第３０卷第１２期 ２０１６年１２月 化工时刊 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｔｉｍｅｓ Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．１２．２０１６ ｄｏｉ：１０．１６ｓ９７／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ．１００２—１５４ｘ．２０１６．１２．０１３ 仿真实验在化工原理实践教学中的应用 陈晓陆 马志研 高 爽 （营１＝Ｉ理工学院化学材料与工程系，辽宁营口Ｉ１５ｏｏｏ） 摘要随着现代社会的迅速发展，以计算机技术为基础的虚拟仿真实验已经成为高校实验教学发展的一个新趋 势。仿真实验是以仿真模拟软件为依托，在微机上运用全数字化的手段模拟真实实验现象并对其结果进行处理和分 析。我院最近将虚拟仿真实验教学内容纳入化工原理实验课程，在真实实验教学中引入了虚拟仿真实验教学内容。 实践表明，仿真实验弥补了传统实验教学的不足，提高了实验教学的效果。虚拟仿真实验教学以培养应用型人才为 核心。与真实实验相结合共同构筑了完整的化工原理实验体系，为社会培养更多具有高素质的应用型人才。 关键词化工原理实验虚拟仿真实验实践教学 随着现代科学技术的发展和社会上应用技术型 人才的紧缺，各高校都认识到实验教学作为高等学校 教学工作的重要组成部分，是培养应用型人才的基 础，也是提高教学质量、实现素质教育的重要教学环 节。特别是我国正在扩大对应用型、技能型人才的需 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 Ｊ。很多学生在做实验时只是听 老师的讲解，看着同组其他同学做实验，然后根据同 组的数据完成实验报告。既没有自己独立动手实际 操作，也没有更深刻的去理解实验。采用虚拟仿真实 验教学与传统的分组实验相结合的办法很大程度上 改变现状。学生在分组真实实验之前先集中进行虚 拟仿真实验，虚拟仿真实验既成为真实实验一个很好 的预习，又将课堂上学到的理论知识与实验室中涉及 求，教育部也提倡本科院校应提高实验教学水平，以 培养满足社会需求的应用型人才为目标。我院正逐 渐形成理论教学与实验教学相互交叉、紧密结合、相 辅相成的新氛围。化工原理实验同理论教学一样是 整个化工原理教学过程中的一个重要组成部分，是课 堂教学的继续、补充和深化。它不仅可以有效的培养 的实际问题紧密地结合起来，它既给学生进行真实实 验之前热了身，又起到连接理论课本与实际应用的桥 梁作用。 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，增强处理实际问 题的能力，因此化工原理实验在化工类及相关专业的 化工原理仿真实验的内容 化工原理实验教学中的虚拟仿真实验是以仿真 人才培养中有着举足轻重的作用…。随着计算机硬 件和软件的不断研发，计算机的性价比不断提升，计 算机仿真与航天、电子、机械、化学化工等领域相结 合，对于各行业中复杂体系的研究、尖端技术的开发 和应用都起着重要的作用。通过把先进的虚拟仿真 技术与传统的化工原理实验有机的结合在一起，不但 能充实我们的教学内容，还锐意创新，为社会培养更 多具有创新精神的高素质应用型人才。 目前部分高校里开设的化工原理实验课程大都 采用传统的分组实验的形式，由于受到实验场地和实 收稿日期：２０１６—１１—１１ 模拟软件为依托，依照真实实验的相关参数，在微机 上运用全数字化手段模拟真实的实验现象，并对其结 果进行处理和分析。系统所使用的数学模型都是经 过充分论证，能够模拟实际实验的全部过程；各个操 作单元的实验界面设计模仿了真实的实验条件和设 备，具有较强的真实感；实验采用鼠标操作，软件自带 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。软件由单 个化工单元操作组成，每个操作单元又由实验理论、 作者简介：陈晓陆（１９８３一），男，硕士，实验师，主要从事化工原理实验教学方面的工作。Ｅ—ｍａｉｌ：４２３２９８１６＠ｑｑ．ＣＯｒｎ －－－——４１．－－—— ２０１６．Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１２ 教改论坛 仿真操作、数据处理三部分构成。实验理论部分主要 以在计算机上多次再现，允许学生在错误中观察现 介绍实验目的，实验原理，操作方法、注意事项等 。 仿真操作是将现场中所用到的设备在微机上按照真 实实验的参数要求来模拟运行，具有全工况可操作 性。数据处理部分是对学生在操作过程中采集到的 原始数据进行处理，软件通过已经建立好的数学模型 对数据进行自动处理，并依据所选用的拟合公式对数 据进行绘图等必要的分析，从中使实验规律较好的呈 现出来，更好地加强操作者对实验装置的理解，使学生 对仿真实验有较为深刻的认识，同时对化工单元操作 的概念从工程观念上有一个突破式的了解和认识 。 象，加深工程中对实际问题的理解。针对化工单元操 作设备结构复杂、作用机理难以直接测定等问题，虚 拟仿真软件采用计算机多媒体技术，运用实物、半实 物或全数字化动态模型，以动画、图像等方式来表示， 真实地重现化工机械的内部结构。以传热单元操作 为例，图ｌ是传热实验正常工作时的ＳＣＤ图，主要设 备参数随操作过程发生与真实实验一样的变化。学 生如同亲Ｉ艋实验现场一般，提高了学生的实验兴趣， 使课堂内容生动有趣 Ｊ。 化工原理仿真实验的特点 ２．１ 投资少维护方便，避免实验事故发生 化工原理实验装置一般价格比较昂贵，占地空间 大，学生上课只能分组进行，无法保证每人一台。实 验装置的材料多用不锈钢制成，容易生锈腐蚀，且维 护费用高。而虚拟仿真实验所需软件安装在普通微 图１ 传热实验常态开车ＤＣＳ界面 Ｆｉｇ １ Ｎｏｒｍａｌ ｄｒｉｖｉｎｇ ＤＣＳ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 机上就可运行。学生可亲自动手操作，缓解了真实实 验中实验操作人员多而实验装置相对紧张的情况，并 且仅需一般微机１３常维护的费用，维护费用低廉。真 实实验过程中，经常会出现由于学生的操作失误而使 实验无法正常进行，甚至引发事故造成人身安全的问 题。采用虚拟仿真实验在实验操作失误的情况下，通 过弹出消息对话框给出警告及信息提示，防止错误的 发生 Ｊ。若真出现不正常现象，也可退出系统重新 目前我校化工原理实验课安排分两部分进行，每 个学生先进行一周的虚拟仿真实验教学，操作合格 后，再分组进行真实实验 。通过这样的实验安排， 学生在进行分组真实实验之前先通过模拟仿真实验 对实验装置有了充分的了解，学生安装和调试实验仪 器、装置的速度变快了，对装置进行的操作比之前更 熟练和规范了；学生能够熟练的完成实验的基本操 作，对实验现象本身的观察更加仔细了；对数据进行 的处理也更加准确了，实验报告的内容变得更加全 面，问题讨论比之前更深人。虚拟仿真实验作为一种 登录软件，不会造成任何损害。 ２．２数据处理、结果分析方便快捷 传统分组实验学生需手动记录数据，将数据代入 公式进行处理，计算较为繁琐，然后根据计算结果描 点绘制曲线，完成实验报告的时问较长。虚拟仿真实 验中微机将实验操作后得到的结果自动记录列表，学 生输入所需原理公式，微机就会将列表数据代入原理 公式，得到相应的计算结果。然后依据原理公式将数 据在坐标图上描点，画出相对应的曲线并对曲线进行 线性回归，整个过程都在微机上完成，缩短了数据处 理和绘图所用的时间。。 。 ２．３实验操作简便，工艺流程逼真，提高学生兴趣 辅助教学手段，对真实实验起到了补充和完善的作 用，强化了化工原理实验教学效果 。 虚拟仿真实验除了可以应用在化工基础实验课 程外，还可以应用到一些相关专业的特殊实验中。化 工各专业方向还有一些专业特征较强的实验课程，要 涉及高温、高压、多环节、长周期、高物耗、高危险等诸 多方面，因受安全及经费等实际条件的制约，对开设 传统实验的实验操作较复杂，周期长，学生的误 操作对设备影响较大。虚拟仿真实验实验操作简便， 周期短，软件有容错性，实验及不正常的操作现象可 一此类实物实验都是审慎的。而仿真实验教学不受这 些条件的限制，随着虚拟仿真技术的发展，这样不便 ４２一 陈晓陆等仿真实验在化工原理实践教学…一 ２０１６．Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１２ 量的探索与实践［Ｊ］．吉林化工学院学报，２０１２，２９（６） ：７９—８１． 于实验室开设的实验课程可依据教学需要，可通过开 设仿真实验来弥补不能开设真实实验带来的的缺 陷 ”］。此外仿真实验的设备投资及维护费用较 少，这样既缓解了由于高校扩招对实验条件带来的硬 件压力，解决了实验的开出率受到限制的问题，又不 ［２］李明田．浅谈化工原理仿真实验在教学实践中的研究 ［Ｊ］．中国科教创新导刊，２００７，４５（４）：７０～７Ｏ． ［３］ 陈旭冰，赵俊英，刘光明．化工原理仿真实验在实验教学 中的应用［Ｊ］．大理学院学报，２００６，５（２）：８９～９０． 必担心真实实验中突发事件对人身安全造成伤害等问 题。在实践教学过程中，合理地统筹协调好二者的关 系，使虚拟仿真实验与真实实验紧密结合相辅相成。 ［４］ 陈国辉，刘有才，刘士军等．虚拟仿真实验教学中心实 验教学体系建设［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１５，３４（８）： １６９ １７２． 口缝适 化工原理实验课程采用虚拟仿真教学的新方法， ［５］ 王小红，张可，孙中亮等．化工原理仿真实验技术的应 用研究［Ｊ］．实验科学与技术，２００７，５（４）：７８～８０． ［６］袁光辉．化工原理仿真实验教学的实践与思考［Ｊ］．广 东化工，２０１１，３８（１１）：１５５～１５９． 将虚拟仿真实验作为辅助手段，与传统的分组实验形 式合理的结合，弥补了传统分组实验的不足，丰富了 实验教学的内容，提升了实验教学的效果，使虚拟仿 真实验更好地服务于实验教学任务。以培养应用型 人才为核心的虚拟仿真实验，与真实实验相结合共同 构筑了完整的化工原理实验课程体系，为社会培养出 更多具有高素质的应用型人才。 参考文献 ［７］ 杨郭，彦杰，李玉芝等．仿真技术在化工原理实验教学中的 应用［Ｊ］．四川理工学院学报，２Ｏ０７，２２（１０）：２５２￣２５３． ［８］ 李云金．浅谈高校化工原理实验教学中的计算机辅助教 学一仿真实验［Ｊ］．潍坊学院学报，２３Ｏ２，２（２）：１０３—１０４． ［９］ 柳海兰．化工仿真技术在实践教学中的应用于发展 ［Ｊ］．广东化工，２０１０，３７（１１）：１８１～１８９． ［１Ｏ］ 范明舫，贺楚华，王延飞等．化工实验仿真趋势及在我 院的应用［Ｊ］．广东化工，２０１３，４０（３２）：１８３～１８５． ［１ １］ 许秀云，＿张玉梁．依托现代信息技术提高实验教学质量 ［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１１，３０（５）：１３０—１３２． ［Ｉ］徐红军，张卫华，王卫东等．提高化工原理实验教学质 日绫 （１）所有化合物都是结构比较稳定的平面结构。 （２）多并呋喃类化合物比稠和螺旋类呋喃化合 物更稳定。 ｖｅａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｒａｎ 图１ 多并呋喃类化合物２ａ、３ａ和 ４ａ的最大吸收波长 Ｆｉｇ １ Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ２ａ、３ａ ａｎｄ ４ａ （３）伴随并呋喃环数的增加，最大吸收波长红移 明显，而且强度增强。 参考文献 ［１］ Ｅ．Ｍ．Ｈｅｒｓｈ，Ｇ．Ｂｒｅｗｔｏｎ，Ｄ．Ａｂｒｍａｓ，Ｊ．Ｂｅｌｅｔｔ，．ＰＧｉｌ，Ｒ． Ｇｏｒｔｅｒ，Ｍ．Ｇｏｒｔｉｅｂ，Ｊ．Ｊ．Ｊｏｎｉｋａｓ，Ｓ．Ｌｎａｄｅｓｍｎａ，Ａ．Ｌｅｖｉｎｅ， Ａ．Ｍａｒｅｅｌ，Ｅ．Ａ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ，Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅ，Ｊ．Ｚｈａｒａｄｎｉｋ，Ｃ． Ｎｅｇｒｏｎ，Ｆ．Ｂｏｕｔｉｔｉｅ，Ｊ．ＣａｎＬｘａ，Ｊ．Ｍ．ＤｕＰｕｙ ａｎｄ Ｒ．Ｓａｉｍｉ， ＪＡｍ．Ａｓｓｏｎ，１９９１，２６５，１ ５３８． 而且强度逐渐增强。三种化合物对应的最大吸收波 长均为基态ｓ。到单重激发态ｓ 的跃迁，分子跃迁均 为ＨＯＭＯ到ＬＵＭＯ的跃迁。所有化合物的最大吸收 波长均在紫外可见光范围，可见光区域分子不易光致 分解，并呋喃衍生物具有的光学性质可以用作电致发 光新材料。 ［２］Ｍ． ｉ，Ｎ．Ｇ．Ｃｏｍｒｅｌｌｙ，Ｍ．Ｃ．Ｇｉｒａｅｎｏ，Ｊ．Ｊｉｍｅｎｅｚ，Ｐ．Ｇ． Ｊｏｎｅｓ，Ａ． ｌｇｕＩｌａ，ａｎｄ Ｍ．Ｌａｇｕｎａ，Ｓｙｎｔｈｅｓｅｓ ｏｆ ｄｉｎｕｅｌｅａｒｇｏｌｅ （Ｉ）ｒｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｘｅｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｇ ｔｎｗｏ ｄｉｅｆｆｒｅｎｔ ｂｒｉｄｇｉｎｇｌｉｇｎａｄｓ． ｃｒｙｓｔａＵ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ［ ｛ 一（ＣＨ２）２Ｐｆ ｝（ 一 ｓ２ｃＮ ）］［Ｊ］．Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．ＤａｌｔｏｎＴｍｍ，１９９４，１ １６３． ．－－——４３－．－——
