化工仿真在《化工原理》教学中的应用

2019-02-16王明明游军杰李云雁

山东化工 2019年24期

王明明，游军杰，刘晔,李云雁

(武汉轻工大学化学与环境工程学院，湖北武汉 430023)

1 《化工原理》课程特点及教学现状

《化工原理》课程综合运用数学、物理、化学、计算机技术等基础知识，分析和解决化工类型生产过程中的各种物理操作问题，是一门工程性和实践性很强的技术基础课，它担负着由理及工、由基础到专业的特殊使命[1-2]。

目前，《化工原理》课程的教学一般由理论环节和实验环节两部分构成。理论课程的讲授以“说教”式为主，教师首先介绍相关单元操作的特点、工作原理，然后结合抽象的数学模型或繁琐的公式推导进行计算，并借助例题和习题加以强化。学生在这个环节中感受不到真实的化工生产过程，很难调动自主学习的积极性，可能会出现厌学、反感的情绪，从而对这门课程失去兴趣，甚至完全放弃学习这门课程。实验课程由于教学时数和台套数的限制，往往多位同学同组完成一些验证性实验，因此很难激发学生的积极性和创造性，不利于学生实践技能和创新能力的提高。

2 化工仿真的特点

化工仿真是化工过程的数学仿真，它的教授是以化学过程的基本规律为基础依据，并且利用数学建立的模型和方法，将化工的过程生动的展现在计算机上[3]。这一环节一方面是对前期化工原理理论方面的总结概况，另一方面是对后期现场真实操作实践的铺垫[4]。

仿真训练中，教师通过教师站向学生站发出操作指令，并且可以实时监测学生站的操作情况，因此可以详细了解每一名学生的当前学习情况，进而一定程度上反应学生对理论知识的掌握情况。

借助化工仿真技术，将DCS操作界面和3D操作场景展现在学生面前，相对于理论课上对工艺流程和操作注意事项枯燥无味的讲解，这种借助视觉、听觉及触觉上认知和熟悉操作现场[5]让学生对设备装置、工艺指标的控制等，都有更深刻的理解和认知[6]，从而提高学生分析和解决问题的能力，使他们在现场有更强的应变能力。

3 化工仿真在《化工原理》课程教学中的作用

3.1 改进教学方法

学生根据所学理论知识和老师的演示指导进行仿真操作，操作时每人一台电脑，并且每个同学可以设置不同的实验任务，自己调整实验参数。以固体干燥为例，给定一个实验任务，需要将某一湿物料的水含量从w1降到w2，学生可以自己选择湿物料的总质量，干燥介质的初始状态，经预热后进干燥器的状态，风机风量等等参数。在这个过程中，学生在老师的主导下带着问题和任务自主地进行学习，完全避免了学生分组实验时“吃大锅饭”的心理，给学生充分发挥的空间，让学生自己设计实验，极大促进了学生自主学习能力的培养，提高了学生在学习活动中的创新能力和独立思考能力。

3.2 提高学习效率

传统实验模式需要花费较多时间，比如精馏操作，配制原料液加入精馏塔釜，经加热到达系统稳定需要数十分钟，通过仿真软件可以将时间进度按比例调整，极大缩短了稳定时间。通过仿真软件，学生可以改变操作条件，采集大量的实验数据，得到更多规律性的数据变化趋势。此外，借助仿真软件实验数据的自动处理和结果分析，可以大大节省处理数据的时间[7]。因此，相对传统实验模式而言，仿真软件减少了大量枯燥、乏味的重复步骤和雷同的操作过程[4]，提高了学生的学习效率，使学生有更多的时间和精力综合地考量和分析实验过程和实验结果，提高了学生学习的积极性和主动性。

3.3 改革课程考核方式

标准试题化考试一直是主导性的考核方式，其本质是将具体工程问题抽象化和模型化，从而使问题解决途径单一化和标准化，其优点是在统一标准下评价被考核者，能够获得定量化的学习效果评价，但其“重知识、轻能力”的局限性十分突出，为此产生了许多课程考核方式的改革，包括辩论、作报告、写论文等等，以强化“能力”方面的考评。这些评价方法的改革能够启发学生的学习积极性和主动性[8]，然而这些考核方式通常只能提供较为主观的定性评价结果，难以获得客观的定量评价结论。

针对课程考核方式的现状，借助化工仿真软件可以建立标准任务考核环境，并根据学生在任务目标导向下实施调控所得的工艺参数及调节思路来建立客观指标的定量化评价。考核有三个方面的任务：设备操作、参数计算及调节改造。以气体吸收为例，首先根据任务要求设置参数将吸收塔运行到稳定状态，接着利用吸收操作运行到稳态时获得的数据来计算塔设备参数和传质参数，最后是动态调节，往往是因为某种目标的变化，比如尾气含量、吸收率等发生变化，需要调控，既可以对设备进行调控也可以对操作条件进行调控，所以这个环节是开放性的。这三个步骤和考核的三个任务是一一对应的，由此建立了一个客观的定量化评价方式。