仿真技术在_化工原理_教学中创新应用与实践

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Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．９Ｓｅｐ．２０１０

仿真技术在《化工原理》教学中创新应用与实践

刘

敏，罗婕，戴玉春

（湖南工业大学包装与材料工程学院，湖南株洲４１２００７）

[摘

要]针对《化工原理》的课程特点，将化工仿真技术引入到化工原理的课程教学中。使较为抽象的理论教学具有了一定

仿真技术所具有的形象生动和交互性强，为教学过程中设备结构的认程度可视化的效果，拉近了课程教学中理论与实践的距离。知、操作技能的训练和工程思维的培养提供了丰富的媒体素材支持。为化工原理课程教学手段的改进、教学质量的提升提供了有力保障。

[关键词]仿真技术；化工原理课程；教学改革[中图分类号]Ｇ７１

[文献标识码]Ａ

[文章编号]１００３－５０９５（２０１０）０９－００７１－０３

化工原理是一门化工类及其相近专业所必修的

主干技术基础课［１］，它是学生从基础理论走入专业技术、接触实际应用中遇到的第一门技术基础课。化工原理课程具有工程实践性强、理论计算量大的特点，使其要求学生既要具有较丰富的专业实践背景知识，又要掌握处理复杂实际问题的工程思维方法，同时还要具有技术经济意识。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。将化工仿真技术引入到化工原理的课程教学中，可使一些理论上的分析设计计算通过仿真设备的运行演示出来，具有一定程度的可视化效果，降低了学生认识理解上的难度，其具有如下特点。1仿真技术为学生认识设备结构、理解工程实践知识提供丰富的媒体支持化工原理课程的研究对象和课程特点决定了它要求学生在熟悉各种流动混合状况和设备结构的基础上，通过相应设计计算来确定设备的选型和相关操作参数。因此，它要求学生应该认识生产的流程结构，了解生产过程中各种设备结构和流体的流动混合状况，这种背景知识的建立有助于帮助学生树立工程意识、理解并掌握相关流程操作参数的设计。但对于刚刚接触技术类基础课程的学生，其实践经验的缺乏使其很难在理解的基础上建立起这种理论与实践的相互联系，这影响了学生对后续知识的学习和掌握。

[基金项目]湖南省普通高校教学改革研究项目（２００８２７７）[收稿日期]２０１０－０５－２７[作者简介]刘

敏（１９６３－），女，副教授，主要从事化工教学工作。

而化工仿真技术所模拟的一些主要生产过程的

流程结构图以及一些主要生产设备的结构原理动画图，正可以弥补学生在实践经验上不足所产生的学习困难。它通过对设备结构及其作用原理的动画模拟及对应的实物照片、对在各种操作条件下流体流动混合状况的实况录像，向学生展示实际生产过程的真实状

设备、控制方案、操作参数等，透彻况，包括工艺流程、

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［１］。所获得的完整信息是学生即使在实际生产现场也难以获得的，这种信息为学生在大脑中建立设备结构、流动混合状态和操作参数之间的相互联系打下坚实的基础，为学生理解生产流程结构、进行工程知识的建构积累宝贵背景知识。

2仿真技术为学生建立辩证思维的工程意识提供一个理论联系实际的平台

与基础理论课采用严谨的逻辑推理的思维方法来进行问题分析的做法不同的是，作为工程科学，化工原理所面临的是大量的工程实际问题的处理和解决。实际问题的复杂性，它要求学生转变在基础理论课学习中沿用的思维方式与思维习惯，学会在错综复杂的诸多影响因素中，通过周密地分析比较，抓住主要影响因素，抓大放小，进行合理简化，找到解决实际问题的正确途径［２］。

例在讲授传热一章有关影响换热器换热效率的因素分析时，引导学生分析换热器的总热阻与管内外流动流体的对流传热系数之间的关系，流体的物性与流动状况以及设备条件等因素对其影响。在此基础上把握如何在控制成本的前提下最大限度地提高换热

·７２·河北化工第９期

效率，学习在影响换热器换热效率的众多矛盾中抓主要矛盾和矛盾的主要方面，即在影响总热阻大小的两种流体对流传热系数中选取影响较大即对流传热系数的较小的流体，提高其流体流速，改善其对流传热

组织学生根据这个研究思路调整操作参数进行效率。

计算，并将按照抓大放小和大小都抓以及抓小放大思路调整操作参数所获得的计算结果相互比较，总结出实际生产中控制成本改善换热效率的最优化操作。同时运行化工仿真实验系统，把调整后的各参数输入进去，通过仿真系统可以非常直观地看到实际生产现场那种由于某些操作条件改变而引起的其他参数的变化，它们的变化方向与变化程度，是否在允许的范围内等。通过系统附带的实验数据处理系统自动对实验数据进行处理，得出各调整条件下换热器的换热效率，这样使理论教学中的工程设计计算具有了某种可视化的效果，使学生能更直观地感受和比较出各种设计操作条件的结果差异。

有了化工仿真教学系统的参与，理论课的教学所获得的不再抽象与枯燥的数字，通过仿真生产系统变成了生产环境中的压力表，流量计的控制，与实践联系得更加紧密，学生可以在边计算边操作的过程中，化抽象为生动，对问题的理解更加深入，从而使学生更容易掌握处理实际工程问题所采用的辩证分析、灵活处理的方法，从中提升学生的工程意识，培养其工程思维习惯。

3仿真技术为学生提高操作技能提供了一个实践创新的平台

了解典型化工设备结构、生产流程并熟练掌握其基本操作是一个学习化工专业的学生必备的基本功，仿真实验室的开设，能使学生同时从不同的角度（如基础理论、设计、操作、实验方法等）掌握所学技能，为学生创造了一个轻松而又严肃认真的学习环境，不但可以全面训练学生独立思考、解决问题的能力，而且可通过仿真所附带的视频和动画观察到真实物系实验教学中难以发现的现象，如各种操作条件下所引发的生产设备中物料混合、反应状况的改变等，提高了实践性教学环节的教学质量。

仿真实验室的开放可以为学生的学习和训练提供极好的学习场所，尤其是对于思维活跃、创意不断的学生来说，给他一个检验设想、试验创新的学习机会。仿真实验的容错性［３］使那些有可能引发事故而在真实环境中不被允许进行的操作和控制，在仿真实验室中都可以进行尝试，并可以亲眼目睹不当操作产生

的严重后果———如淹塔、烧泵等重大事故的发生，在极大地满足了学生探求欲望的同时，增强了学生的安全责任感。因此仿真实验室的建设完善为提升学生的操作技能、增强他们的操作安全意识提供了切实的保

障。

仿真实验室开设的实验可以是包括实验预习、操作和实验数据处理等全套过程的课程训练实验，如化工原理仿真实验，也可以是化工专业生产实习的现场仿真操作，还可以是大型仪器的仿真系统操作，通过仿真操作来了解设备结构流程，熟悉操作过程，以便为实际生产实习操作打下良好的基础。

4仿真技术为开展案例教学提供生动形象的媒体素材支持

化工案例教学着重研究为完成化工生产中的某一功能，各化工单元操作方法和设备的选择问题，通过在工程中的应用，明确化工过程与化工设备之间相互制约的辩证关系。因此它是培养学生实际应用能力的重要环节。

结合“蒸馏和塔设备”一章的教学，开展“乙苯－

的教学案例。该苯乙烯精馏过程及塔设备选型分析”

教学案例包括了分离方法选择、精馏过程的分析、塔设备性能对比及选型等内容。此外，从精馏过程整体优化和节能出发，分析了精馏过程要求与塔设备性能间的矛盾性和统一性。突出说明了减压精馏过程和低阻力高效填料塔的匹配是化工过程与设备“完美结合与统一”的典型范例。对于纠正教学中普遍存在的重过程轻设备的倾向，对改变轻视设备教学、脱离过程的设备教学等状况都十分有益［４］。

过去这种教学由于缺乏媒体素材的支持，从理论到理论比较抽象枯燥，现在有了多媒体与仿真技术相结合的仿真教学系统可提供直观、清晰、完整、动态的仿真界面，可以将理论的分析方案论证与设备性能的比较选择，随着思考分析的过程一步步具体直观地呈现出来，师生借助计算机高效地与仿真系统中的工艺流程、设备、分析工具等进行实时交互作用，相互影响，使教师、学生感觉到自己置身于一种特殊的教与学的环境之中，从而产生亲临真实企业环境的感受和体验，边计算论证边操作测试，从而被吸引着一步步完成充满分析论证的流程设计和设备选型的学习过程。

5结论

仿真技术引入到化工原理的课程教学中，可使较为抽象的理论教学中的流程分析、设计计算具有了一

第９期刘敏等：仿真技术在《化工原理》教学中创新应用与实践·７３·

定程度可视化的效果，对于提升学生的学习兴趣，培养其操作技能，全面深入理解相关学习内容具有积极的作用。通过仿真技术拉近了课程教学中理论与实践的距离，在二者之间搭建起一个相互密切联系的平

用中学的过程中，感受自己的台，使学生在边学边用、劳动成果，激发高昂的学习热情，去克服学习中遇到

了各种困难，完成学习任务。

仿真技术所具有的形象生动和可操作性，为教学过程中探求情境的设置，工艺流程、设备结构的认知，操作技能的训练，工程思维的培养提供了丰富的媒体

素材支持。为化工原理课程教学手段的改进，教学质量的提升提供了有力保障。

[参考文献]

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［４］李景鹤．化工原理课案例教学的探讨［Ｊ］．高等教学研究，１９９５，（２）：４０－４２．

CreativeApplicationandPracticeofSimulationTechnologyintheCourseofUnit

Operation

ＬＩＵＭｉｎ，ＬＵＯＪｉｅ，ＤＡＩＹｕ－ｃｈｕｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰａｃｋａｇｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ４１２００７，Ｃｈｉｎａ）

Abstract:Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｔｈｅｕｎｉｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｕｓｅｄｉｎｔｅａｃｈｉｎｇｏｆｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｕｎｉｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ．Ｉｔｍａｋｅｓａｂｓｔｒａｃｔｔｈｅｏｒｙｔｅａｃｈｉｎｇｂｅｃｏｍｅｖｉｓｕａｌｔｏｓｏｍｅｅｘｔｅｎｔａｎｄｐｕｌｌｃｌｏｓｅｒｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｖｉｖｉｄａｎｄｓｔｒｏｎｇｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｕｐｐｏｒｔｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｍｅｄｉａｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｒａｉｎｉｎｇｏｆｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｋｉｌｌａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｈｉｎｋｉｎｇ．Ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｅａｃｈｉｎｇｍｅａｎｓａｎｄｔｅａｃｈｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄｗｉｔｈｐｏｗｅｒｆｕｌｇｕａｒａｎｔｅｅｆｏｒｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｕｎｉｔｏｐｅｒａｔｉｏｎ．

Keywords:ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｃｏｕｒｓｅｏｆｕｎｉｔｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｔｅａｃｈｉｎｇｒｅｆｏｒｍ

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第６３页）

版社，２００１．

［２］黄荣，叶毓琼，何勇，等．萃取分光光度法快速测定烟草及制品

中烟碱的研究［Ｊ］．云南民族学院学报（自然科学版），１９９９，（３）：２５６－２５９．

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DeterminationofNicotineintheTobaccoSheetbyUV-VisSpectrophotometry

ＦＡＮＸｉｎ－ｓｈｕｎ１，ＴＩＡＮＸｉａｏ－ｈｕｉ１，ＳＨＡＯＷｅｉ－ｘｉｎｇ２，ＺＨＡＮＧＬｉ－ｋｅ２（１．ＨｅｎａｎＣｉｇａｒｅｔｔｅＩｎｄｕｓｔｒｙＴｏｂａｃｃｏＳｈｅｅｔＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｘｕｃｈａｎｇ４６１０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｎｅｅｒ－ｉｎｇ，ＸｕｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｕｃｈａｎｇ４６１０００，Ｃｈｉｎａ）

Abstract：Ｗｉｔｈｔｈｅｐｏｔａｓｓｉｕｍｐｅｒｍａｎｇａｎａｔｅａｓｃｏｌｏｒｉｎｇａｇｅｎｔｓ，ｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｎｉｃｏｔｉｎｅｉｎｔｏｂａｃｃｏｓｈｅｅｔｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ－ｖｉｓｉｂｌｅｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｒｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｎｉｃｏｔｉｎｅｉｎｔｏｂａｃｃｏｓｈｅｅｔｗｅｒｅ１．２９９６μｇ／ｍＬＴｈｅｍｅｔｈｏｄｈａｓｏｂｖｉｏｕｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｂｅｔｔｅｒｓｔａｂｉｌｉｔｙ．

Keywords：ｔｏｂａｃｃｏｓｈｅｅｔ；ｎｉｃｏｔｉｎｅ；ｐｏｔａｓｓｉｕｍｐｅｒｍａｎｇａｎａｔｅ；Ｕｖ－ｖｉｓｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｒｙ