化工原理實驗教學中仿真技術的應用

化工原理實驗作為化工原理課程中的一個重要組成部分是課堂教學的繼續、補充和深化，它具有直觀性、實踐性、綜合性、探索性和啟發性，它不僅可以有效的培養和提高學生獨立開展科學研究的素質和能力，還能強化學生在化工原理課上所學的基本原理和處理方法，同時它也能幫助學生樹立工程觀點，培養學生分析問題、解決問題的能力。因此化工原理實驗
在化工類及相關專業的人才培養中有著舉足輕重的作用。計算機仿真是一門隨著計算機的發展而興起的新技術，它通過接收操作人員的指令來模擬實際系統的行為。目前，在航天、航空、軍事、電子、機械、化工等行業都有廣泛的應用。通過把先進的仿真技術與傳統的化工原理實驗這兩個教學環節有機的結合在一起，不但能充實我們的教學內容，還促使實驗教學方法發生了較大的變革。
目前大學里開設的化工原理實驗課大都采用傳統的分組實驗的形式，由于受到實驗場地和實驗裝置以及課時和師資的限制，很難實現學生個人獨立完成實驗的目的。很多學生只是聽聽老師的講解，看看其他同學做的實驗，然后根據同組的數據寫出實驗報告，就算做完了一個實驗。通常沒有獨立的完成一個實驗，多數學生沒有什么實際操作，這種現象非常普遍。引入仿真實驗教學則在很大程度上解決了這個問題。
一、化工原理仿真軟件的特點及構成
1．化工原理仿真軟件的特點
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院研制的。該套軟件系統能提高化工原理實驗教學的效率和效果，提高學生自學能力和分析解決問題的能力；系統所使用的數學模型都是經過充分論證，能嚴格、細致模擬實際實驗過程；各個操作單元的實驗界面設計模仿了真實的實驗環境和設備，具有較強的立體感、真實感；實驗采用鼠標操作，系統自帶的幫助系統提供了與實驗相關的內容，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，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摩擦系數測定、流量計校核、離心泵特性曲線測定、過濾常數測定、傳熱系數測定、精餾塔操作、精餾塔塔板效率測定、吸收系數實驗、干燥曲線與干燥速率曲線測定、萃取系數測定，共10個操作單元組成，每個操作單元又由實驗理論、實驗仿真、數據處理三部分構成。其中實驗理論部分主要介紹該操作單元的實驗目的、實驗原理、實驗操作方法以及實驗注意事項等。
實驗仿真部分是將現場實驗中所用到的各個儀器、設備、儀表等在計算機上模擬運行，學生通過計算機的鍵盤和鼠標來進行實驗，實驗的操作過程與真實過程*一致，軟件中模擬的實驗設備能加強操作者對實驗裝置的理解，使學生對實驗用到的設備有更加直觀的認識。在實驗的過程中模擬的儀表能給操作者提供所需要的數據。對于學生在仿真操作過程所犯的錯誤，軟件會給出提示，以便學生能夠及時糾正。實驗數據處理部分主要用于對仿真實驗采集到的原始數據進行處理，該軟件通過已經建立好的數學模型對實驗過程中采集的數據進行自動化的處理，包括實驗數據和實驗圖形，同時軟件也給出了繪制實驗圖形所用到的擬合公式，可以把實驗規律較好的呈現在學生面前。
二、化工原理仿真軟件的操作
該教學軟件的運行環境是Window操作系統，采用了多媒體技術和仿真技術相結合的方式，能較好的模擬實際操作情況。下面以離心泵特性曲線測定操作單元為例介紹仿真軟件的操作。
1．實驗操作界面
實驗操作界面包括實驗操作部分和菜單欄。實驗操作部分標明了實驗裝置的名稱和各個管路的作用，以便加深學生對該操作單元的認識和理解，掌握流體的流向以及各個實驗裝置的作用。通過點擊菜單欄中的“幫助”按鈕學生可以了解本次實驗的實驗名稱、實驗目的、實驗原理、實驗裝置、實驗方法以及實驗過程中的注意事項等。菜單欄中的“確定”按鈕用于采集每次的實驗數據，“恢復”按鈕用于刪除已經采集到的實驗數據。實驗操作界面如下：

2．實驗操作過程
（ 1 ） 灌泵。因為離心泵位于貯水槽的上方，因此在啟動離心泵之前需要灌泵，打開閥門F3 先將貯水槽中放滿自來水，關閉F3；開啟閥門F1、F2，向離心泵中注入自來水，此時自來水管變成藍色，表明已經有自來水進入水管內了，當離心泵灌滿后，系統給出提示：“離心泵內已灌滿水，請關閉閥門F1 和F2！”，單擊“確定”按鈕關閉閥門F1、F2。開啟離心泵電源開關。此時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。用鼠標點擊閥門F5 改變流量，等讀數穩定后，點擊菜單欄的“確定”按鈕采集數據，再次用鼠標點擊閥門F5 改變流量，等讀數穩定后，點擊菜單欄的“確定”按鈕采集數據，如此反復操作，直到閥門F5 已經處于全開狀態，實驗結束。實驗裝置中閥門F4 和閥門F5 的作用都是用于改變管路中的流量，只是閥門F4 改變的流量較閥門F5 要小一些。
（3）數據處理。點擊菜單欄的“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圖，以及顯示離心泵特性曲線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、仿真實驗教學的開展以及教學效果
目前我?；ぴ韺嶒炚n安排分兩部分進行，每個學生先上機操作仿真實驗，然后再分組完成真實實驗。通過這樣的實驗安排，學生安裝實驗儀器、裝置的速度快了，操作比較規范；學生關于實驗基本操作方面的提問少了，基本操作方面的問題通過仿真實驗，自己能夠處理；學生的實驗報告內容較全面，對實驗現象觀察較仔細，問題討論比較深入，教學效果好。

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