计算机在化工中的运用课程系统建构

本文作者：张宇，贾丽华，郭祥峰 单位：齐齐哈尔大学化学与化学工程学院

由于化工专业学生以学习化学、化工理论及实验为基础，很少涉及利用计算机解决实际化工问题，因此在有限的时间内要求学生基本掌握5种专业软件的使用方法，无论对授课教师还是对学生都具有很大的挑战性．为此采取教师台上讲授和学生台下操作相结合，并辅以课外作业和答疑的教学模式，并且教师讲授的内容是将专业软件使用方法与化工问题相结合，使学生在解决实际问题的过程中掌握软件的使用技巧．

如在讲解Origin软件函数绘图时，引入经典的图解法求精馏塔理论塔板数，利用函数定义相平衡线、精馏段操作线、q线方程，根据分离要求绘制提馏段操作线，最后通过画梯级确定理论塔板数（见图1）．将化工问题可视化，可以使学生在掌握利用函数绘制图形的同时加深对化工原理相关知识的理解．而对于同一化工问题，利用不同软件求解方法亦不相同．同样为理论塔板数问题，利用Aspenplus软件DSTWU模块设计塔设备时，主要是依据逐板计算原理，在输入分离条件后，计算机直接调用软件内部公式、参数，计算不同塔板数下的回流比，最后人为综合考虑投资费用和运行成本，从而确定最佳理论塔板数．

由于ChemOffice软件操作方法比较简单，因此在授课过程中无需事先讲解各工具栏的用途，而是通过直接绘制二维、三维分子式使学生掌握其使用技巧．如直接利用ChemDraw组件的键、环工具搭建二维分子模型，对所绘制的分子进行英文命名、计算分子量、预测核磁共振谱图和各种物理化学性质等；将分子的二维平面结构复制到Chem3D组件中，将其转化为三维立体结构，在分子和原子水平上利用分子力学、量子化学等计算手段模拟和分析分子的立体构象，这有助于学生理解分子结构与性能之间的关系（见图2）．针对AutoCAD软件在国内普及率较高，学生略有掌握的特点，将授课重点放在化工制图标准和化工绘图环境设置方面．如在讲解尺寸标注时，结合化工标准设定尺寸线、箭头、文字、单位等信息．而对于绘图及编辑修改命令，只是通过绘制一些诸如封头、法兰、接管等设备零部件使学生掌握其使用技巧．

对于具有计算和编程功能的MATLAB软件，由于其内容难易差别较大，因此授课时应区分对待．如在化工设计中，物料与能量衡算问题都涉及到线性方程组的计算，利用MATLAB直接调用相关函数即可求解．在计算过程中，首先根据衡算范围列出线性方程组，然后将其转化为矩阵形式AxB，依次给出相应的系数矩阵A和向量B，最后利用反除函数xA\B求解．而涉及编辑程序的问题，由于其难度较大，因此只要求学生大致了解M文件的编辑过程，指导学生如何查询现有资源．如在函数极值点求解过程中就是通过直接调用现有程序“黄金分割搜索法”计算草酸一氢根HC2O4-在不同pH值下分布函数的极值问题．

在课程考核方面，为综合考察学生对所学化工软件的掌握情况，将考核内容定义为简单设计化工厂某合成分离车间的某一工段，要求学生利用ChemOffice绘制化合物分子式，利用Aspenplus对工段进行全流程模拟，利用MATLAB对主设备进行物料衡算，利用Origin绘制影响产品质量、分离效果的关系曲线，最后利用AutoCAD绘制主设备装配图．通过这种考核方式，学生基本能够巩固这些化工软件的操作方法，并将其融汇贯通．此外在教学实践中，将此门课程与其它课程如化工设计、化工过程课程设计以及毕业设计、全国化工设计大赛等教学、竞赛环节紧密联系，要求学生将化工软件应用其中，在实践中检验所学知识．

随着计算机应用技术的日益普及，计算机作为一种先进的计算工具和现代辅助设计手段已经渗透到化工领域的各个分支．在化工专业本科教学中引入计算机在化工中的应用课程有助于培养出适应时代要求的高素质工程型化工人才．实践表明，通过将化工实际问题引入到课堂教学，克服了专业软件学习枯燥乏味，学生难以消化吸收的问题，并且能够激发学生的学习兴趣，培养其自主学习能力和创造性思维能力．在掌握一定专业软件知识后，学生基本上能够利用它们解决一些化工实际问题，因此受到学生的广泛欢迎．