒表测得一系列湿物料质量随时间变化的数据，直到湿物料干燥至干物料状态。

图4 干燥过程测试初始时刻

按界面上方“数据处理”按钮，进入数据处理界面（图5）。依据所得数据绘制干燥特性曲线图及干燥速率曲线图。按操作注意事项进行停车操作。

4.4仿真实验操作系统的优点及缺陷

优点：

（1）帮助功能：在仿真操作过程中，可以利用Windows的多任务操作，在仿真界面和帮助界面进行切换，获得有关实验原理、实验操作步骤、数据处理仿真操作界面等方面的帮助信息。

（2）实验预习：以选择题的形式对实验目的、装置、原理等基本知识进行测试、解释及评分。

（3）数据的在线读取及处理：对基础实验数据进行快速的在线处理，并进行分析整合，以表、图等直观形式显示出来。

（4）提示功能：当鼠标箭头移动至操作界面相应设备装置或仪表上，屏幕下方自动弹出提示信息条，显示相应名称及功能。在操作进行到一定步骤或操作失误时，系统自动弹出对话框显示警告信息。

缺陷：

离心泵特性曲线测定实验模块灌泵操作关闭进水阀不及时会引起死机；干燥特性曲线测定实验模块系统要求数据点较多，对操作要求较高，学生经常出现增减砝码不及时或者秒表控制不得当的情况，导致漏测数据点，无法正常绘制特性曲线图；萃取实验模块进料阀关闭不及时会引起淹塔，经过长时间调节或者重新启动程序才能回到正常操作状态；

5 总结

化工原理仿真实验教学以真实实验为基础，利用网络计算机等现代化教学手段，吸收先进的教学思想，巩固加深学生对基本知识的理解和掌握，培养学生理论联系实际的实践能力和创新精神，锻炼学生独立思考完成任务的能力，树立学生工程观点，对整体教学效果的提高具有一定作用。

将仿真技术应用到化工原理实验教学中，突破了传统实验场地、时间、维护人员、安全等实际条件的限制，尤其对于缺乏实验教学条件的学校，仿真实验提供了一种行之有效的教学手段。仿真实验、模拟操作的方式使理论教学与实验教学更为紧密地联系在一起，仿真实验中模拟动画等素材资源可以作为课堂理论教学的有效补充，既方便了课堂的实验演示，使得单元操作原理简单易懂，又充实了课堂内容。

图5 实验数据处理界面

[1] 李金云.浅谈高校化工原理实验教学中的计算机辅助教学——仿真实验[J].潍坊学院学报，2002，2（2）.

[2] 杨郭，颜杰，李玉芝，等.仿真技术在化工原理实验教学中的应用[J].四川理工学院学报（社会科学版），2007（22）.

[3] 孙炜，唐正姣，陈中.浅谈在化工原理教学中对学生工程观念的培养[J].化工高等教育，2004（2）.

[4] 程谦伟，孟陆丽，易弋，等.网络技术在化工原理教学中的应用探讨[J].广东化工，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

李书启（1983—），女，山东德州人，教学院长，硕士，讲师，研究方向为化学工程。

天津市教育科学“十二五”规划2012年度青年专项立项课题的阶段性研究成果（课题编号：VEYP5012）。