計算機在化工中的運用課程系統建構

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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，并輔以課外作業和答疑的教學模式，并且教師講授的內容是將專業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軟件函數繪圖時，引入經典的圖解法求精餾塔理論塔板數，利用函數定義相平衡線、精餾段操作線、q線方程，根據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（見圖1）．將化工問題可視化，可以使學生在掌握利用函數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．同樣為理論塔板數問題，利用Aspenplus軟件DSTWU模塊設計塔設備時，主要是依據逐板計算原理，在輸入分離條件后，計算機直接調用軟件內部公式、參數，計算不同塔板數下的回流比，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．

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直接調用相關函數即可求解．在計算過程中，首先根據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矩陣A和向量B，最后利用反除函數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有資源．如在函數極值點求解過程中就是通過直接調用現有程序“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設計、全國化工設計大賽等教學、競賽環節緊密聯系，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代輔助設計手段已經滲透到化工領域的各個分支．在化工專業本科教學中引入計算機在化工中的應用課程有助于培養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，并且能夠激發學生的學習興趣，培養其自主學習能力和創造性思維能力．在掌握一定專業軟件知識后，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．