計(jì)算機(jī)在化工中的運(yùn)用課程系統(tǒng)建構(gòu)

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本文作者：張宇，賈麗華，郭祥峰 單位：齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院

由于化工專(zhuān)業(yè)學(xué)生以學(xué)習(xí)化學(xué)、化工理論及實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，很少涉及利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際化工問(wèn)題，因此在有限的時(shí)間內(nèi)要求學(xué)生基本掌握5種專(zhuān)業(yè)軟件的使用方法，無(wú)論對(duì)授課教師還是對(duì)學(xué)生都具有很大的挑戰(zhàn)性．為此采取教師臺(tái)上講授和學(xué)生臺(tái)下操作相結(jié)合，并輔以課外作業(yè)和答疑的教學(xué)模式，并且教師講授的內(nèi)容是將專(zhuān)業(yè)軟件使用方法與化工問(wèn)題相結(jié)合，使學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中掌握軟件的使用技巧．

如在講解Origin軟件函數(shù)繪圖時(shí)，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(guò)畫(huà)梯級(jí)確定理論塔板數(shù)（見(jiàn)圖1）．將化工問(wèn)題可視化，可以使學(xué)生在掌握利用函數(shù)繪制圖形的同時(shí)加深對(duì)化工原理相關(guān)知識(shí)的理解．而對(duì)于同一化工問(wèn)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(wèn)題，利用Aspenplus軟件DSTWU模塊設(shè)計(jì)塔設(shè)備時(shí)，主要是依據(jù)逐板計(jì)算原理，在輸入分離條件后，計(jì)算機(jī)直接調(diào)用軟件內(nèi)部公式、參數(shù)，計(jì)算不同塔板數(shù)下的回流比，最后人為綜合考慮投資費(fèi)用和運(yùn)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(jiǎn)單，因此在授課過(guò)程中無(wú)需事先講解各工具欄的用途，而是通過(guò)直接繪制二維、三維分子式使學(xué)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(duì)所繪制的分子進(jìn)行英文命名、計(jì)算分子量、預(yù)測(cè)核磁共振譜圖和各種物理化學(xué)性質(zhì)等；將分子的二維平面結(jié)構(gòu)復(fù)制到Chem3D組件中，將其轉(zhuǎn)化為三維立體結(jié)構(gòu)，在分子和原子水平上利用分子力學(xué)、量子化學(xué)等計(jì)算手段模擬和分析分子的立體構(gòu)象，這有助于學(xué)生理解分子結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系（見(jiàn)圖2）．針對(duì)AutoCAD軟件在國(guó)內(nèi)普及率較高，學(xué)生略有掌握的特點(diǎn)，將授課重點(diǎn)放在化工制圖標(biāo)準(zhǔn)和化工繪圖環(huán)境設(shè)置方面．如在講解尺寸標(biāo)注時(shí)，結(jié)合化工標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定尺寸線、箭頭、文字、單位等信息．而對(duì)于繪圖及編輯修改命令，只是通過(guò)繪制一些諸如封頭、法蘭、接管等設(shè)備零部件使學(xué)生掌握其使用技巧．

對(duì)于具有計(jì)算和編程功能的MATLAB軟件，由于其內(nèi)容難易差別較大，因此授課時(shí)應(yīng)區(qū)分對(duì)待．如在化工設(shè)計(jì)中，物料與能量衡算問(wèn)題都涉及到線性方程組的計(jì)算，利用MATLAB直接調(diào)用相關(guān)函數(shù)即可求解．在計(jì)算過(guò)程中，首先根據(jù)衡算范圍列出線性方程組，然后將其轉(zhuǎn)化為矩陣形式AxB，依次給出相應(yīng)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(wèn)題，由于其難度較大，因此只要求學(xué)生大致了解M文件的編輯過(guò)程，指導(dǎo)學(xué)生如何查詢現(xiàn)有資源．如在函數(shù)極值點(diǎn)求解過(guò)程中就是通過(guò)直接調(diào)用現(xiàn)有程序“黃金分割搜索法”計(jì)算草酸一氫根HC2O4-在不同pH值下分布函數(shù)的極值問(wèn)題．

在課程考核方面，為綜合考察學(xué)生對(duì)所學(xué)化工軟件的掌握情況，將考核內(nèi)容定義為簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)化工廠某合成分離車(chē)間的某一工段，要求學(xué)生利用ChemOffice繪制化合物分子式，利用Aspenplus對(duì)工段進(jìn)行全流程模擬，利用MATLAB對(duì)主設(shè)備進(jìn)行物料衡算，利用Origin繪制影響產(chǎn)品質(zhì)量、分離效果的關(guān)系曲線，最后利用AutoCAD繪制主設(shè)備裝配圖．通過(guò)這種考核方式，學(xué)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(xué)實(shí)踐中，將此門(mén)課程與其它課程如化工設(shè)計(jì)、化工過(guò)程課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)、全國(guó)化工設(shè)計(jì)大賽等教學(xué)、競(jìng)賽環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系，要求學(xué)生將化工軟件應(yīng)用其中，在實(shí)踐中檢驗(yàn)所學(xué)知識(shí)．

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的日益普及，計(jì)算機(jī)作為一種先進(jìn)的計(jì)算工具和現(xiàn)代輔助設(shè)計(jì)手段已經(jīng)滲透到化工領(lǐng)域的各個(gè)分支．在化工專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用課程有助于培養(yǎng)出適應(yīng)時(shí)代要求的高素質(zhì)工程型化工人才．實(shí)踐表明，通過(guò)將化工實(shí)際問(wèn)題引入到課堂教學(xué)，克服了專(zhuān)業(yè)軟件學(xué)習(xí)枯燥乏味，學(xué)生難以消化吸收的問(wèn)題，并且能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造性思維能力．在掌握一定專(zhuān)業(yè)軟件知識(shí)后，學(xué)生基本上能夠利用它們解決一些化工實(shí)際問(wèn)題，因此受到學(xué)生的廣泛歡迎．