化工原理实验教学中仿真技术的应用

化工原理实验作为化工原理课程中的一个重要组成部分是课堂教学的继续、补充和深化，它具有直观性、实践性、综合性、探索性和启发性，它不仅可以有效的培养和提高学生独立开展科学研究的素质和能力，还能强化学生在化工原理课上所学的基本原理和处理方法，同时它也能帮助学生树立工程观点，培养学生分析问题、解决问题的能力。因此化工原理实验
在化工类及相关专业的人才培养中有着举足轻重的作用。计算机仿真是一门随着计算机的发展而兴起的新技术，它通过接收操作人员的指令来模拟实际系统的行为。目前，在航天、航空、军事、电子、机械、化工等行业都有广泛的应用。通过把先进的仿真技术与传统的化工原理实验这两个教学环节有机的结合在一起，不但能充实我们的教学内容，还促使实验教学方法发生了较大的变革。
目前大学里开设的化工原理实验课大都采用传统的分组实验的形式，由于受到实验场地和实验装置以及课时和师资的限制，很难实现学生个人独立完成实验的目的。很多学生只是听听老师的讲解，看看其他同学做的实验，然后根据同组的数据写出实验报告，就算做完了一个实验。通常没有独立的完成一个实验，多数学生没有什么实际操作，这种现象非常普遍。引入仿真实验教学则在很大程度上解决了这个问题。
一、化工原理仿真软件的特点及构成
1．化工原理仿真软件的特点
我校使用的化工原理仿真软件是由高等教育出版社出版北京轻工学院研制的。该套软件系统能提高化工原理实验教学的效率和效果，提高学生自学能力和分析解决问题的能力；系统所使用的数学模型都是经过充分论证，能严格、细致模拟实际实验过程；各个操作单元的实验界面设计模仿了真实的实验环境和设备，具有较强的立体感、真实感；实验采用鼠标操作，系统自带的帮助系统提供了与实验相关的内容，原始数据记录和数据处理结果显示等功能齐全；软件采用了容错技术，使得系统具有较好的安全性和稳定性。
2．化工原理仿真软件的构成
该套软件由流体流动摩擦系数测定、流量计校核、离心泵特性曲线测定、过滤常数测定、传热系数测定、精馏塔操作、精馏塔塔板效率测定、吸收系数实验、干燥曲线与干燥速率曲线测定、萃取系数测定，共10个操作单元组成，每个操作单元又由实验理论、实验仿真、数据处理三部分构成。其中实验理论部分主要介绍该操作单元的实验目的、实验原理、实验操作方法以及实验注意事项等。
实验仿真部分是将现场实验中所用到的各个仪器、设备、仪表等在计算机上模拟运行，学生通过计算机的键盘和鼠标来进行实验，实验的操作过程与真实过程完全一致，软件中模拟的实验设备能加强操作者对实验装置的理解，使学生对实验用到的设备有更加直观的认识。在实验的过程中模拟的仪表能给操作者提供所需要的数据。对于学生在仿真操作过程所犯的错误，软件会给出提示，以便学生能够及时纠正。实验数据处理部分主要用于对仿真实验采集到的原始数据进行处理，该软件通过已经建立好的数学模型对实验过程中采集的数据进行自动化的处理，包括实验数据和实验图形，同时软件也给出了绘制实验图形所用到的拟合公式，可以把实验规律较好的呈现在学生面前。
二、化工原理仿真软件的操作
该教学软件的运行环境是Window操作系统，采用了多媒体技术和仿真技术相结合的方式，能较好的模拟实际操作情况。下面以离心泵特性曲线测定操作单元为例介绍仿真软件的操作。
1．实验操作界面
实验操作界面包括实验操作部分和菜单栏。实验操作部分标明了实验装置的名称和各个管路的作用，以便加深学生对该操作单元的认识和理解，掌握流体的流向以及各个实验装置的作用。通过点击菜单栏中的“帮助”按钮学生可以了解本次实验的实验名称、实验目的、实验原理、实验装置、实验方法以及实验过程中的注意事项等。菜单栏中的“确定”按钮用于采集每次的实验数据，“恢复”按钮用于删除已经采集到的实验数据。实验操作界面如下：

2．实验操作过程
（ 1 ） 灌泵。因为离心泵位于贮水槽的上方，因此在启动离心泵之前需要灌泵，打开阀门F3 先将贮水槽中放满自来水，关闭F3；开启阀门F1、F2，向离心泵中注入自来水，此时自来水管变成蓝色，表明已经有自来水进入水管内了，当离心泵灌满后，系统给出提示：“离心泵内已灌满水，请关闭阀门F1 和F2！”，单击“确定”按钮关闭阀门F1、F2。开启离心泵电源开关。此时连接在管路上的真空表和压力表以及离心泵的功率标出现读数。
（2）调节流量以及采集数据。用鼠标点击阀门F5 改变流量，等读数稳定后，点击菜单栏的“确定”按钮采集数据，再次用鼠标点击阀门F5 改变流量，等读数稳定后，点击菜单栏的“确定”按钮采集数据，如此反复操作，直到阀门F5 已经处于全开状态，实验结束。实验装置中阀门F4 和阀门F5 的作用都是用于改变管路中的流量，只是阀门F4 改变的流量较阀门F5 要小一些。
（3）数据处理。点击菜单栏的“原始数据”按钮可以显示系统采集到的原始数据，点击“数据处理”按钮可以计算出流量、离心泵的扬程、轴功率、效率并且做出离心泵的性能特性曲线图，以及显示离心泵特性曲线所使用的回归表达式。
3．数据处理界面
数据处理界面包括三个部分：计算结果部分、图形部分、回归表达式部分。其界面如下：
三、仿真实验教学的开展以及教学效果
目前我校化工原理实验课安排分两部分进行，每个学生先上机操作仿真实验，然后再分组完成真实实验。通过这样的实验安排，学生安装实验仪器、装置的速度快了，操作比较规范；学生关于实验基本操作方面的提问少了，基本操作方面的问题通过仿真实验，自己能够处理；学生的实验报告内容较全面，对实验现象观察较仔细，问题讨论比较深入，教学效果好。

综上所述，可以清楚看出，把仿真实验引入到化工原理实验课中，对于提高整体教学效果的作用是非常明显的。虽然仿真实验不能完全代替现场实验，但它们之间可以互相补充，而且仿真实验有它自己的优势：首先利用仿真实验，可以保证每个学生都能独立的完成实验任务，提高了学生实际动手能力，仿真实验教学采用的多媒体技术，能使实验过程具有一定的趣味性，提高学生学习实验课的积极性，仿真实验教学采用的每个学生独立在计算机上操作的教学模式，学生可以重复进行实验，而不受时间、场地、安全等实际实验条件的限制，可以提高学生的预习效果，为学生顺利的完成现场实验打下基础。其次仿真实验教学能减少学生在现场实验中的错误操作，在计算机上进行仿真练习，当学生进行了错误操作的时候，软
件会给出提示并纠正学生的错误操作，这样能减少学生在现场实验时的错误操作，如在进行离心泵特性曲线测定实验的时候，如果学生没有灌泵，直接启动离心泵的电源开关，系统会给出提示“离心泵内无水，发生气缚，吸不上液体！”而这在实际操作中是不允许的。另外仿真实验使理论教学与实验教学更为紧密地联系在一起，既方便了课堂的实验演示，又增加了课堂内容，同时也减轻了教师对实验装置的维护压力，减少了教师实验前的准备工作量。最后仿真实验软件可直接安装在现有的网络教学计算机上，而无需增加硬件投资，同时它和多媒体课件可以资源共享，符合现代多媒体教学的要求。
化工原理实验仿真教学方法以真实实验为基础，吸收和运用了先进的教学思想，利用现代化的教学手段，培养了学生的实际动手能力，将实验改革引入了新的天地。所以在化工原理实验学中开展仿真实验已经成为化工原理实验教学改革的新方向。