化工原理實(shí)驗(yàn)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(xù)、補(bǔ)充和深化,它具有直觀性、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(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立開展科學(xué)研究的素質(zhì)和能力,還能強(qiáng)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)生樹立工程觀點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。因此化工原理實(shí)驗(yàn)
在化工類及相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)中有著舉足輕重的作用。計(jì)算機(jī)仿真是一門隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而興起的新技術(shù),它通過接收操作人員的指令來模擬實(shí)際系統(tǒng)的行為。目前,在航天、航空、軍事、電子、機(jī)械、化工等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。通過把先進(jìn)的仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)這兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)有機(jī)的結(jié)合在一起,不但能充實(shí)我們的教學(xué)內(nèi)容,還促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法發(fā)生了較大的變革。
目前大學(xué)里開設(shè)的化工原理實(shí)驗(yàn)課大都采用傳統(tǒng)的分組實(shí)驗(yàn)的形式,由于受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)裝置以及課時(shí)和師資的限制,很難實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)人獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的目的。很多學(xué)生只是聽聽老師的講解,看看其他同學(xué)做的實(shí)驗(yàn),然后根據(jù)同組的數(shù)據(jù)寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告,就算做完了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。通常沒有獨(dú)立的完成一個(gè)實(shí)驗(yàn),多數(shù)學(xué)生沒有什么實(shí)際操作,這種現(xiàn)象非常普遍。引入仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)則在很大程度上解決了這個(gè)問題。
一、化工原理仿真軟件的特點(diǎn)及構(gòu)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(tǒng)能提高化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和效果,提高學(xué)生自學(xué)能力和分析解決問題的能力;系統(tǒng)所使用的數(shù)學(xué)模型都是經(jīng)過充分論證,能嚴(yán)格、細(xì)致模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程;各個(gè)操作單元的實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計(jì)模仿了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備,具有較強(qiáng)的立體感、真實(shí)感;實(shí)驗(yàn)采用鼠標(biāo)操作,系統(tǒng)自帶的幫助系統(tǒng)提供了與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的內(nèi)容,原始數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示等功能齊全;軟件采用了容錯(cuò)技術(shù),使得系統(tǒng)具有較好的安全性和穩(wěn)定性。
2.化工原理仿真軟件的構(gòu)成
該套軟件由流體流動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)定、流量計(jì)校核、離心泵特性曲線測(cè)定、過濾常數(shù)測(cè)定、傳熱系數(shù)測(cè)定、精餾塔操作、精餾塔塔板效率測(cè)定、吸收系數(shù)實(shí)驗(yàn)、干燥曲線與干燥速率曲線測(cè)定、萃取系數(shù)測(cè)定,共10個(gè)操作單元組成,每個(gè)操作單元又由實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)仿真、數(shù)據(jù)處理三部分構(gòu)成。其中實(shí)驗(yàn)理論部分主要介紹該操作單元的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作方法以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等。
實(shí)驗(yàn)仿真部分是將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中所用到的各個(gè)儀器、設(shè)備、儀表等在計(jì)算機(jī)上模擬運(yùn)行,學(xué)生通過計(jì)算機(jī)的鍵盤和鼠標(biāo)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)的操作過程與真實(shí)過程*一致,軟件中模擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備能加強(qiáng)操作者對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的理解,使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備有更加直觀的認(rèn)識(shí)。在實(shí)驗(yàn)的過程中模擬的儀表能給操作者提供所需要的數(shù)據(jù)。對(duì)于學(xué)生在仿真操作過程所犯的錯(cuò)誤,軟件會(huì)給出提示,以便學(xué)生能夠及時(shí)糾正。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理部分主要用于對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,該軟件通過已經(jīng)建立好的數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化的處理,包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)圖形,同時(shí)軟件也給出了繪制實(shí)驗(yàn)圖形所用到的擬合公式,可以把實(shí)驗(yàn)規(guī)律較好的呈現(xiàn)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(yùn)行環(huán)境是Window操作系統(tǒng),采用了多媒體技術(shù)和仿真技術(shù)相結(jié)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測(cè)定操作單元為例介紹仿真軟件的操作。
1.實(shí)驗(yàn)操作界面
實(shí)驗(yàn)操作界面包括實(shí)驗(yàn)操作部分和菜單欄。實(shí)驗(yàn)操作部分標(biāo)明了實(shí)驗(yàn)裝置的名稱和各個(gè)管路的作用,以便加深學(xué)生對(duì)該操作單元的認(rèn)識(shí)和理解,掌握流體的流向以及各個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的作用。通過點(diǎn)擊菜單欄中的“幫助”按鈕學(xué)生可以了解本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)等。菜單欄中的“確定”按鈕用于采集每次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),“恢復(fù)”按鈕用于刪除已經(jīng)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)操作界面如下:
2.實(shí)驗(yàn)操作過程
( 1 ) 灌泵。因?yàn)殡x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,打開閥門F3 先將貯水槽中放滿自來水,關(guān)閉F3;開啟閥門F1、F2,向離心泵中注入自來水,此時(shí)自來水管變成藍(lán)色,表明已經(jīng)有自來水進(jìn)入水管內(nèi)了,當(dāng)離心泵灌滿后,系統(tǒng)給出提示:“離心泵內(nèi)已灌滿水,請(qǐng)關(guān)閉閥門F1 和F2!”,單擊“確定”按鈕關(guān)閉閥門F1、F2。開啟離心泵電源開關(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(biāo)出現(xiàn)讀數(shù)。
(2)調(diào)節(jié)流量以及采集數(shù)據(jù)。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊閥門F5 改變流量,等讀數(shù)穩(wěn)定后,點(diǎn)擊菜單欄的“確定”按鈕采集數(shù)據(jù),再次用鼠標(biāo)點(diǎn)擊閥門F5 改變流量,等讀數(shù)穩(wěn)定后,點(diǎn)擊菜單欄的“確定”按鈕采集數(shù)據(jù),如此反復(fù)操作,直到閥門F5 已經(jīng)處于全開狀態(tài),實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)處理。點(diǎn)擊菜單欄的“原始數(shù)據(jù)”按鈕可以顯示系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù),點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”按鈕可以計(jì)算出流量、離心泵的揚(yáng)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(dá)式。
3.?dāng)?shù)據(jù)處理界面
數(shù)據(jù)處理界面包括三個(gè)部分:計(jì)算結(jié)果部分、圖形部分、回歸表達(dá)式部分。其界面如下:
三、仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展以及教學(xué)效果
目前我校化工原理實(shí)驗(yàn)課安排分兩部分進(jìn)行,每個(gè)學(xué)生先上機(jī)操作仿真實(shí)驗(yàn),然后再分組完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)。通過這樣的實(shí)驗(yàn)安排,學(xué)生安裝實(shí)驗(yàn)儀器、裝置的速度快了,操作比較規(guī)范;學(xué)生關(guān)于實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),自己能夠處理;學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容較全面,對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察較仔細(xì),問題討論比較深入,教學(xué)效果好。
綜上所述,可以清楚看出,把仿真實(shí)驗(yàn)引入到化工原理實(shí)驗(yàn)課中,對(duì)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(yàn)不能*代替現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),但它們之間可以互相補(bǔ)充,而且仿真實(shí)驗(yàn)有它自己的優(yōu)勢(shì):首先利用仿真實(shí)驗(yàn),可以保證每個(gè)學(xué)生都能獨(dú)立的完成實(shí)驗(yàn)任務(wù),提高了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力,仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的多媒體技術(shù),能使實(shí)驗(yàn)過程具有一定的趣味性,提高學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)課的積極性,仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的每個(gè)學(xué)生獨(dú)立在計(jì)算機(jī)上操作的教學(xué)模式,學(xué)生可以重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),而不受時(shí)間、場(chǎng)地、安全等實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件的限制,可以提高學(xué)生的預(yù)習(xí)效果,為學(xué)生順利的完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。其次仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能減少學(xué)生在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中的錯(cuò)誤操作,在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真練習(xí),當(dāng)學(xué)生進(jìn)行了錯(cuò)誤操作的時(shí)候,軟
件會(huì)給出提示并糾正學(xué)生的錯(cuò)誤操作,這樣能減少學(xué)生在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)的錯(cuò)誤操作,如在進(jìn)行離心泵特性曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,如果學(xué)生沒有灌泵,直接啟動(dòng)離心泵的電源開關(guān),系統(tǒng)會(huì)給出提示“離心泵內(nèi)無水,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(yàn)使理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)更為緊密地在一起,既方便了課堂的實(shí)驗(yàn)演示,又增加了課堂內(nèi)容,同時(shí)也減輕了教師對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的維護(hù)壓力,減少了教師實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作量。zui后仿真實(shí)驗(yàn)軟件可直接安裝在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)計(jì)算機(jī)上,而無需增加硬件投資,同時(shí)它和多媒體課件可以資源共享,符合現(xiàn)代多媒體教學(xué)的要求。
化工原理實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)方法以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),吸收和運(yùn)用了先進(jìn)的教學(xué)思想,利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段,培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力,將實(shí)驗(yàn)改革引入了新的天地。所以在化工原理實(shí)驗(yàn)學(xué)中開展仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新方向。
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