可视化化工计算教学软件的自主开发

2014-07-19张伟俞洁朱捷

考试周刊 2014年41期

张伟俞洁朱捷

摘要：作者用Visual Basic软件自主开发了一套适用于化工热力学和化工原理实验本科教学的化工计算教学软件，基本完成了这两门学科本科阶段中的各类复杂计算，且该程序与专业软件相比，加入了很多教学引导的功能，兼具计算应用功能和教学功能，适合化工专业的本科生或化工相关知识的初学者使用，对化工专业相关课程教学起到良好的辅助作用，并经本校化工专业学生试用，效果良好。

关键词：化工计算 VisualBasic 软件开发

化工计算通常是很复杂的，化工专业的多门课程，如化工热力学、分离工程、化工原理实验等，都牵涉到大量的化工计算。这些课程是学生在学习过程中非常畏惧的，同时，复杂的计算是老师在讲授过程中的一大难题。复杂的化工计算过程，通常都是通过计算机程序实现的，在这方面，还没有一个能够很好地满足广大师生教学需要的软件，这就给教学带来比较大的困难。

对于高校教学来说，需要程序实现两个功能：一是计算功能，二是教学功能，即学生在使用软件的计算过程中，软件可以提供适当的提示、注释、指导，达到计算和教学的双重目的。目前，针对化工计算的成熟软件，如Aspen Plus等，主要针对的是化工行业的工作者和有一定基础的研究人员，其功能以计算为主，使用者并不能通过软件了解各类计算的详细原理和方法，不能对化工专业的学生或是初学者起到作用。而且，此类软件使用费非常昂贵，一年的使用费就需上万元，超出很多高校、科研机构的承受范围。因此，自主开发一套简单实用、适合于本科教学的化工计算软件具有非常重要的意义。一旦软件开发成功，则既能强化教学效果，又能节省资金。

笔者自主开发了一套适用于化工热力学和化工原理实验本科教学的化工计算软件，基本完成了该学科本科阶段中的各类复杂计算，同时，用程序处理化工计算过程，可以让学生的精力从繁复的计算过程中解放，更多地关注计算原理和实验内容本身，从而对教学起到积极的辅助作用，达到良好的教学效果。

1.软件的主要内容

本程序以Visual Basic为工具开发的具有可视化界面的化工计算程序。该程序可直接在windows操作平台使用，界面友好，操作简单，运行可靠稳定。内容包括《化工热力学》课程中大部分较为复杂的计算程序，以及一些重要的化工原理实验的数据处理程序。此外，本程序的帮助部分还提供了软件使用的视频说明，可解答学生在使用中的问题，帮助学生更深刻地理解课程内容。

2.程序的结构及主要功能

本程序用VB语言编写，运行操作系统环境是windowsXP/windows7/windows8操作系统。通过主界面进入科目选择（化工热力学或化工原理实验），并选择要计算的内容，输入相应数据或参数，即可获得计算结果，并根据用户需要，提供计算的流程图、详细步骤和原理提示性文字等，达到人机互动的效果。程序结构如图1所示：

图1 软件流程图

程序的主界面分为标题栏、菜单栏、工具栏、工作区和状态栏。其中，菜单栏里的各项的内容包括：系统、科目选择、设置字体、显示、工具、帮助等选项，具体功能如下：

2.1化工热力学计算模块

化工热力学计算模块主要包括：真实气体及混合物状态方程（EOS）的计算、真实气体逸度及逸度系数的计算、真实液体混合物活度系数的计算和气液平衡体系泡露点的计算四个部分，每部分有几个不同的分支，在科目选择界面选择相应选项进入计算界面。

考虑到化工热力学所涉及的计算问题较复杂，计算工作量大，且待解变量之间的关系往往不能用显函数形式表达，需要用迭代计算，因此学生在实际学习过程中往往会迷失在局部的计算中，难以把握整个计算的流程。作为一款教学软件，本软件在设计时有以下特色。

2.1.1加入了“查看流程图”的按钮。此按钮的目的是让使用者（学生）在计算过程中随时查看整个计算的思路，了解计算过程中每个参数的意义。

2.1.2可供选择的计算模式。对于部分需要迭代运算的过程，程序提供了“自动迭代”和“手动迭代”两种模式。对于化工专业的从业人员、老师和对原理比较熟悉的学生，可以选择“自动迭代”，程序会尽可能地减少中间的停顿次数（需要进一步输入参数除外），直接给出最后的计算结果，这种模式适合以应用、研究为目的的计算。如果是初学者，如刚接触化工热力学课程的化工专业学生，则可以选择“手动迭代”。此时程序会在必要时暂停并弹窗，对已完成的计算进行简单的解释，并对下一步的计算给出必要的提示，让使用者参与到计算的步骤中，加深对相关知识点的理解。

2.1.3具体计算步骤的显示。程序中大多数的复杂计算都是在后台完成的，最后呈现在使用者面前的仅仅是一个最后结果。程序在计算结束后提供了“是否查看计算（迭代）过程”的选项，点击“是”后可以查看具体的数据处理过程，如迭代次数和每一步迭代的结果等。

以本模块下的“RK方程”计算程序为例：

进入此界面时，用户可选择迭代方式，并在对应的文本框里输入方程的参数，点击“计算”按钮。如果选择的是“自动迭代”，则程序将自动进行迭代计算，并在计算结束后弹窗询问是否查看迭代过程，用户可根据自身需要选择是否查看。自动迭代的数据可以保存至txt文本，方便用户查看。

若选择手动迭代，点击“计算”按钮后，会弹出提示窗口，用户按照提示进行下一步操作，每次点击“计算”按钮后，都会出現提示窗口，引导使用者逐步完成整个计算过程。用户熟练使用后，可选择不再显示该提示窗口。

此外，在程序运行的任何时候，随时都可点击“计算流程图”，查看计算的基本步骤，方便使用者深入理解方程的原理。

2.2化工原理实验计算模块

化工原理计算模块包括：传热实验、干燥速率曲线测定、恒压过滤常数测定、离心泵特性曲线测定、流体流动阻力的测定、CO2吸收实验、转盘塔萃取实验等七个实验。

在化工原理实验模块中，主界面为数据输入、输出窗口，并附有装置图，提供实验管路模型的直观展示。使用者点击上方菜单栏的“设置实验参数”，或者直接在工具栏点击“设置”按钮，设置好实验参数后，在数据输入窗口中输入实驗数据，点击计算，即可自动输出实验结果。化工原理实验相对而言计算本身并不是很复杂，其更重视的是对实验原理的理解。因此，本软件区别于其他数据处理软件的特色在于计算完成后的“显示数据处理过程”。以传热实验为例：

在本实验的处理程序中，可以解决以下问题：

2.2.1计算出冷、热流体在相应温度下的比热容。

2.2.2在实验条件流量下，计算出单位时间冷流体吸收的热量、热流体传递的热量。

2.2.3计算出流体的对数平均传热动力。

2.2.4计算出传热系数K。

2.2.5查看数据处理的详细步骤。

2.3其他功能

2.3.1字体：主要用于设置化工原理实验数据处理结果的字体相关属性，方便查看。

2.3.2显示原始数据：在显示实验数据处理结果（过程）后，显示原始数据。

2.3.3调用程序：用于化工热力学方程之间的调用，求出必要的参数。

2.3.4数据处理结果（过程）的保存：将化工热力学方程参数、计算结果、迭代过程保存于txt文件。

2.3.5操作提示：软件在必要的地方弹出窗口，提示用户下一步操作。