化工原理實(shí)驗教學(xué)中仿真技術(shù)的應用

化工原理實(shí)驗作為化工原理課程中的一個(gè)重要組成部分是課堂教學(xué)的繼續、補充和深化，它具有直觀(guān)性、實(shí)踐性、綜合性、探索性和啟發(fā)性，它不僅可以有效的培養和提高學(xué)生獨立開(kāi)展科學(xué)研究的素質(zhì)和能力，還能強化學(xué)生在化工原理課上所學(xué)的基本原理和處理方法，同時(shí)它也能幫助學(xué)生樹(shù)立工程觀(guān)點(diǎn)，培養學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。因此化工原理實(shí)驗
在化工類(lèi)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的人才培養中有著(zhù)舉足輕重的作用。計算機仿真是一門(mén)隨著(zhù)計算機的發(fā)展而興起的新技術(shù)，它通過(guò)接收操作人員的指令來(lái)模擬實(shí)際系統的行為。目前，在航天、航空、軍事、電子、機械、化工等行業(yè)都有廣泛的應用。通過(guò)把先進(jìn)的仿真技術(shù)與傳統的化工原理實(shí)驗這兩個(gè)教學(xué)環(huán)節有機的結合在一起，不但能充實(shí)我們的教學(xué)內容，還促使實(shí)驗教學(xué)方法發(fā)生了較大的變革。
目前大學(xué)里開(kāi)設的化工原理實(shí)驗課大都采用傳統的分組實(shí)驗的形式，由于受到實(shí)驗場(chǎng)地和實(shí)驗裝置以及課時(shí)和師資的限制，很難實(shí)現學(xué)生個(gè)人獨立完成實(shí)驗的目的。很多學(xué)生只是聽(tīng)聽(tīng)老師的講解，看看其他同學(xué)做的實(shí)驗，然后根據同組的數據寫(xiě)出實(shí)驗報告，就算做完了一個(gè)實(shí)驗。通常沒(méi)有獨立的完成一個(gè)實(shí)驗，多數學(xué)生沒(méi)有什么實(shí)際操作，這種現象非常普遍。引入仿真實(shí)驗教學(xué)則在很大程度上解決了這個(gè)問(wèn)題。
一、化工原理仿真軟件的特點(diǎn)及構成
1．化工原理仿真軟件的特點(diǎn)
我校使用的化工原理仿真軟件是由高等教育出版社出版北京輕工學(xué)院研制的。該套軟件系統能提高化工原理實(shí)驗教學(xué)的效率和效果，提高學(xué)生自學(xué)能力和分析解決問(wèn)題的能力；系統所使用的數學(xué)模型都是經(jīng)過(guò)充分論證，能?chē)栏?、細致模擬實(shí)際實(shí)驗過(guò)程；各個(gè)操作單元的實(shí)驗界面設計模仿了真實(shí)的實(shí)驗環(huán)境和設備，具有較強的立體感、真實(shí)感；實(shí)驗采用鼠標操作，系統自帶的幫助系統提供了與實(shí)驗相關(guān)的內容，原始數據記錄和數據處理結果顯示等功能齊全；軟件采用了容錯技術(shù)，使得系統具有較好的安全性和穩定性。
2．化工原理仿真軟件的構成
該套軟件由流體流動(dòng)摩擦系數測定、流量計校核、離心泵特性曲線(xiàn)測定、過(guò)濾常數測定、傳熱系數測定、精餾塔操作、精餾塔塔板效率測定、吸收系數實(shí)驗、干燥曲線(xiàn)與干燥速率曲線(xiàn)測定、萃取系數測定，共10個(gè)操作單元組成，每個(gè)操作單元又由實(shí)驗理論、實(shí)驗仿真、數據處理三部分構成。其中實(shí)驗理論部分主要介紹該操作單元的實(shí)驗目的、實(shí)驗原理、實(shí)驗操作方法以及實(shí)驗注意事項等。
實(shí)驗仿真部分是將現場(chǎng)實(shí)驗中所用到的各個(gè)儀器、設備、儀表等在計算機上模擬運行，學(xué)生通過(guò)計算機的鍵盤(pán)和鼠標來(lái)進(jìn)行實(shí)驗，實(shí)驗的操作過(guò)程與真實(shí)過(guò)程*一致，軟件中模擬的實(shí)驗設備能加強操作者對實(shí)驗裝置的理解，使學(xué)生對實(shí)驗用到的設備有更加直觀(guān)的認識。在實(shí)驗的過(guò)程中模擬的儀表能給操作者提供所需要的數據。對于學(xué)生在仿真操作過(guò)程所犯的錯誤，軟件會(huì )給出提示，以便學(xué)生能夠及時(shí)糾正。實(shí)驗數據處理部分主要用于對仿真實(shí)驗采集到的原始數據進(jìn)行處理，該軟件通過(guò)已經(jīng)建立好的數學(xué)模型對實(shí)驗過(guò)程中采集的數據進(jìn)行自動(dòng)化的處理，包括實(shí)驗數據和實(shí)驗圖形，同時(shí)軟件也給出了繪制實(shí)驗圖形所用到的擬合公式，可以把實(shí)驗規律較好的呈現在學(xué)生面前。
二、化工原理仿真軟件的操作
該教學(xué)軟件的運行環(huán)境是Window操作系統，采用了多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)相結合的方式，能較好的模擬實(shí)際操作情況。下面以離心泵特性曲線(xiàn)測定操作單元為例介紹仿真軟件的操作。
1．實(shí)驗操作界面
實(shí)驗操作界面包括實(shí)驗操作部分和菜單欄。實(shí)驗操作部分標明了實(shí)驗裝置的名稱(chēng)和各個(gè)管路的作用，以便加深學(xué)生對該操作單元的認識和理解，掌握流體的流向以及各個(gè)實(shí)驗裝置的作用。通過(guò)點(diǎn)擊菜單欄中的“幫助”按鈕學(xué)生可以了解本次實(shí)驗的實(shí)驗名稱(chēng)、實(shí)驗目的、實(shí)驗原理、實(shí)驗裝置、實(shí)驗方法以及實(shí)驗過(guò)程中的注意事項等。菜單欄中的“確定”按鈕用于采集每次的實(shí)驗數據，“恢復”按鈕用于刪除已經(jīng)采集到的實(shí)驗數據。實(shí)驗操作界面如下：

2．實(shí)驗操作過(guò)程
（ 1 ） 灌泵。因為離心泵位于貯水槽的上方，因此在啟動(dòng)離心泵之前需要灌泵，打開(kāi)閥門(mén)F3 先將貯水槽中放滿(mǎn)自來(lái)水，關(guān)閉F3；開(kāi)啟閥門(mén)F1、F2，向離心泵中注入自來(lái)水，此時(shí)自來(lái)水管變成藍色，表明已經(jīng)有自來(lái)水進(jìn)入水管內了，當離心泵灌滿(mǎn)后，系統給出提示：“離心泵內已灌滿(mǎn)水，請關(guān)閉閥門(mén)F1 和F2！”，單擊“確定”按鈕關(guān)閉閥門(mén)F1、F2。開(kāi)啟離心泵電源開(kāi)關(guān)。此時(shí)連接在管路上的真空表和壓力表以及離心泵的功率標出現讀數。
（2）調節流量以及采集數據。用鼠標點(diǎn)擊閥門(mén)F5 改變流量，等讀數穩定后，點(diǎn)擊菜單欄的“確定”按鈕采集數據，再次用鼠標點(diǎn)擊閥門(mén)F5 改變流量，等讀數穩定后，點(diǎn)擊菜單欄的“確定”按鈕采集數據，如此反復操作，直到閥門(mén)F5 已經(jīng)處于全開(kāi)狀態(tài)，實(shí)驗結束。實(shí)驗裝置中閥門(mén)F4 和閥門(mén)F5 的作用都是用于改變管路中的流量，只是閥門(mén)F4 改變的流量較閥門(mén)F5 要小一些。
（3）數據處理。點(diǎn)擊菜單欄的“原始數據”按鈕可以顯示系統采集到的原始數據，點(diǎn)擊“數據處理”按鈕可以計算出流量、離心泵的揚程、軸功率、效率并且做出離心泵的性能特性曲線(xiàn)圖，以及顯示離心泵特性曲線(xiàn)所使用的回歸表達式。
3．數據處理界面
數據處理界面包括三個(gè)部分：計算結果部分、圖形部分、回歸表達式部分。其界面如下：
三、仿真實(shí)驗教學(xué)的開(kāi)展以及教學(xué)效果
目前我?；ぴ韺?shí)驗課安排分兩部分進(jìn)行，每個(gè)學(xué)生先上機操作仿真實(shí)驗，然后再分組完成真實(shí)實(shí)驗。通過(guò)這樣的實(shí)驗安排，學(xué)生安裝實(shí)驗儀器、裝置的速度快了，操作比較規范；學(xué)生關(guān)于實(shí)驗基本操作方面的提問(wèn)少了，基本操作方面的問(wèn)題通過(guò)仿真實(shí)驗，自己能夠處理；學(xué)生的實(shí)驗報告內容較全面，對實(shí)驗現象觀(guān)察較仔細，問(wèn)題討論比較深入，教學(xué)效果好。

綜上所述，可以清楚看出，把仿真實(shí)驗引入到化工原理實(shí)驗課中，對于提高整體教學(xué)效果的作用是非常明顯的。雖然仿真實(shí)驗不能*代替現場(chǎng)實(shí)驗，但它們之間可以互相補充，而且仿真實(shí)驗有它自己的優(yōu)勢：首先利用仿真實(shí)驗，可以保證每個(gè)學(xué)生都能獨立的完成實(shí)驗任務(wù)，提高了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，仿真實(shí)驗教學(xué)采用的多媒體技術(shù)，能使實(shí)驗過(guò)程具有一定的趣味性，提高學(xué)生學(xué)習實(shí)驗課的積極性，仿真實(shí)驗教學(xué)采用的每個(gè)學(xué)生獨立在計算機上操作的教學(xué)模式，學(xué)生可以重復進(jìn)行實(shí)驗，而不受時(shí)間、場(chǎng)地、安全等實(shí)際實(shí)驗條件的限制，可以提高學(xué)生的預習效果，為學(xué)生順利的完成現場(chǎng)實(shí)驗打下基礎。其次仿真實(shí)驗教學(xué)能減少學(xué)生在現場(chǎng)實(shí)驗中的錯誤操作，在計算機上進(jìn)行仿真練習，當學(xué)生進(jìn)行了錯誤操作的時(shí)候，軟
件會(huì )給出提示并糾正學(xué)生的錯誤操作，這樣能減少學(xué)生在現場(chǎng)實(shí)驗時(shí)的錯誤操作，如在進(jìn)行離心泵特性曲線(xiàn)測定實(shí)驗的時(shí)候，如果學(xué)生沒(méi)有灌泵，直接啟動(dòng)離心泵的電源開(kāi)關(guān)，系統會(huì )給出提示“離心泵內無(wú)水，發(fā)生氣縛，吸不上液體！”而這在實(shí)際操作中是不允許的。另外仿真實(shí)驗使理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)更為緊密地在一起，既方便了課堂的實(shí)驗演示，又增加了課堂內容，同時(shí)也減輕了教師對實(shí)驗裝置的維護壓力，減少了教師實(shí)驗前的準備工作量。zui后仿真實(shí)驗軟件可直接安裝在現有的網(wǎng)絡(luò )教學(xué)計算機上，而無(wú)需增加硬件投資，同時(shí)它和多媒體課件可以資源共享，符合現代多媒體教學(xué)的要求。
化工原理實(shí)驗仿真教學(xué)方法以真實(shí)實(shí)驗為基礎，吸收和運用了先進(jìn)的教學(xué)思想，利用現代化的教學(xué)手段，培養了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，將實(shí)驗改革引入了新的天地。所以在化工原理實(shí)驗學(xué)中開(kāi)展仿真實(shí)驗已經(jīng)成為化工原理實(shí)驗教學(xué)改革的新方向。