化工仿真實訓與化工原理實驗教學有機結合的探索

畢研迎，張其坤

(山東師范大學 化學化工與材料科學學院，山東 濟南 250014)

化工仿真實訓與化工原理實驗教學有機結合的探索

畢研迎，張其坤

(山東師范大學 化學化工與材料科學學院，山東 濟南 250014)

化工原理是一門重要的專業基礎課，主要講授化工單元操作及其所用設備結構原理，強調工程觀點、定量計算、實驗技能和設計能力的訓練，化工仿真實訓無疑是達到這一目的的有效手段。仿真實驗教學直觀逼真，能顯示生產過程的實時動態，有利于提高學生的實際操作技能。多年來的教學實踐證明，學生先仿真實訓再做化工原理實驗，實操的出錯率大大降低，實驗成績有了明顯提高。但仿真實驗不能完全代替真實實驗，只有二者的有機結合，才能真正提高學生的動手能力和綜合素質。

化工仿真實訓；化工原理；實驗教學；有機結合

現代科學技術發展到今天,特別是計算機、多媒體技術、網絡技術的發展,傳統的教學思想、教學方式、教學手段已經跟不上時代發展的步伐，仿真實驗成為一種新的發展趨勢，正應用于各門學科、各個行業的方方面面[1]。在這樣的形勢下,化工仿真實驗也已在高校的實驗教學中推廣開來，對于培養在校學生的操作、動手能力，樹立工程觀念起到了非常重要的作用[2]。

對于化工專業的學生，化工原理是一門重要的專業基礎課[3]，筆者多年來一直從事化工原理仿真實驗與化工原理實驗教學,現就這一問題談一點自己的體會。這門課程強調工程觀點、定量計算、實驗技能和設計能力的訓練[4]，在基礎課與專業課之間起著承上啟下、由理及工的橋梁作用。實驗室在學生能力的培養和綜合素質的提高方面起著不可或缺的作用[5],是一般課堂教學無法替代的。實驗教學相對于課堂理論教學,它具有直觀性、實踐性、綜合性、探索性和啟發性的特點[6]。實驗課教學能使學生理解和鞏固化工原理課程所闡述的基本原理,樹立工程觀點,培養學生分析問題和解決問題的的能力。在化工原理實驗教學中學生首次接觸到和生產設備較接近的工程實驗裝置,給學生形成初步的"工程"概念,進行工程知識的熏陶,還培養學生的綜合能力,讓他們不僅能在實驗室做實驗,還具有"能夠走出實驗室"的工作能力。因此,化工原理實驗課教學在加深對化工原理課程的學習和應用,提高學生的工程實踐能力和綜合能力,在培養學生創新能力中起著舉足輕重的作用。

1 化工仿真實訓的特點

現代教育輔于仿真教學發展很快，各行各業的仿真技術和仿真軟件更是千差萬別[7-9]，但其基于的原理卻相同，即用實時運行的動態數學模型代替真實裝置進行模擬。化工仿真技術是指過程系統的數字仿真,以起初的物體或系統規律為依據建立數學模型,在計算機上建立虛擬的操作環境,控制原理、手段、界面和操作場景都和現代化工生產實時控制極為相似[10-12]。仿真實驗有如下特點：

1.1 仿真實驗教學直觀逼真

常規的化工原理實驗課程對實驗裝置的結構、實驗原理的講解都是在黑板上進行的,既不夠形象、直觀，又呆板。在仿真實驗軟件上,學生可以利用計算機對化工原理實驗裝置進行不同的仿真操作,產生與實際使用化工實驗裝置進行現場操作實驗相同的結果,同樣達到真實實驗的效果[13-14]。豐富、生動的語音和動畫效果十分逼真地仿真各種現場操作,顯著提高了培訓效果[15],增強了學習主動性。這種既具體形象又生動逼真的教學,使學生產生親臨實驗現場的體驗。

1.2 把實際的生產流程、工藝指標桌面化

通過對流程的深入剖析,利用二維和三維動畫形象地描繪出設備的內部結構、物料流動狀態及作用原理[16]；通過工藝與設備介紹使學生建立典型工業過程的背景知識，包括工藝流程、設備、控制方案、操作參數等,透徹了解生產工藝流程的組織原則、設備內部結構、工藝條件的控制手段等更深入的內容,感受到現代化生產的氣氛；逼真地顯現出真實生產過程(或裝置)的實時動態特性。學生不出校門可親自動手,身臨其境地熟悉和掌握實際生產過程的操作方法以及常見事故的處理辦法,極大地激發學習的興趣和積極性。圖1和 圖2是化學工程專業仿真實訓的內容之一。

圖1 精餾塔DCS圖

圖2 精餾塔現場圖

1.3 有利于提高學生的實際操作技能

仿真實驗,可以保證每個學生都能自己動手做實驗,觀察實驗現象,驗證公式、原理定理,提高了學生實際動手能力。同時,對于難做的實驗,學生可以重復進行,不受時間、場地、安全等實際實驗條件的限制?；し抡媸股a過程中各操作點和參數的控制點全部展示在學生眼前,有助于學生掌握復雜控制系統的投運和調整技術,提高對復雜化工過程動態運行的分析和決策能力,對培養學生建立生產(動態)連續穩定的影響有著極其重要的作用,能夠達到傳統實驗教學中難以達到的效果。

1.4 化工仿真實訓允許失誤,允許探索

化工仿真實訓可從正面引導學生順利地完成化工原理實驗,并允許失誤,允許探索。學生可以在仿真實驗平臺上設置任何故障而不必擔心出現意外的危險[17],甚至可以制造事故運行狀態?，F在使用的化工仿真軟件都已智能化，對學生每一步的操作，通過打分的形式給予評價，學生可以從屏幕上直接觀察到自己操作的結果,在糾正錯誤中掌握正確的操作方法,這是實際實驗無法做到的。實際實驗若操作錯誤,可能引起設備損壞,甚至發生危險。譬如，學生在實際做離心泵特性曲線測定實驗時，個別同學在啟動泵前，忘記了先關出口閥，導致一合電源把電機燒壞的情況，圖3和圖4分別是離心泵的DCS和現場圖。如果學生先把這一單元操作的仿真實驗做好，也就不會犯這種錯誤。

圖3 離心泵的DCS圖

圖4 離心泵的現場圖

2 仿真訓練應成為實踐教學的重要一環

仿真訓練對于學生了解化工過程的工藝和控制系統的動態特性、提高對工藝過程的運行和控制能力具有特殊效果。這種運行、調整和控制能力集中反映了學生運用理論知識解決實際問題的水平。仿真實驗可以開拓學生的創新思維。激勵學生動手去做,拓展學生的思維空間。目前，我院已把化工仿真作為實踐性教學環節的重要一環。在時間安排上，每班連續四周；從培訓工藝上，包括反應器、動力設備、單元設備、塔設備和復雜控制，門類相對齊全，多達11個單元操作，如圖5；從培訓項目上，包括冷態開車、正常停車、正常操作及各種故障的處理，如圖6。每單元一考核，考核內容由老師隨機設定，計算機智能打分，作為學生實踐性教學環節的成績。學生普遍反映收獲很大，通過仿真確實把理論和實際結合了起來，激發了他們學習專業課的積極性。

圖5 各培訓工藝展示

圖6 培訓項目舉例

3 化工仿真實訓不能完全代替化工原理實驗

仿真實訓不可能完全替代真實實驗，仿真實驗是對真實實驗的模擬，與真實的實驗操作環境還存在一定的差距,若學生只知道仿真實驗而不做真實實驗,無異于紙上談兵,不利于培養學生的動手能力及工程觀念。圖7是化工原理實驗的精餾實驗流程圖。鑒于此，在教學環節上，應本著先仿真后實驗的原則安排，讓學生先計算機仿真模擬，成績合格后再實際操作，減少了實驗的盲目性，大大降低了實驗的出錯率和事故率。因此，仿真實驗不可能完全替代真實實驗,它是真實實驗的一種有效的補充。

圖7 實際精餾實驗流程圖

系列1表示未做仿真直接實際操作

4 結 論

經過這幾年的教學實踐證明，化工仿真實訓作為一個重要的教學環節,對于提高化工專業的整體教學效果，作用是非常明顯的。學生在先仿真實訓的基礎上再做化工實驗(包括化工原理實驗、工藝實驗、儀表實驗等),無論對原理的掌握、流程整體的把握,還是對工程觀念的培養都有很大的幫助，實際效果是突出的，見圖8比較，由此統計可以看出，先仿真實訓完后再實際操作，學生的高分占比明顯提高。仿真實驗和真實實驗的相輔相成、有機結合，提高了學生的動手能力和綜合素質，受到了用人單位的贊賞，為將來走向工作崗位奠定了基礎。

[1] 王春靜.現代教育技術在移動通信實驗. 教學中的應用與研究[J].山東師范大學學報：自然科學版，2013,28(3)：39-41.

[2] 徐 寧,牟建明,鄭學倫.在化工原理實驗教學中建立工程概念[J].實驗室研究與探索,2005, 24(7): 93-94.

[3] 夏 清，陳常貴. 化工原理(上冊)[M]. 天津：天津大學出版社，2007：1-2.

[4] 王志魁. 化工原理[M]. 北京：化學工業出版社，2004：1-3.

[5] 陳敏恒，叢德滋，方圖南，等．化工原理[M]．北京：化學工業出版社，2006．

[6] 楊祖榮．化工原理實驗[M]．北京：化學工業出版社，2004．

[7] 呂維忠,李迎建,廖傳東.化工原理實驗中學生創新能力的培養[J].實驗技術與管理, 2003, 20 (3): 103-105.

[8] 荊濤，鄭永杰，田景芝.仿真技術在高校化工教學中的應用[J]. 高師理科學刊, 2006, 26(4): 98-99.

[9] 李士雨. 化工仿真實習教學改革的研究與實踐[J]. 化工高等教育，2003， 2：49-52.

[10] 管國鋒，湯吉海，朱宇.化工原理實驗仿真系統的開發[J].南京化工大學學報，2000，22(1): 22-23.

[11] 潘 欣.高等職業教育中化工仿真教學的應用與實踐[J].教育信息，2013, 11: 135.

[12] 朱巧鳳，慕 苗.淺談化工仿真軟件在化學工藝專業教學中的應用[J].山東化工,2013, 42(10): 190-191.

[13] 范明舫，賀楚華，王延飛，等.化工實驗仿真趨勢及在我院的應用[J].廣東化工，2013, 40(23): 183.

[14] 衛靜莉，李曉紅，熊英瑩.化工原理實驗仿真功能設計及教學探討[J].實驗室研究與探索,2006, 25(1):45-46.

[15] 史海波，秦永華.提高高職化工原理實驗教學效果的探討[J].科技資訊，2005, 5: 215.

[16] 羅曉東，尹立孟，王青峽，等.基于虛擬仿真技術的實驗教學平臺設計[J]. 實驗室研究與探索, 2016,35(4):105-106.

[17] 顧 昊，孫智杰，李勤.生物學虛實結合實驗教學模式探索與研究[J].實驗室研究與探索, 2016,35(4):109-110.

(本文文獻格式：畢研迎，張其坤.化工仿真實訓與化工原理實驗教學有機結合的探索[J].山東化工，2017，46(06)：126-128.)

The Exploration of Combining Chemical Simulation Training with Experiment Teaching of Chemical Engineering Principle

BiYanying,ZhangQikun

(School of Chemistry and Material Science，Shandong Normal University，Jinan 250014， China)

Chemical engineering principle is an important basic course teaching chemical engineering unit operation and the equipment it uses structural principles, emphasizing engineering perspective, quantitative calculations, experimental skill and design ability training, chemical simulation training is an effective means to achieve this purpose. Simulation experimental teaching of visual fidelity, real-time dynamic display production process, improve students ' practical skills. Years of practice, students doing chemical engineering principle experiment of simulated training, hands-on greatly reduced error rate, experimental results have improved significantly. Simulations cannot fully replace real experiment, only the combination of the two, in order to improve students ' practical ability and overall quality.

chemical simulation training; chemical engineering principle; experimental teaching; organic combination

2017-02-09

山東省自然科學基金(批準號:ZR2013EMM004)； 國家級大學生創新創業訓練計劃項目(批準號: 201610445058)

張其坤(1972—)，河南虞城人，博士，副教授，從事化學工程與技術相關領域的研究和教學工作。

TP337

A

1008-021X(2017)06-0126-03