化工仿真在化工專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

胡磊，胡紫芳(浙江工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310002)

1 概述

1.1 仿真技術(shù)

1950年之后，仿真技術(shù)開始在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，如化工領(lǐng)域和水力領(lǐng)域等。近年來，仿真技術(shù)應(yīng)用更加廣泛，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮十分重要的作用。目前，仿真技術(shù)已經(jīng)取得顯著的發(fā)展，在軍事領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域等發(fā)揮著不可替代的作用。

1.2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)仿真，指采用電子計(jì)算機(jī)對人的思維行為以及思維過程進(jìn)行模仿。計(jì)算機(jī)仿真具備低成本、高效率的特征，所以計(jì)算機(jī)仿真對仿真技術(shù)發(fā)展具有很大的積極作用。1950年之后，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的誕生促使數(shù)字仿真和計(jì)算機(jī)模擬在人們的生活中得到廣泛應(yīng)用，成為多個(gè)領(lǐng)域中不可或缺的一部分，例如軍事領(lǐng)域等。20世紀(jì)末期，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)取得飛速進(jìn)步，促使計(jì)算機(jī)仿真在多個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

1.3 化工仿真技術(shù)

化工仿真技術(shù)，是建立在計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)之上的，模擬的基礎(chǔ)和對象為實(shí)際生活中的儀器設(shè)備和化工工藝等，利用計(jì)算機(jī)軟件對設(shè)備的工藝流程和操作流程進(jìn)行模擬。

在教育教學(xué)以及企業(yè)培訓(xùn)中，化工仿真技術(shù)應(yīng)用的非常普遍。從1980年之后，國內(nèi)外積極研發(fā)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在企業(yè)的培訓(xùn)中。近些年，計(jì)算機(jī)軟硬件水平取得十分顯著的發(fā)展，從而促進(jìn)了化工仿真技術(shù)的快速發(fā)展，從傳統(tǒng)的二維仿真進(jìn)一步拓展到虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)、3D可視化中。

2 化工仿真在教學(xué)上的作用及意義

21世紀(jì)之后，在科學(xué)技術(shù)方面取得了飛速進(jìn)步。現(xiàn)代化工生產(chǎn)具有原料及產(chǎn)品眾多、工藝復(fù)雜以及生產(chǎn)規(guī)模大等特征，促使生產(chǎn)過程向?qū)崿F(xiàn)智能化和規(guī)模化發(fā)展；此外，政府和企業(yè)對安全生產(chǎn)有著比較高的要求；同時(shí)，化工生產(chǎn)要求化工從業(yè)人員要具備較高的職業(yè)素質(zhì)和操作技能。對于傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式來說，已無法順應(yīng)現(xiàn)代化工的需求。應(yīng)用化工仿真技術(shù)能夠?qū)ιa(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行以及故障等進(jìn)行模擬，此外，除了計(jì)算機(jī)之外，不用再追加硬件投資，不但使得教學(xué)和培訓(xùn)變得更加的安全，還使得教學(xué)的效率得到顯著提升。仿真技術(shù)在化工實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用效果具體表現(xiàn)為：

(1)獲取概念。仿真技術(shù)運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)動畫展示仿真模型實(shí)體的運(yùn)動狀況，促使教和學(xué)能夠相互配合。因?yàn)槔脛赢嬚故荆偈谷藗兡軌蛟谄聊簧嫌^看仿真系統(tǒng)的具體運(yùn)行情況，能夠?qū)?shí)踐情況有一個(gè)全新的認(rèn)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(xué)生可以對系統(tǒng)形成更加全面的認(rèn)識。

(2)加強(qiáng)激勵。對于計(jì)算機(jī)仿真輔助訓(xùn)練來說，采用人機(jī)對話可以及時(shí)收到信息反饋，進(jìn)而對學(xué)生的學(xué)習(xí)速度和進(jìn)度做出合理的調(diào)整，不但可以增加教學(xué)力度，同時(shí)還能引導(dǎo)學(xué)生主動聽講，能夠積極的接受教師傳授的知識，使得教學(xué)效果更加的明顯。仿真訓(xùn)練合理地采用程序化教學(xué)模式，因材施教，進(jìn)而更好地指導(dǎo)現(xiàn)代化教育。仿真訓(xùn)練評分利用反饋控制和控制規(guī)律是相吻合的[1]。

(3)訓(xùn)練智能。化工仿真體現(xiàn)了多個(gè)學(xué)科的研究水平，其中包含數(shù)字仿真技術(shù)、模擬工程、計(jì)算機(jī)工程、控制工程以及應(yīng)用工程，具有非常高的應(yīng)用價(jià)值和技術(shù)含量。化工仿真是對化工系統(tǒng)進(jìn)行模擬，學(xué)員不用到工廠就可以利用電子網(wǎng)絡(luò)就能進(jìn)行管理和操作，幫助學(xué)員了解、思考生產(chǎn)中的組分、壓力以及流量等數(shù)據(jù)，使學(xué)生學(xué)會從本質(zhì)上看問題，進(jìn)一步提升學(xué)生的認(rèn)知能力，并使學(xué)生的綜合分析能力顯著提升。

(4)培養(yǎng)創(chuàng)造性。仿真培訓(xùn)使得學(xué)生對操作控制方案的探索能夠得以實(shí)現(xiàn)，促使學(xué)生能夠利用仿真系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)操作方案，能夠?qū)ξ粗挛镄纬筛尤娴恼J(rèn)識，使學(xué)生能夠進(jìn)行獨(dú)立的思考。仿真培訓(xùn)屬于一項(xiàng)創(chuàng)造性的活動。

3 化工仿真在化工教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 化工原理實(shí)驗(yàn)仿真

化工原理和化工工藝的操作過程、設(shè)備用途和構(gòu)造以及基本原理等存在十分密切的聯(lián)系；在操作和驗(yàn)證時(shí)，需要進(jìn)行10多個(gè)實(shí)驗(yàn)才能完成。化工原理實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)合實(shí)際的操作流程，使得學(xué)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(nèi)不具備化工原理實(shí)訓(xùn)設(shè)備，學(xué)生不能進(jìn)行實(shí)際操作。化工原理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)仿真多達(dá)10余個(gè)，例如精餾塔等。利用仿真能夠使學(xué)生可以更清楚地了解化工設(shè)備的實(shí)際操作以及化工原理基礎(chǔ)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(nèi)容主要是化工生產(chǎn)中的單元操作，例如精餾和流體輸送等常識。學(xué)生通過學(xué)習(xí)化工單元操作知識，可以有效地了解設(shè)備以及單元操作有關(guān)的基本理論，進(jìn)而對化工設(shè)備操作辦法有一個(gè)更加全面的認(rèn)識，例如停車、排除故障以及開車等。利用仿真技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)上模擬典型設(shè)備以及化工單元等，學(xué)生利用仿真操作能夠?qū)どa(chǎn)相關(guān)知識形成正確的認(rèn)知，如單元操作技術(shù)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(shù)可以有效地解決學(xué)生在實(shí)際訓(xùn)練中面臨的問題，減少硬件投入，促使學(xué)生的學(xué)習(xí)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(nèi)容主要是典型的化工生產(chǎn)工藝，對典型化工產(chǎn)品的生產(chǎn)原理和化工過程進(jìn)行介紹。學(xué)生通過對典型化工產(chǎn)品排除故障方法以及生產(chǎn)工藝操作等知識的學(xué)習(xí)，進(jìn)而對化工生產(chǎn)形成全面的認(rèn)識。化工工藝課的學(xué)習(xí)內(nèi)容存在特殊性，因此在學(xué)校不便開展實(shí)際訓(xùn)練，一般情況下都是在企業(yè)中進(jìn)行實(shí)際操作。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬典型的化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，學(xué)生可以通過計(jì)算機(jī)操作有效地了解生產(chǎn)原理等知識。當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，并已取得顯著成績，比如3D技術(shù)等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在人們的生活中，使得仿真的仿真程度和實(shí)時(shí)性得到有效提升，進(jìn)而能夠使學(xué)生接受到更好的培訓(xùn)和教學(xué)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(xué)化工中常用的分析儀器的操作方法。其中，儀器分析實(shí)驗(yàn)在課程中占據(jù)著很重要的地位。對于儀器分析實(shí)驗(yàn)仿真而言，其指的是采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬儀器分析的實(shí)際操作環(huán)節(jié)和實(shí)際操作，學(xué)生采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練，可以對設(shè)備操作技能有一個(gè)簡單的認(rèn)識。

此外，就學(xué)校和企業(yè)而言，將化工仿真應(yīng)用于化工教學(xué)中，還可以協(xié)調(diào)和解決設(shè)備數(shù)量和學(xué)員數(shù)量之間存在的供需矛盾，進(jìn)而使得多項(xiàng)培訓(xùn)和教學(xué)任務(wù)可以順利的完成。

4 化工仿真應(yīng)用中的相關(guān)問題探討

在教學(xué)中運(yùn)用仿真系統(tǒng)可以與實(shí)際生產(chǎn)過程相互結(jié)合，組織學(xué)生到企業(yè)進(jìn)行實(shí)踐，然后借助仿真教學(xué)，學(xué)生通過利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，能夠有效地彌補(bǔ)在企業(yè)中無法親自動手的缺陷。就仿真實(shí)踐教學(xué)來說，能把實(shí)訓(xùn)內(nèi)容分成多個(gè)單元，按照一定的順序?qū)訉舆f進(jìn)，使學(xué)生能夠進(jìn)行操作實(shí)訓(xùn)，從而掌握產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)際操作流程。仿真教學(xué)能夠讓學(xué)生人人都擁有仿真動手操作的機(jī)會，可以在短時(shí)間內(nèi)積累一定的操作經(jīng)驗(yàn)，使得學(xué)生解決實(shí)際問題的能力得到顯著提升[4]。在仿真教學(xué)中應(yīng)需要重視：第一，相似程度比較高的專業(yè)盡可能的使用統(tǒng)一的實(shí)習(xí)操作流程，以便后續(xù)更好地開展評價(jià)和交流工作；盡可能的減少重復(fù)開發(fā)的現(xiàn)象，能夠節(jié)省實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)。第二，利用計(jì)算機(jī)可以固化仿真操作系統(tǒng)中的工藝參數(shù)，其調(diào)節(jié)和控制都只能在計(jì)算機(jī)軟件的特定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生作用，然而實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)的變化情況和相關(guān)性相對來說比較復(fù)雜，教師在教學(xué)過程中需要重視教學(xué)態(tài)度，讓學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容形成正確的認(rèn)識，避免學(xué)生存在錯誤認(rèn)知。

5 結(jié)語

化工仿真實(shí)訓(xùn)可以極大地提升學(xué)生的實(shí)踐操作能力，豐富學(xué)生的理論知識，促使學(xué)生能夠?qū)し抡嫘纬梢粋€(gè)正確的認(rèn)識，促使學(xué)生的實(shí)踐操作水平能夠得到顯著提升，學(xué)生能夠自主進(jìn)行操作，可以獨(dú)自完成整個(gè)操作流程，在教學(xué)中合理的采用化工仿真技術(shù)，對于提升學(xué)生的操作技能水平以及優(yōu)化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境將發(fā)揮積極的作用。化工仿真實(shí)訓(xùn)屬于一種全新的教學(xué)方法，其能夠極大地提升學(xué)生接受知識的效率，使得學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到更多的相關(guān)知識，其應(yīng)用前景將非常廣泛。