計算機在化工中的運用課程系統(tǒng)建構

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本文作者：張宇，賈麗華，郭祥峰 單位：齊齊哈爾大學化學與化學工程學院

由于化工專業(yè)學生以學習化學、化工理論及實驗為基礎，很少涉及利用計算機解決實際化工問題，因此在有限的時間內要求學生基本掌握5種專業(yè)軟件的使用方法，無論對授課教師還是對學生都具有很大的挑戰(zhàn)性．為此采取教師臺上講授和學生臺下操作相結合，并輔以課外作業(yè)和答疑的教學模式，并且教師講授的內容是將專業(yè)軟件使用方法與化工問題相結合，使學生在解決實際問題的過程中掌握軟件的使用技巧．

如在講解Origin軟件函數(shù)繪圖時，引入經(jīng)典的圖解法求精餾塔理論塔板數(shù)，利用函數(shù)定義相平衡線、精餾段操作線、q線方程，根據(jù)分離要求繪制提餾段操作線，最后通過畫梯級確定理論塔板數(shù)（見圖1）．將化工問題可視化，可以使學生在掌握利用函數(shù)繪制圖形的同時加深對化工原理相關知識的理解．而對于同一化工問題，利用不同軟件求解方法亦不相同．同樣為理論塔板數(shù)問題，利用Aspenplus軟件DSTWU模塊設計塔設備時，主要是依據(jù)逐板計算原理，在輸入分離條件后，計算機直接調用軟件內部公式、參數(shù)，計算不同塔板數(shù)下的回流比，最后人為綜合考慮投資費用和運行成本，從而確定最佳理論塔板數(shù)．

由于ChemOffice軟件操作方法比較簡單，因此在授課過程中無需事先講解各工具欄的用途，而是通過直接繪制二維、三維分子式使學生掌握其使用技巧．如直接利用ChemDraw組件的鍵、環(huán)工具搭建二維分子模型，對所繪制的分子進行英文命名、計算分子量、預測核磁共振譜圖和各種物理化學性質等；將分子的二維平面結構復制到Chem3D組件中，將其轉化為三維立體結構，在分子和原子水平上利用分子力學、量子化學等計算手段模擬和分析分子的立體構象，這有助于學生理解分子結構與性能之間的關系（見圖2）．針對AutoCAD軟件在國內普及率較高，學生略有掌握的特點，將授課重點放在化工制圖標準和化工繪圖環(huán)境設置方面．如在講解尺寸標注時，結合化工標準設定尺寸線、箭頭、文字、單位等信息．而對于繪圖及編輯修改命令，只是通過繪制一些諸如封頭、法蘭、接管等設備零部件使學生掌握其使用技巧．

對于具有計算和編程功能的MATLAB軟件，由于其內容難易差別較大，因此授課時應區(qū)分對待．如在化工設計中，物料與能量衡算問題都涉及到線性方程組的計算，利用MATLAB直接調用相關函數(shù)即可求解．在計算過程中，首先根據(jù)衡算范圍列出線性方程組，然后將其轉化為矩陣形式AxB，依次給出相應的系數(shù)矩陣A和向量B，最后利用反除函數(shù)xA\B求解．而涉及編輯程序的問題，由于其難度較大，因此只要求學生大致了解M文件的編輯過程，指導學生如何查詢現(xiàn)有資源．如在函數(shù)極值點求解過程中就是通過直接調用現(xiàn)有程序“黃金分割搜索法”計算草酸一氫根HC2O4-在不同pH值下分布函數(shù)的極值問題．

在課程考核方面，為綜合考察學生對所學化工軟件的掌握情況，將考核內容定義為簡單設計化工廠某合成分離車間的某一工段，要求學生利用ChemOffice繪制化合物分子式，利用Aspenplus對工段進行全流程模擬，利用MATLAB對主設備進行物料衡算，利用Origin繪制影響產品質量、分離效果的關系曲線，最后利用AutoCAD繪制主設備裝配圖．通過這種考核方式，學生基本能夠鞏固這些化工軟件的操作方法，并將其融匯貫通．此外在教學實踐中，將此門課程與其它課程如化工設計、化工過程課程設計以及畢業(yè)設計、全國化工設計大賽等教學、競賽環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，要求學生將化工軟件應用其中，在實踐中檢驗所學知識．

隨著計算機應用技術的日益普及，計算機作為一種先進的計算工具和現(xiàn)代輔助設計手段已經(jīng)滲透到化工領域的各個分支．在化工專業(yè)本科教學中引入計算機在化工中的應用課程有助于培養(yǎng)出適應時代要求的高素質工程型化工人才．實踐表明，通過將化工實際問題引入到課堂教學，克服了專業(yè)軟件學習枯燥乏味，學生難以消化吸收的問題，并且能夠激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)其自主學習能力和創(chuàng)造性思維能力．在掌握一定專業(yè)軟件知識后，學生基本上能夠利用它們解決一些化工實際問題，因此受到學生的廣泛歡迎．