化工仿真在化工专业教学中的应用

胡磊，胡紫芳(浙江工程设计有限公司，浙江 杭州 310002)

1 概述

1.1 仿真技术

1950年之后，仿真技术开始在多个技术领域中得到广泛应用，如化工领域和水力领域等。近年来，仿真技术应用更加广泛，在社会经济发展中发挥十分重要的作用。目前，仿真技术已经取得显著的发展，在军事领域、农业生产领域等发挥着不可替代的作用。

1.2 计算机仿真技术

计算机仿真，指采用电子计算机对人的思维行为以及思维过程进行模仿。计算机仿真具备低成本、高效率的特征，所以计算机仿真对仿真技术发展具有很大的积极作用。1950年之后，现代电子计算机的诞生促使数字仿真和计算机模拟在人们的生活中得到广泛应用，成为多个领域中不可或缺的一部分，例如军事领域等。20世纪末期，计算机软硬件技术取得飞速进步，促使计算机仿真在多个领域中得到广泛应用。

1.3 化工仿真技术

化工仿真技术，是建立在计算机软硬件系统之上的，模拟的基础和对象为实际生活中的仪器设备和化工工艺等，利用计算机软件对设备的工艺流程和操作流程进行模拟。

在教育教学以及企业培训中，化工仿真技术应用的非常普遍。从1980年之后，国内外积极研发计算机仿真系统，该系统被广泛应用在企业的培训中。近些年，计算机软硬件水平取得十分显著的发展，从而促进了化工仿真技术的快速发展，从传统的二维仿真进一步拓展到虚拟现实(Virtual Reality，VR)、3D可视化中。

2 化工仿真在教学上的作用及意义

21世纪之后，在科学技术方面取得了飞速进步。现代化工生产具有原料及产品众多、工艺复杂以及生产规模大等特征，促使生产过程向实现智能化和规模化发展；此外，政府和企业对安全生产有着比较高的要求；同时，化工生产要求化工从业人员要具备较高的职业素质和操作技能。对于传统的培训方式来说，已无法顺应现代化工的需求。应用化工仿真技术能够对生产设备的运行以及故障等进行模拟，此外，除了计算机之外，不用再追加硬件投资，不但使得教学和培训变得更加的安全，还使得教学的效率得到显著提升。仿真技术在化工实践教学中的应用效果具体表现为：

(1)获取概念。仿真技术运用计算机图形技术动画展示仿真模型实体的运动状况，促使教和学能够相互配合。因为利用动画展示，促使人们能够在屏幕上观看仿真系统的具体运行情况，能够对实践情况有一个全新的认识，使人们在屏幕上就能直接观看到操作中存在的错误，使得学生可以对系统形成更加全面的认识。

(2)加强激励。对于计算机仿真辅助训练来说，采用人机对话可以及时收到信息反馈，进而对学生的学习速度和进度做出合理的调整，不但可以增加教学力度，同时还能引导学生主动听讲，能够积极的接受教师传授的知识，使得教学效果更加的明显。仿真训练合理地采用程序化教学模式，因材施教，进而更好地指导现代化教育。仿真训练评分利用反馈控制和控制规律是相吻合的[1]。

(3)训练智能。化工仿真体现了多个学科的研究水平，其中包含数字仿真技术、模拟工程、计算机工程、控制工程以及应用工程，具有非常高的应用价值和技术含量。化工仿真是对化工系统进行模拟，学员不用到工厂就可以利用电子网络就能进行管理和操作，帮助学员了解、思考生产中的组分、压力以及流量等数据，使学生学会从本质上看问题，进一步提升学生的认知能力，并使学生的综合分析能力显著提升。

(4)培养创造性。仿真培训使得学生对操作控制方案的探索能够得以实现，促使学生能够利用仿真系统重新设计操作方案，能够对未知事物形成更加全面的认识，使学生能够进行独立的思考。仿真培训属于一项创造性的活动。

3 化工仿真在化工教学中的应用

3.1 化工原理实验仿真

化工原理和化工工艺的操作过程、设备用途和构造以及基本原理等存在十分密切的联系；在操作和验证时，需要进行10多个实验才能完成。化工原理实验仿真结合实际的操作流程，使得学生可以全面地了解。

部分院校由于受到资金等因素的影响，校园内不具备化工原理实训设备，学生不能进行实际操作。化工原理实验仿真能够很好的解决这一问题。比如，东方仿真软件提供的化工原理实验仿真多达10余个，例如精馏塔等。利用仿真能够使学生可以更清楚地了解化工设备的实际操作以及化工原理基础理论[2]。

3.2 化工单元操作仿真

化工单元操作课程教授的内容主要是化工生产中的单元操作，例如精馏和流体输送等常识。学生通过学习化工单元操作知识，可以有效地了解设备以及单元操作有关的基本理论，进而对化工设备操作办法有一个更加全面的认识，例如停车、排除故障以及开车等。利用仿真技术可以在计算机上模拟典型设备以及化工单元等，学生利用仿真操作能够对化工生产相关知识形成正确的认知，如单元操作技术以及单元操作原理等，这些都是一些常用的知识。采用化工仿真技术可以有效地解决学生在实际训练中面临的问题，减少硬件投入，促使学生的学习效率得到显著提升。

3.3 化工工艺仿真

化工工艺课程教授的内容主要是典型的化工生产工艺，对典型化工产品的生产原理和化工过程进行介绍。学生通过对典型化工产品排除故障方法以及生产工艺操作等知识的学习，进而对化工生产形成全面的认识。化工工艺课的学习内容存在特殊性，因此在学校不便开展实际训练，一般情况下都是在企业中进行实际操作。利用计算机仿真技术模拟典型的化工产品生产工艺，学生可以通过计算机操作有效地了解生产原理等知识。当前计算机技术快速发展，并已取得显著成绩，比如3D技术等已经被广泛应用在人们的生活中，使得仿真的仿真程度和实时性得到有效提升，进而能够使学生接受到更好的培训和教学效果。如合成氨工艺仿真等[3]。

3.4 大型仪器操作仿真

仪器分析课程简单地介绍了化学化工中常用的分析仪器的操作方法。其中，仪器分析实验在课程中占据着很重要的地位。对于仪器分析实验仿真而言，其指的是采用计算机仿真技术模拟仪器分析的实际操作环节和实际操作，学生采用计算机仿真技术进行实际操作训练，可以对设备操作技能有一个简单的认识。

此外，就学校和企业而言，将化工仿真应用于化工教学中，还可以协调和解决设备数量和学员数量之间存在的供需矛盾，进而使得多项培训和教学任务可以顺利的完成。

4 化工仿真应用中的相关问题探讨

在教学中运用仿真系统可以与实际生产过程相互结合，组织学生到企业进行实践，然后借助仿真教学，学生通过利用计算机进行操作，能够有效地弥补在企业中无法亲自动手的缺陷。就仿真实践教学来说，能把实训内容分成多个单元，按照一定的顺序层层递进，使学生能够进行操作实训，从而掌握产品生产的实际操作流程。仿真教学能够让学生人人都拥有仿真动手操作的机会，可以在短时间内积累一定的操作经验，使得学生解决实际问题的能力得到显著提升[4]。在仿真教学中应需要重视：第一，相似程度比较高的专业尽可能的使用统一的实习操作流程，以便后续更好地开展评价和交流工作；尽可能的减少重复开发的现象，能够节省实习经费。第二，利用计算机可以固化仿真操作系统中的工艺参数，其调节和控制都只能在计算机软件的特定区域内产生作用，然而实际生产工艺参数的变化情况和相关性相对来说比较复杂，教师在教学过程中需要重视教学态度，让学生对教学内容形成正确的认识，避免学生存在错误认知。

5 结语

化工仿真实训可以极大地提升学生的实践操作能力，丰富学生的理论知识，促使学生能够对化工仿真形成一个正确的认识，促使学生的实践操作水平能够得到显著提升，学生能够自主进行操作，可以独自完成整个操作流程，在教学中合理的采用化工仿真技术，对于提升学生的操作技能水平以及优化实验实训环境将发挥积极的作用。化工仿真实训属于一种全新的教学方法，其能够极大地提升学生接受知识的效率，使得学生能够学习到更多的相关知识，其应用前景将非常广泛。