化工仿真实训与化工原理实验教学有机结合的探索

毕研迎，张其坤

(山东师范大学 化学化工与材料科学学院，山东 济南 250014)

化工仿真实训与化工原理实验教学有机结合的探索

毕研迎，张其坤

(山东师范大学 化学化工与材料科学学院，山东 济南 250014)

化工原理是一门重要的专业基础课，主要讲授化工单元操作及其所用设备结构原理，强调工程观点、定量计算、实验技能和设计能力的训练，化工仿真实训无疑是达到这一目的的有效手段。仿真实验教学直观逼真，能显示生产过程的实时动态，有利于提高学生的实际操作技能。多年来的教学实践证明，学生先仿真实训再做化工原理实验，实操的出错率大大降低，实验成绩有了明显提高。但仿真实验不能完全代替真实实验，只有二者的有机结合，才能真正提高学生的动手能力和综合素质。

化工仿真实训；化工原理；实验教学；有机结合

现代科学技术发展到今天,特别是计算机、多媒体技术、网络技术的发展,传统的教学思想、教学方式、教学手段已经跟不上时代发展的步伐，仿真实验成为一种新的发展趋势，正应用于各门学科、各个行业的方方面面[1]。在这样的形势下,化工仿真实验也已在高校的实验教学中推广开来，对于培养在校学生的操作、动手能力，树立工程观念起到了非常重要的作用[2]。

对于化工专业的学生，化工原理是一门重要的专业基础课[3]，笔者多年来一直从事化工原理仿真实验与化工原理实验教学,现就这一问题谈一点自己的体会。这门课程强调工程观点、定量计算、实验技能和设计能力的训练[4]，在基础课与专业课之间起着承上启下、由理及工的桥梁作用。实验室在学生能力的培养和综合素质的提高方面起着不可或缺的作用[5],是一般课堂教学无法替代的。实验教学相对于课堂理论教学,它具有直观性、实践性、综合性、探索性和启发性的特点[6]。实验课教学能使学生理解和巩固化工原理课程所阐述的基本原理,树立工程观点,培养学生分析问题和解决问题的的能力。在化工原理实验教学中学生首次接触到和生产设备较接近的工程实验装置,给学生形成初步的"工程"概念,进行工程知识的熏陶,还培养学生的综合能力,让他们不仅能在实验室做实验,还具有"能够走出实验室"的工作能力。因此,化工原理实验课教学在加深对化工原理课程的学习和应用,提高学生的工程实践能力和综合能力,在培养学生创新能力中起着举足轻重的作用。

1 化工仿真实训的特点

现代教育辅于仿真教学发展很快，各行各业的仿真技术和仿真软件更是千差万别[7-9]，但其基于的原理却相同，即用实时运行的动态数学模型代替真实装置进行模拟。化工仿真技术是指过程系统的数字仿真,以起初的物体或系统规律为依据建立数学模型,在计算机上建立虚拟的操作环境,控制原理、手段、界面和操作场景都和现代化工生产实时控制极为相似[10-12]。仿真实验有如下特点：

1.1 仿真实验教学直观逼真

常规的化工原理实验课程对实验装置的结构、实验原理的讲解都是在黑板上进行的,既不够形象、直观，又呆板。在仿真实验软件上,学生可以利用计算机对化工原理实验装置进行不同的仿真操作,产生与实际使用化工实验装置进行现场操作实验相同的结果,同样达到真实实验的效果[13-14]。丰富、生动的语音和动画效果十分逼真地仿真各种现场操作,显著提高了培训效果[15],增强了学习主动性。这种既具体形象又生动逼真的教学,使学生产生亲临实验现场的体验。

1.2 把实际的生产流程、工艺指标桌面化

通过对流程的深入剖析,利用二维和三维动画形象地描绘出设备的内部结构、物料流动状态及作用原理[16]；通过工艺与设备介绍使学生建立典型工业过程的背景知识，包括工艺流程、设备、控制方案、操作参数等,透彻了解生产工艺流程的组织原则、设备内部结构、工艺条件的控制手段等更深入的内容,感受到现代化生产的气氛；逼真地显现出真实生产过程(或装置)的实时动态特性。学生不出校门可亲自动手,身临其境地熟悉和掌握实际生产过程的操作方法以及常见事故的处理办法,极大地激发学习的兴趣和积极性。图1和 图2是化学工程专业仿真实训的内容之一。

图1 精馏塔DCS图

图2 精馏塔现场图

1.3 有利于提高学生的实际操作技能

仿真实验,可以保证每个学生都能自己动手做实验,观察实验现象,验证公式、原理定理,提高了学生实际动手能力。同时,对于难做的实验,学生可以重复进行,不受时间、场地、安全等实际实验条件的限制。化工仿真使生产过程中各操作点和参数的控制点全部展示在学生眼前,有助于学生掌握复杂控制系统的投运和调整技术,提高对复杂化工过程动态运行的分析和决策能力,对培养学生建立生产(动态)连续稳定的影响有着极其重要的作用,能够达到传统实验教学中难以达到的效果。

1.4 化工仿真实训允许失误,允许探索

化工仿真实训可从正面引导学生顺利地完成化工原理实验,并允许失误,允许探索。学生可以在仿真实验平台上设置任何故障而不必担心出现意外的危险[17],甚至可以制造事故运行状态。现在使用的化工仿真软件都已智能化，对学生每一步的操作，通过打分的形式给予评价，学生可以从屏幕上直接观察到自己操作的结果,在纠正错误中掌握正确的操作方法,这是实际实验无法做到的。实际实验若操作错误,可能引起设备损坏,甚至发生危险。譬如，学生在实际做离心泵特性曲线测定实验时，个别同学在启动泵前，忘记了先关出口阀，导致一合电源把电机烧坏的情况，图3和图4分别是离心泵的DCS和现场图。如果学生先把这一单元操作的仿真实验做好，也就不会犯这种错误。

图3 离心泵的DCS图

图4 离心泵的现场图

2 仿真训练应成为实践教学的重要一环

仿真训练对于学生了解化工过程的工艺和控制系统的动态特性、提高对工艺过程的运行和控制能力具有特殊效果。这种运行、调整和控制能力集中反映了学生运用理论知识解决实际问题的水平。仿真实验可以开拓学生的创新思维。激励学生动手去做,拓展学生的思维空间。目前，我院已把化工仿真作为实践性教学环节的重要一环。在时间安排上，每班连续四周；从培训工艺上，包括反应器、动力设备、单元设备、塔设备和复杂控制，门类相对齐全，多达11个单元操作，如图5；从培训项目上，包括冷态开车、正常停车、正常操作及各种故障的处理，如图6。每单元一考核，考核内容由老师随机设定，计算机智能打分，作为学生实践性教学环节的成绩。学生普遍反映收获很大，通过仿真确实把理论和实际结合了起来，激发了他们学习专业课的积极性。

图5 各培训工艺展示

图6 培训项目举例

3 化工仿真实训不能完全代替化工原理实验

仿真实训不可能完全替代真实实验，仿真实验是对真实实验的模拟，与真实的实验操作环境还存在一定的差距,若学生只知道仿真实验而不做真实实验,无异于纸上谈兵,不利于培养学生的动手能力及工程观念。图7是化工原理实验的精馏实验流程图。鉴于此，在教学环节上，应本着先仿真后实验的原则安排，让学生先计算机仿真模拟，成绩合格后再实际操作，减少了实验的盲目性，大大降低了实验的出错率和事故率。因此，仿真实验不可能完全替代真实实验,它是真实实验的一种有效的补充。

图7 实际精馏实验流程图

系列1表示未做仿真直接实际操作

4 结 论

经过这几年的教学实践证明，化工仿真实训作为一个重要的教学环节,对于提高化工专业的整体教学效果，作用是非常明显的。学生在先仿真实训的基础上再做化工实验(包括化工原理实验、工艺实验、仪表实验等),无论对原理的掌握、流程整体的把握,还是对工程观念的培养都有很大的帮助，实际效果是突出的，见图8比较，由此统计可以看出，先仿真实训完后再实际操作，学生的高分占比明显提高。仿真实验和真实实验的相辅相成、有机结合，提高了学生的动手能力和综合素质，受到了用人单位的赞赏，为将来走向工作岗位奠定了基础。

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(本文文献格式：毕研迎，张其坤.化工仿真实训与化工原理实验教学有机结合的探索[J].山东化工，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

山东省自然科学基金(批准号:ZR2013EMM004)； 国家级大学生创新创业训练计划项目(批准号: 201610445058)

张其坤(1972—)，河南虞城人，博士，副教授，从事化学工程与技术相关领域的研究和教学工作。

TP337

A

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