王明明，游軍杰，劉 曄,李云雁

(武漢輕工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430023)

1 《化工原理》課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀

《化工原理》課程綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)，分析和解決化工類型生產(chǎn)過程中的各種物理操作問題，是一門工程性和實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，它擔(dān)負(fù)著由理及工、由基礎(chǔ)到專業(yè)的特殊使命[1-2]。

目前，《化工原理》課程的教學(xué)一般由理論環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)兩部分構(gòu)成。理論課程的講授以“說教”式為主，教師首先介紹相關(guān)單元操作的特點(diǎn)、工作原理，然后結(jié)合抽象的數(shù)學(xué)模型或繁瑣的公式推導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算，并借助例題和習(xí)題加以強(qiáng)化。學(xué)生在這個(gè)環(huán)節(jié)中感受不到真實(shí)的化工生產(chǎn)過程，很難調(diào)動(dòng)自主學(xué)習(xí)的積極性，可能會(huì)出現(xiàn)厭學(xué)、反感的情緒，從而對(duì)這門課程失去興趣，甚至完全放棄學(xué)習(xí)這門課程。實(shí)驗(yàn)課程由于教學(xué)時(shí)數(shù)和臺(tái)套數(shù)的限制，往往多位同學(xué)同組完成一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，因此很難激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，不利于學(xué)生實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力的提高。

2 化工仿真的特點(diǎn)

化工仿真是化工過程的數(shù)學(xué)仿真，它的教授是以化學(xué)過程的基本規(guī)律為基礎(chǔ)依據(jù)，并且利用數(shù)學(xué)建立的模型和方法，將化工的過程生動(dòng)的展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上[3]。這一環(huán)節(jié)一方面是對(duì)前期化工原理理論方面的總結(jié)概況，另一方面是對(duì)后期現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)操作實(shí)踐的鋪墊[4]。

仿真訓(xùn)練中，教師通過教師站向?qū)W生站發(fā)出操作指令，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生站的操作情況，因此可以詳細(xì)了解每一名學(xué)生的當(dāng)前學(xué)習(xí)情況，進(jìn)而一定程度上反應(yīng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握情況。

借助化工仿真技術(shù)，將DCS操作界面和3D操作場(chǎng)景展現(xiàn)在學(xué)生面前，相對(duì)于理論課上對(duì)工藝流程和操作注意事項(xiàng)枯燥無味的講解，這種借助視覺、聽覺及觸覺上認(rèn)知和熟悉操作現(xiàn)場(chǎng)[5]讓學(xué)生對(duì)設(shè)備裝置、工藝指標(biāo)的控制等，都有更深刻的理解和認(rèn)知[6]，從而提高學(xué)生分析和解決問題的能力，使他們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)有更強(qiáng)的應(yīng)變能力。

3 化工仿真在《化工原理》課程教學(xué)中的作用

3.1 改進(jìn)教學(xué)方法

學(xué)生根據(jù)所學(xué)理論知識(shí)和老師的演示指導(dǎo)進(jìn)行仿真操作，操作時(shí)每人一臺(tái)電腦，并且每個(gè)同學(xué)可以設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，自己調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)。以固體干燥為例，給定一個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，需要將某一濕物料的水含量從w1降到w2，學(xué)生可以自己選擇濕物料的總質(zhì)量，干燥介質(zhì)的初始狀態(tài)，經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)干燥器的狀態(tài)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量等等參數(shù)。在這個(gè)過程中，學(xué)生在老師的主導(dǎo)下帶著問題和任務(wù)自主地進(jìn)行學(xué)習(xí)，完全避免了學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)“吃大鍋飯”的心理，給學(xué)生充分發(fā)揮的空間，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，極大促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，提高了學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的創(chuàng)新能力和獨(dú)立思考能力。

3.2 提高學(xué)習(xí)效率

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ叫枰ㄙM(fèi)較多時(shí)間，比如精餾操作，配制原料液加入精餾塔釜，經(jīng)加熱到達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定需要數(shù)十分鐘，通過仿真軟件可以將時(shí)間進(jìn)度按比例調(diào)整，極大縮短了穩(wěn)定時(shí)間。通過仿真軟件，學(xué)生可以改變操作條件，采集大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到更多規(guī)律性的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。此外，借助仿真軟件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和結(jié)果分析，可以大大節(jié)省處理數(shù)據(jù)的時(shí)間[7]。因此，相對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ蕉?，仿真軟件減少了大量枯燥、乏味的重復(fù)步驟和雷同的操作過程[4]，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，使學(xué)生有更多的時(shí)間和精力綜合地考量和分析實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

3.3 改革課程考核方式

標(biāo)準(zhǔn)試題化考試一直是主導(dǎo)性的考核方式，其本質(zhì)是將具體工程問題抽象化和模型化，從而使問題解決途徑單一化和標(biāo)準(zhǔn)化，其優(yōu)點(diǎn)是在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下評(píng)價(jià)被考核者，能夠獲得定量化的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，但其“重知識(shí)、輕能力”的局限性十分突出，為此產(chǎn)生了許多課程考核方式的改革，包括辯論、作報(bào)告、寫論文等等，以強(qiáng)化“能力”方面的考評(píng)。這些評(píng)價(jià)方法的改革能夠啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性[8]，然而這些考核方式通常只能提供較為主觀的定性評(píng)價(jià)結(jié)果，難以獲得客觀的定量評(píng)價(jià)結(jié)論。

針對(duì)課程考核方式的現(xiàn)狀，借助化工仿真軟件可以建立標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)考核環(huán)境，并根據(jù)學(xué)生在任務(wù)目標(biāo)導(dǎo)向下實(shí)施調(diào)控所得的工藝參數(shù)及調(diào)節(jié)思路來建立客觀指標(biāo)的定量化評(píng)價(jià)?？己擞腥齻€(gè)方面的任務(wù)：設(shè)備操作、參數(shù)計(jì)算及調(diào)節(jié)改造。以氣體吸收為例，首先根據(jù)任務(wù)要求設(shè)置參數(shù)將吸收塔運(yùn)行到穩(wěn)定狀態(tài)，接著利用吸收操作運(yùn)行到穩(wěn)態(tài)時(shí)獲得的數(shù)據(jù)來計(jì)算塔設(shè)備參數(shù)和傳質(zhì)參數(shù)，最后是動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，往往是因?yàn)槟撤N目標(biāo)的變化，比如尾氣含量、吸收率等發(fā)生變化，需要調(diào)控，既可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控也可以對(duì)操作條件進(jìn)行調(diào)控，所以這個(gè)環(huán)節(jié)是開放性的。這三個(gè)步驟和考核的三個(gè)任務(wù)是一一對(duì)應(yīng)的，由此建立了一個(gè)客觀的定量化評(píng)價(jià)方式。

4 結(jié)論

化工仿真在化工教學(xué)中的應(yīng)用可以優(yōu)化教學(xué)過程，改進(jìn)教學(xué)方法，不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，而且強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，對(duì)培養(yǎng)“重能力”的化工儲(chǔ)備人才具有重要的作用。