论文部分内容阅读
摘要：化工单元仿真是针对化学工程与工艺专业开展的教学活动。它既属于实践环节又与理论知识紧密相连。本文笔者主要介绍了化工单元仿真实验在化工原理实验教学中的优势，探讨了其应用于实验教学时应该注意的问题。
关键词：化工原理实验 化工单元仿真实验教学
化工原理是我院化学工程与工艺本科专业的一门主干课。它是综合运用数学、物理、化学，生物技术等基础知识，分析和解决化工生产中各种物理操作问题的技术基础课。在我院化学工程与工艺本科专业创新人才培养中，它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务。而在化工原理实验教学中，学生首次接触到和实际化工生产设备较接近的工程装置（例如：离心泵、换热器、精馏塔、吸收塔，等）。因此，化工原理实验课在加深学生对于化工原理知识的理解，提高学生的工程实践能力，都起着十分重要的作用。化工原理实验课理论教学活动通常是在教室中进行。教师在黑板上写出实验装置结构及相关原理，学生在下记笔记。采用这种教学方式，教师讲得辛苦，学生听得乏味，教学效果很差，在做化工原理实验时，学生经常会出现各种各样的问题。如何来提高化工原理实验教学效果，一直是我们探讨和的思索问题。我院化工原理教研室也试图采用其他一些教学方法（例如：加强实验预习和开展多媒体实验教学），但教学效果不明显。借助于我院化工单元仿真实验室的建立，我们大胆地将其引进到化工原理实验的教学中。在做化工原理实验之前，学生可以利用仿真软件对化工原理实验装置进行不同的仿真操作，产生与实际化工原理实验装置相同的结果。通过该软件的练习，使学生产生了身临其境的现场体验，取得良好的教学效果。
一、化工单元仿真系统介绍
化工单元仿真系统是以计算机为手段，通过建立化工过程的动态数学模型，再现真实化工装置系统特性。它是建立在化工工艺、自动化仪表、化工设备等学科基础上的综合性技术，可以模拟化工生产装置的运行中的开车、停车、故障处理等工段操作过程，可以提高操作人员的理论水平和实践能力。
二、化工单元仿真的课程设计
石家庄学院化工学院于 2010 年 9 月从北京东方仿真公司引进 45 套化工单元实习仿真软件（CSTS），建立化工仿真实验室，到 2010 年底已经完成化工仿真实验室的验收并投入使用。化工单元仿真软件系统一共有 15 个单元，包括：反应器（固定床反应器单元、流化床反应器单元、间歇反应釜单元）、动力设备（压缩机单元、CO2 压缩机单元、离心泵单元、真空系统单元）、传热设备（锅炉单元、换热器单元、管式加热炉单元）、复杂控制（液位控制系统单元）、塔设备（精馏塔单元、吸收解吸单元、催化剂萃取控制单元）和罐区（罐区仿真单元）。我们按照按照实验的难易，选择了和化工原理实验教学内容最接近的 4 个单元实验，分别是离心泵单元、换热器单元、精馏塔单元和吸收系统单元。每个单元实验为 4 个课时，而仿真实验的时间则选择到理论课结束后，真实实验之前。
三、化工单元仿真引入化工原理实验教学的优势
1.有利于提高学生的实际操作技能
由于学院教学经费有限，我院化工原理实验装置通常是 4 个人一组，不能保证每个学生都有动手操作的机会，实际的教学效果并不理想。而化工单元仿真可以保证每个学生都有自己动手做实验的机会，不但可以更好的观察实验现象，而且对于实验原理也有更深入的理解。此外，对于一些操作复杂且耗时的实验（例如，精馏实验和吸收实验），学生可以重复地进行实验，不受时间和场地的限制，直到学会为止。
2.化工单元仿真的容错性
对于传统的化工原理实验，学生由于之前预习不充分，经常出现由实验操作失误引起实验事故。例如：离心泵的启动或关停的失误引起离心泵电机的烧毁。吸收塔操作失误则会引起氨气泄露。
实验事故的出现，一方面，使实验仪器损坏，造成学校国有资产的损失，影响了整个实验教学进度；另一方面，还会造危害教师和学生的身体健康，造成严重教学事故。而化工单元仿真软件可以从正面引导学生顺利完成化工原理实验，并允许失误和探索。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，甚至可以制造事故运行状态，可以从屏幕上直接观察到错误的后果，在纠正错误中掌握正确的操作方法。学生经过仿真实验的训练后，实验操作失误的现象大大减少。
3.化工单元仿真运行成本低
建设化工仿真实验室的总成本只有中试车间费用的五分之一。将化工单元仿真软件引入到化工原理实验教学中，使用周期长，可大大减少学校在培训工作中的人力及物力消耗，且易于维护。我院在化工仿真实验室的电脑上除了安装 CSTS 软件外，还安装了 AutoCAD、ChemCAD、ChemOffice 等应用软件，可以满足化工学院其他专业学生的使用，充分利用了现有设备，进一步降低其整体运行成本。
四、 化工单元仿真在化工原理实验教学中应该注意的问题
1. 化工单元仿真不能完全代替真实实验
化工单元仿真引入到化工原理实验课的教学中，对于提高其整体教学效果的作用明显。但在使用上，化工单元仿真软件不能代替真实实验。对于一些重要的化工单元操作经验（例如：离心泵的启动和关停，阀门的开启和关闭），学生必须通过真实实验来掌握。因此在化工原理实验教学的课时分配上，一定也有所体现，主要课时应该集中在真实实验上。
2.教师要转换角色
传统的化工原理实验教学，教师受教学时间和场地的限制，通常一次只能指导 6-8 名学生，但化工单元仿真软件的教学不同于传统意义上的化工原理实验教学。学生在各自的电脑上独立操作，教师则在机房的主机电脑上可以时时监控每台学生电脑上的实验情况，根据每个学生具体差异，可以一对一地进行指导，大大提高了实验教学效果。因此，主讲教师必须要经过严格的培训，系统掌握化工单元仿真软件的使用方法。
五、结论
化工单元仿真教学是以化工原理实验为基础，运用先进的教学思想和现代化的教学手段，培养学生的实际动手能力，为化工原理实验教学手段的改进和教学质量的提高提供了保障。
参考文献：
[1] 夏青. 化工原理（第一版）[M].天津：天津大学出版社，2005.
[2] 刘敏，罗婕，戴玉春. 仿真技术在《化工原理》教学中创新应用与实践[J]. 河北化工，2010.
[3] 张甲. 化工单元仿真在化工原理教学中的应用[J]. 广东化工，2011.
[4] 周爱东，王庆，杨红晓. 仿真技术应用于化工原理实验教学的创新实践[J]. 实验技术与管理，2007.
[5] 赵文辉，刘晓东，夏万东等.化工仿真训练系统在石油化工类专业实习中的应用[J].河北化工，2009.
[6] 吴赛苏. 化工仿真实训教学在应用技术人才培养中的开展与作用[J]. 广东化工，2008.
基金项目：石家庄学院教学改革研究项目（JGXM-201107B）。
作者简介：
于宏伟（1979- ），男，黑龙江省哈尔滨市人，工学博士，副教授。
（责编 高伟）
关键词：化工原理实验 化工单元仿真实验教学
化工原理是我院化学工程与工艺本科专业的一门主干课。它是综合运用数学、物理、化学，生物技术等基础知识，分析和解决化工生产中各种物理操作问题的技术基础课。在我院化学工程与工艺本科专业创新人才培养中，它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务。而在化工原理实验教学中，学生首次接触到和实际化工生产设备较接近的工程装置（例如：离心泵、换热器、精馏塔、吸收塔，等）。因此，化工原理实验课在加深学生对于化工原理知识的理解，提高学生的工程实践能力，都起着十分重要的作用。化工原理实验课理论教学活动通常是在教室中进行。教师在黑板上写出实验装置结构及相关原理，学生在下记笔记。采用这种教学方式，教师讲得辛苦，学生听得乏味，教学效果很差，在做化工原理实验时，学生经常会出现各种各样的问题。如何来提高化工原理实验教学效果，一直是我们探讨和的思索问题。我院化工原理教研室也试图采用其他一些教学方法（例如：加强实验预习和开展多媒体实验教学），但教学效果不明显。借助于我院化工单元仿真实验室的建立，我们大胆地将其引进到化工原理实验的教学中。在做化工原理实验之前，学生可以利用仿真软件对化工原理实验装置进行不同的仿真操作，产生与实际化工原理实验装置相同的结果。通过该软件的练习，使学生产生了身临其境的现场体验，取得良好的教学效果。
一、化工单元仿真系统介绍
化工单元仿真系统是以计算机为手段，通过建立化工过程的动态数学模型，再现真实化工装置系统特性。它是建立在化工工艺、自动化仪表、化工设备等学科基础上的综合性技术，可以模拟化工生产装置的运行中的开车、停车、故障处理等工段操作过程，可以提高操作人员的理论水平和实践能力。
二、化工单元仿真的课程设计
石家庄学院化工学院于 2010 年 9 月从北京东方仿真公司引进 45 套化工单元实习仿真软件（CSTS），建立化工仿真实验室，到 2010 年底已经完成化工仿真实验室的验收并投入使用。化工单元仿真软件系统一共有 15 个单元，包括：反应器（固定床反应器单元、流化床反应器单元、间歇反应釜单元）、动力设备（压缩机单元、CO2 压缩机单元、离心泵单元、真空系统单元）、传热设备（锅炉单元、换热器单元、管式加热炉单元）、复杂控制（液位控制系统单元）、塔设备（精馏塔单元、吸收解吸单元、催化剂萃取控制单元）和罐区（罐区仿真单元）。我们按照按照实验的难易，选择了和化工原理实验教学内容最接近的 4 个单元实验，分别是离心泵单元、换热器单元、精馏塔单元和吸收系统单元。每个单元实验为 4 个课时，而仿真实验的时间则选择到理论课结束后，真实实验之前。
三、化工单元仿真引入化工原理实验教学的优势
1.有利于提高学生的实际操作技能
由于学院教学经费有限，我院化工原理实验装置通常是 4 个人一组，不能保证每个学生都有动手操作的机会，实际的教学效果并不理想。而化工单元仿真可以保证每个学生都有自己动手做实验的机会，不但可以更好的观察实验现象，而且对于实验原理也有更深入的理解。此外，对于一些操作复杂且耗时的实验（例如，精馏实验和吸收实验），学生可以重复地进行实验，不受时间和场地的限制，直到学会为止。
2.化工单元仿真的容错性
对于传统的化工原理实验，学生由于之前预习不充分，经常出现由实验操作失误引起实验事故。例如：离心泵的启动或关停的失误引起离心泵电机的烧毁。吸收塔操作失误则会引起氨气泄露。
实验事故的出现，一方面，使实验仪器损坏，造成学校国有资产的损失，影响了整个实验教学进度；另一方面，还会造危害教师和学生的身体健康，造成严重教学事故。而化工单元仿真软件可以从正面引导学生顺利完成化工原理实验，并允许失误和探索。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，甚至可以制造事故运行状态，可以从屏幕上直接观察到错误的后果，在纠正错误中掌握正确的操作方法。学生经过仿真实验的训练后，实验操作失误的现象大大减少。
3.化工单元仿真运行成本低
建设化工仿真实验室的总成本只有中试车间费用的五分之一。将化工单元仿真软件引入到化工原理实验教学中，使用周期长，可大大减少学校在培训工作中的人力及物力消耗，且易于维护。我院在化工仿真实验室的电脑上除了安装 CSTS 软件外，还安装了 AutoCAD、ChemCAD、ChemOffice 等应用软件，可以满足化工学院其他专业学生的使用，充分利用了现有设备，进一步降低其整体运行成本。
四、 化工单元仿真在化工原理实验教学中应该注意的问题
1. 化工单元仿真不能完全代替真实实验
化工单元仿真引入到化工原理实验课的教学中，对于提高其整体教学效果的作用明显。但在使用上，化工单元仿真软件不能代替真实实验。对于一些重要的化工单元操作经验（例如：离心泵的启动和关停，阀门的开启和关闭），学生必须通过真实实验来掌握。因此在化工原理实验教学的课时分配上，一定也有所体现，主要课时应该集中在真实实验上。
2.教师要转换角色
传统的化工原理实验教学，教师受教学时间和场地的限制，通常一次只能指导 6-8 名学生，但化工单元仿真软件的教学不同于传统意义上的化工原理实验教学。学生在各自的电脑上独立操作，教师则在机房的主机电脑上可以时时监控每台学生电脑上的实验情况，根据每个学生具体差异，可以一对一地进行指导，大大提高了实验教学效果。因此，主讲教师必须要经过严格的培训，系统掌握化工单元仿真软件的使用方法。
五、结论
化工单元仿真教学是以化工原理实验为基础，运用先进的教学思想和现代化的教学手段，培养学生的实际动手能力，为化工原理实验教学手段的改进和教学质量的提高提供了保障。
参考文献：
[1] 夏青. 化工原理（第一版）[M].天津：天津大学出版社，2005.
[2] 刘敏，罗婕，戴玉春. 仿真技术在《化工原理》教学中创新应用与实践[J]. 河北化工，2010.
[3] 张甲. 化工单元仿真在化工原理教学中的应用[J]. 广东化工，2011.
[4] 周爱东，王庆，杨红晓. 仿真技术应用于化工原理实验教学的创新实践[J]. 实验技术与管理，2007.
[5] 赵文辉，刘晓东，夏万东等.化工仿真训练系统在石油化工类专业实习中的应用[J].河北化工，2009.
[6] 吴赛苏. 化工仿真实训教学在应用技术人才培养中的开展与作用[J]. 广东化工，2008.
基金项目：石家庄学院教学改革研究项目（JGXM-201107B）。
作者简介：
于宏伟（1979- ），男，黑龙江省哈尔滨市人，工学博士，副教授。
（责编 高伟）