畢研迎，張其坤

(山東師范大學(xué) 化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

化工仿真實(shí)訓(xùn)與化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合的探索

畢研迎，張其坤

(山東師范大學(xué) 化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

化工原理是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授化工單元操作及其所用設(shè)備結(jié)構(gòu)原理，強(qiáng)調(diào)工程觀點(diǎn)、定量計(jì)算、實(shí)驗(yàn)技能和設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練，化工仿真實(shí)訓(xùn)無(wú)疑是達(dá)到這一目的的有效手段。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)直觀逼真，能顯示生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，有利于提高學(xué)生的實(shí)際操作技能。多年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生先仿真實(shí)訓(xùn)再做化工原理實(shí)驗(yàn)，實(shí)操的出錯(cuò)率大大降低，實(shí)驗(yàn)成績(jī)有了明顯提高。但仿真實(shí)驗(yàn)不能完全代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)，只有二者的有機(jī)結(jié)合，才能真正提高學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)。

化工仿真實(shí)訓(xùn)；化工原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；有機(jī)結(jié)合

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天,特別是計(jì)算機(jī)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的教學(xué)思想、教學(xué)方式、教學(xué)手段已經(jīng)跟不上時(shí)代發(fā)展的步伐，仿真實(shí)驗(yàn)成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)，正應(yīng)用于各門學(xué)科、各個(gè)行業(yè)的方方面面[1]。在這樣的形勢(shì)下,化工仿真實(shí)驗(yàn)也已在高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣開(kāi)來(lái)，對(duì)于培養(yǎng)在校學(xué)生的操作、動(dòng)手能力，樹(shù)立工程觀念起到了非常重要的作用[2]。

對(duì)于化工專業(yè)的學(xué)生，化工原理是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[3]，筆者多年來(lái)一直從事化工原理仿真實(shí)驗(yàn)與化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué),現(xiàn)就這一問(wèn)題談一點(diǎn)自己的體會(huì)。這門課程強(qiáng)調(diào)工程觀點(diǎn)、定量計(jì)算、實(shí)驗(yàn)技能和設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練[4]，在基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間起著承上啟下、由理及工的橋梁作用。實(shí)驗(yàn)室在學(xué)生能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高方面起著不可或缺的作用[5],是一般課堂教學(xué)無(wú)法替代的。實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對(duì)于課堂理論教學(xué),它具有直觀性、實(shí)踐性、綜合性、探索性和啟發(fā)性的特點(diǎn)[6]。實(shí)驗(yàn)課教學(xué)能使學(xué)生理解和鞏固化工原理課程所闡述的基本原理,樹(shù)立工程觀點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的的能力。在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生首次接觸到和生產(chǎn)設(shè)備較接近的工程實(shí)驗(yàn)裝置,給學(xué)生形成初步的"工程"概念,進(jìn)行工程知識(shí)的熏陶,還培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力,讓他們不僅能在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn),還具有"能夠走出實(shí)驗(yàn)室"的工作能力。因此,化工原理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)在加深對(duì)化工原理課程的學(xué)習(xí)和應(yīng)用,提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和綜合能力,在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力中起著舉足輕重的作用。

1 化工仿真實(shí)訓(xùn)的特點(diǎn)

現(xiàn)代教育輔于仿真教學(xué)發(fā)展很快，各行各業(yè)的仿真技術(shù)和仿真軟件更是千差萬(wàn)別[7-9]，但其基于的原理卻相同，即用實(shí)時(shí)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型代替真實(shí)裝置進(jìn)行模擬?；し抡婕夹g(shù)是指過(guò)程系統(tǒng)的數(shù)字仿真,以起初的物體或系統(tǒng)規(guī)律為依據(jù)建立數(shù)學(xué)模型,在計(jì)算機(jī)上建立虛擬的操作環(huán)境,控制原理、手段、界面和操作場(chǎng)景都和現(xiàn)代化工生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制極為相似[10-12]。仿真實(shí)驗(yàn)有如下特點(diǎn)：

1.1 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)直觀逼真

常規(guī)的化工原理實(shí)驗(yàn)課程對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)原理的講解都是在黑板上進(jìn)行的,既不夠形象、直觀，又呆板。在仿真實(shí)驗(yàn)軟件上,學(xué)生可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)化工原理實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行不同的仿真操作,產(chǎn)生與實(shí)際使用化工實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)驗(yàn)相同的結(jié)果,同樣達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果[13-14]。豐富、生動(dòng)的語(yǔ)音和動(dòng)畫效果十分逼真地仿真各種現(xiàn)場(chǎng)操作,顯著提高了培訓(xùn)效果[15],增強(qiáng)了學(xué)習(xí)主動(dòng)性。這種既具體形象又生動(dòng)逼真的教學(xué),使學(xué)生產(chǎn)生親臨實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的體驗(yàn)。

1.2 把實(shí)際的生產(chǎn)流程、工藝指標(biāo)桌面化

通過(guò)對(duì)流程的深入剖析,利用二維和三維動(dòng)畫形象地描繪出設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物料流動(dòng)狀態(tài)及作用原理[16]；通過(guò)工藝與設(shè)備介紹使學(xué)生建立典型工業(yè)過(guò)程的背景知識(shí)，包括工藝流程、設(shè)備、控制方案、操作參數(shù)等,透徹了解生產(chǎn)工藝流程的組織原則、設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工藝條件的控制手段等更深入的內(nèi)容,感受到現(xiàn)代化生產(chǎn)的氣氛；逼真地顯現(xiàn)出真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程(或裝置)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性。學(xué)生不出校門可親自動(dòng)手,身臨其境地熟悉和掌握實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的操作方法以及常見(jiàn)事故的處理辦法,極大地激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和積極性。圖1和 圖2是化學(xué)工程專業(yè)仿真實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容之一。

圖1 精餾塔DCS圖

圖2 精餾塔現(xiàn)場(chǎng)圖

1.3 有利于提高學(xué)生的實(shí)際操作技能

仿真實(shí)驗(yàn),可以保證每個(gè)學(xué)生都能自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn),觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,驗(yàn)證公式、原理定理,提高了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力。同時(shí),對(duì)于難做的實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以重復(fù)進(jìn)行,不受時(shí)間、場(chǎng)地、安全等實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件的限制?；し抡媸股a(chǎn)過(guò)程中各操作點(diǎn)和參數(shù)的控制點(diǎn)全部展示在學(xué)生眼前,有助于學(xué)生掌握復(fù)雜控制系統(tǒng)的投運(yùn)和調(diào)整技術(shù),提高對(duì)復(fù)雜化工過(guò)程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的分析和決策能力,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生建立生產(chǎn)(動(dòng)態(tài))連續(xù)穩(wěn)定的影響有著極其重要的作用,能夠達(dá)到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以達(dá)到的效果。

1.4 化工仿真實(shí)訓(xùn)允許失誤,允許探索

化工仿真實(shí)訓(xùn)可從正面引導(dǎo)學(xué)生順利地完成化工原理實(shí)驗(yàn),并允許失誤,允許探索。學(xué)生可以在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)置任何故障而不必?fù)?dān)心出現(xiàn)意外的危險(xiǎn)[17],甚至可以制造事故運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)在使用的化工仿真軟件都已智能化，對(duì)學(xué)生每一步的操作，通過(guò)打分的形式給予評(píng)價(jià)，學(xué)生可以從屏幕上直接觀察到自己操作的結(jié)果,在糾正錯(cuò)誤中掌握正確的操作方法,這是實(shí)際實(shí)驗(yàn)無(wú)法做到的。實(shí)際實(shí)驗(yàn)若操作錯(cuò)誤,可能引起設(shè)備損壞,甚至發(fā)生危險(xiǎn)。譬如，學(xué)生在實(shí)際做離心泵特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，個(gè)別同學(xué)在啟動(dòng)泵前，忘記了先關(guān)出口閥，導(dǎo)致一合電源把電機(jī)燒壞的情況，圖3和圖4分別是離心泵的DCS和現(xiàn)場(chǎng)圖。如果學(xué)生先把這一單元操作的仿真實(shí)驗(yàn)做好，也就不會(huì)犯這種錯(cuò)誤。

圖3 離心泵的DCS圖

圖4 離心泵的現(xiàn)場(chǎng)圖

2 仿真訓(xùn)練應(yīng)成為實(shí)踐教學(xué)的重要一環(huán)

仿真訓(xùn)練對(duì)于學(xué)生了解化工過(guò)程的工藝和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、提高對(duì)工藝過(guò)程的運(yùn)行和控制能力具有特殊效果。這種運(yùn)行、調(diào)整和控制能力集中反映了學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的水平。仿真實(shí)驗(yàn)可以開(kāi)拓學(xué)生的創(chuàng)新思維。激勵(lì)學(xué)生動(dòng)手去做,拓展學(xué)生的思維空間。目前，我院已把化工仿真作為實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的重要一環(huán)。在時(shí)間安排上，每班連續(xù)四周；從培訓(xùn)工藝上，包括反應(yīng)器、動(dòng)力設(shè)備、單元設(shè)備、塔設(shè)備和復(fù)雜控制，門類相對(duì)齊全，多達(dá)11個(gè)單元操作，如圖5；從培訓(xùn)項(xiàng)目上，包括冷態(tài)開(kāi)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(nèi)容由老師隨機(jī)設(shè)定，計(jì)算機(jī)智能打分，作為學(xué)生實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的成績(jī)。學(xué)生普遍反映收獲很大，通過(guò)仿真確實(shí)把理論和實(shí)際結(jié)合了起來(lái)，激發(fā)了他們學(xué)習(xí)專業(yè)課的積極性。

圖5 各培訓(xùn)工藝展示

圖6 培訓(xùn)項(xiàng)目舉例

3 化工仿真實(shí)訓(xùn)不能完全代替化工原理實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)訓(xùn)不可能完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模擬，與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境還存在一定的差距,若學(xué)生只知道仿真實(shí)驗(yàn)而不做真實(shí)實(shí)驗(yàn),無(wú)異于紙上談兵,不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及工程觀念。圖7是化工原理實(shí)驗(yàn)的精餾實(shí)驗(yàn)流程圖。鑒于此，在教學(xué)環(huán)節(jié)上，應(yīng)本著先仿真后實(shí)驗(yàn)的原則安排，讓學(xué)生先計(jì)算機(jī)仿真模擬，成績(jī)合格后再實(shí)際操作，減少了實(shí)驗(yàn)的盲目性，大大降低了實(shí)驗(yàn)的出錯(cuò)率和事故率。因此，仿真實(shí)驗(yàn)不可能完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn),它是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的一種有效的補(bǔ)充。

圖7 實(shí)際精餾實(shí)驗(yàn)流程圖

系列1表示未做仿真直接實(shí)際操作

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)這幾年的教學(xué)實(shí)踐證明，化工仿真實(shí)訓(xùn)作為一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié),對(duì)于提高化工專業(yè)的整體教學(xué)效果，作用是非常明顯的。學(xué)生在先仿真實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上再做化工實(shí)驗(yàn)(包括化工原理實(shí)驗(yàn)、工藝實(shí)驗(yàn)、儀表實(shí)驗(yàn)等),無(wú)論對(duì)原理的掌握、流程整體的把握,還是對(duì)工程觀念的培養(yǎng)都有很大的幫助，實(shí)際效果是突出的，見(jiàn)圖8比較，由此統(tǒng)計(jì)可以看出，先仿真實(shí)訓(xùn)完后再實(shí)際操作，學(xué)生的高分占比明顯提高。仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的相輔相成、有機(jī)結(jié)合，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)，受到了用人單位的贊賞，為將來(lái)走向工作崗位奠定了基礎(chǔ)。

[1] 王春靜.現(xiàn)代教育技術(shù)在移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn). 教學(xué)中的應(yīng)用與研究[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013,28(3)：39-41.

[2] 徐 寧,牟建明,鄭學(xué)倫.在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中建立工程概念[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2005, 24(7): 93-94.

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

[4] 王志魁. 化工原理[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)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(xué)工業(yè)出版社，2006．

[6] 楊祖榮．化工原理實(shí)驗(yàn)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

[7] 呂維忠,李迎建,廖傳東.化工原理實(shí)驗(yàn)中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2003, 20 (3): 103-105.

[8] 荊濤，鄭永杰，田景芝.仿真技術(shù)在高?；そ虒W(xué)中的應(yīng)用[J]. 高師理科學(xué)刊, 2006, 26(4): 98-99.

[9] 李士雨. 化工仿真實(shí)習(xí)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J]. 化工高等教育，2003， 2：49-52.

[10] 管國(guó)鋒，湯吉海，朱宇.化工原理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].南京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22(1): 22-23.

[11] 潘 欣.高等職業(yè)教育中化工仿真教學(xué)的應(yīng)用與實(shí)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(xué)工藝專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)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(shí)驗(yàn)仿真趨勢(shì)及在我院的應(yīng)用[J].廣東化工，2013, 40(23): 183.

[14] 衛(wèi)靜莉，李曉紅，熊英瑩.化工原理實(shí)驗(yàn)仿真功能設(shè)計(jì)及教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2016,35(4):105-106.

[17] 顧 昊，孫智杰，李勤.生物學(xué)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2016,35(4):109-110.

(本文文獻(xiàn)格式：畢研迎，張其坤.化工仿真實(shí)訓(xùn)與化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)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(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):ZR2013EMM004)； 國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào): 201610445058)

張其坤(1972—)，河南虞城人，博士，副教授，從事化學(xué)工程與技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的研究和教學(xué)工作。

TP337

A

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