Auto CAD和Aspen Plus軟件在化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的應(yīng)用探討

路小彬，張 杰，徐 平

(黔南民族師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，貴州 都勻 558000)

化工設(shè)計(jì)課程一般講授化工工藝設(shè)計(jì)計(jì)算、化工設(shè)備圖及化工流程圖等內(nèi)容，較少?gòu)?qiáng)調(diào)工程實(shí)踐性強(qiáng)的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算和繪圖內(nèi)容，課程內(nèi)容設(shè)置直接影響了學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。當(dāng)前國(guó)家要求地方本科院校的相關(guān)專業(yè)向應(yīng)用技術(shù)型轉(zhuǎn)變。為加快專業(yè)的轉(zhuǎn)型，學(xué)校修訂了化工專業(yè)培養(yǎng)方案，因此化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革也勢(shì)在必行。

筆者通過(guò)對(duì)化工專業(yè)課程化工設(shè)計(jì)的教學(xué)和深入研究，總結(jié)出相關(guān)化工設(shè)計(jì)軟件使用對(duì)這門(mén)課的學(xué)生學(xué)習(xí)具有良好的輔助作用，能使學(xué)生更好的理解化工工藝的設(shè)計(jì)計(jì)算和化工設(shè)備設(shè)計(jì)。

1 化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題

1.1 現(xiàn)行教材軟件操作內(nèi)容少

目前該課程中使用的教材主要包括化工工藝設(shè)計(jì)和化工制圖兩部分內(nèi)容。申請(qǐng)人所在學(xué)校的化工制圖課程沒(méi)有設(shè)置專門(mén)的CAD繪圖課程，化工工藝課程沒(méi)有設(shè)置Aspen Plus課程。另外，一些學(xué)校的教案和教學(xué)大綱雖然強(qiáng)調(diào)化工制圖和化工工藝計(jì)算部分，講授相對(duì)簡(jiǎn)單，而對(duì)實(shí)踐能力要求較高的計(jì)算機(jī)輔助繪圖和計(jì)算更是缺少。

1.2 理論課時(shí)多，軟件操作課時(shí)少

很多老師注重理論知識(shí)，對(duì)軟件操作能力的培養(yǎng)缺乏足夠的重視。特別是筆者所在學(xué)校長(zhǎng)期從事化學(xué)教育的老師，對(duì)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)認(rèn)識(shí)不足。其次，在教學(xué)內(nèi)容上，以前的化工設(shè)計(jì)教學(xué)中主要講授理論知識(shí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生查閱及運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的能力及識(shí)圖讀圖能力的培養(yǎng)，而對(duì)化工設(shè)備圖及工藝流程圖繪制要求較少，基本上不要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)內(nèi)容的講解，對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)沒(méi)有重視起來(lái)。再次，在設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容上，由于本校是一所民族師范院校，正在由師范類向技術(shù)應(yīng)用型轉(zhuǎn)變，工程實(shí)踐設(shè)施相對(duì)較弱。近幾年，雖然學(xué)校增加了對(duì)工程實(shí)踐裝置的投資，但對(duì)化工設(shè)計(jì)軟件方面的投資近乎于零。這就給化工設(shè)計(jì)內(nèi)容及項(xiàng)目設(shè)置帶來(lái)一定困難。最后，我校培養(yǎng)的化工類人才大部分將在生產(chǎn)第一線從事化工設(shè)計(jì)、制造、管理等具體工作，為了適應(yīng)用人單位的要求，學(xué)校和企業(yè)的交流溝通有待加強(qiáng)。因此，化工設(shè)計(jì)教學(xué)改革需結(jié)合本校實(shí)情和用人單位的要求進(jìn)行，注重學(xué)生軟件操作能力的培養(yǎng)。

1.3 總課時(shí)量少

綜觀各個(gè)高校的化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)大綱，目前化工設(shè)備圖及化工工藝圖等內(nèi)容太少，軟件操作實(shí)踐部分占課時(shí)更少。為進(jìn)一步加強(qiáng)化工設(shè)計(jì)課程的核心內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，軟件操作課時(shí)要增加。

2 Auto CAD和Aspen Plus軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于化工自身的特殊性，使它與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合尤為緊密。近幾十年發(fā)展迅速，尤其是各種化工專業(yè)軟件不斷應(yīng)用。這些軟件的功能包括化學(xué)反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算與模擬等。化工軟件是化工專業(yè)學(xué)生的得力助手，掌握相關(guān)軟件的應(yīng)用，將會(huì)極大地提高工作效率[1]。

如在化工中最常見(jiàn)的制圖為例，在計(jì)算機(jī)普及之前都是用手工繪制復(fù)雜的化工設(shè)備圖和化工工藝流程圖等，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，常常占用工作人員大量的時(shí)間和精力。而隨著計(jì)算機(jī)的普及，這些工作已經(jīng)完全依靠計(jì)算機(jī)來(lái)完成，如化工工程人員和研究人員利用專業(yè)的Auto CAD來(lái)繪制大型的化工設(shè)備圖和化工工藝流程圖，化工工藝模擬計(jì)算軟件采用Aspen[2-6]。利用計(jì)算機(jī)來(lái)繪制圖形和設(shè)計(jì)計(jì)算不但省時(shí)省力，而且易于保存和傳閱。因此，化工專業(yè)的大學(xué)生在大學(xué)期間就應(yīng)該掌握這些和化工有關(guān)的專業(yè)計(jì)算機(jī)知識(shí)，并隨著新的軟件和技術(shù)的出現(xiàn)，不斷更新現(xiàn)有的知識(shí)，才能真正適應(yīng)社會(huì)的需要[7-11]。

計(jì)算機(jī)在化工設(shè)計(jì)上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輔助制圖和化工模擬設(shè)計(jì)中。

2.1 Auto CAD輔助制圖

化工行業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助制圖設(shè)計(jì)CAD (Computer aided design)技術(shù)起步較早，目前，化工設(shè)計(jì)使用最多的通用圖形軟件Auto CAD系統(tǒng)，可以替代畫(huà)圖板并按照化工制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制化工機(jī)器圖、化工設(shè)備圖、工藝流程圖等。

2.2 Aspen Plus化工工藝模擬

由于Aspen Plus具有強(qiáng)大的單元操作模型、優(yōu)化設(shè)計(jì)能力以及齊全的物性數(shù)據(jù)庫(kù)和熱力學(xué)方法，它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用化工過(guò)程的研究開(kāi)發(fā)、裝置設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程控制、工藝優(yōu)化及技術(shù)改造等方面。將Aspen Plus應(yīng)用于化工專業(yè)教學(xué)，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，而且為學(xué)生將來(lái)從事相關(guān)行業(yè)的工作打下了良好的基礎(chǔ)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算的化工模擬能大大提高化工設(shè)計(jì)的品質(zhì)和效率。模擬設(shè)計(jì)的主要工作是將一個(gè)由許多單元過(guò)程組成的化工流程用數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)。如今Aspen Plus不僅能做物料和熱量衡算，還能做單元過(guò)程計(jì)算和設(shè)計(jì)方案優(yōu)選或優(yōu)化，被廣泛應(yīng)用在化學(xué)工程、石油煉化、制藥等過(guò)程設(shè)計(jì)領(lǐng)域省時(shí)省力。

Aspen Plus也可用于化工數(shù)據(jù)處理與數(shù)值計(jì)算 。

Aspen Plus還可用于化工仿真，使學(xué)生可以了解工廠工藝流程，從而進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握化工過(guò)程系統(tǒng)的操作原理，加強(qiáng)工藝工程意識(shí)，鍛煉分析和解決問(wèn)題的能力。

3 化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的設(shè)想與具體做法

3.1 設(shè)想

課程教改的目標(biāo)在于針對(duì)化工專業(yè)學(xué)生在計(jì)算機(jī)輔助化工設(shè)計(jì)方面的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、技能和管理。使化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)目標(biāo)與化工專業(yè)培養(yǎng)方案中提出的人才培養(yǎng)目標(biāo)一致。

教學(xué)內(nèi)容包括2個(gè)軟件Auto CAD、Aspen Plus在化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的化工工藝設(shè)計(jì)計(jì)算、化工設(shè)備設(shè)計(jì)、化工過(guò)程模擬與仿真應(yīng)用。在教學(xué)中采用Auto CAD軟件繪制出各種設(shè)備的二維和三維圖形，可以多角度拉動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的三維圖形，全方位觀測(cè)設(shè)備的空間構(gòu)形，比原來(lái)僵硬的教具更加生動(dòng)形象，能夠提高學(xué)生的空間思維能力。另外，我們將工程實(shí)際應(yīng)用中的化工設(shè)備三維圖形引入教學(xué)，鍛煉學(xué)生的空間想象能力，同時(shí)讓學(xué)生明白設(shè)備的實(shí)際用途。傳統(tǒng)的化工工藝設(shè)計(jì)采用手工計(jì)算，計(jì)算量大且計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至因?yàn)槟承﹨?shù)查找不到而不能計(jì)算。在教學(xué)過(guò)程中，由于時(shí)間少和資料有限，教師的選題范圍受到一定限制。采用Aspen Plus進(jìn)行化工設(shè)計(jì)，不僅節(jié)約時(shí)間，而且提高了計(jì)算的準(zhǔn)確度，而且可以隨時(shí)變換參數(shù)，進(jìn)行最優(yōu)化的過(guò)程設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力?；ぴO(shè)計(jì)是一門(mén)與具體工程應(yīng)用結(jié)合特別緊密的課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中必須反復(fù)練習(xí)，才能理解化工設(shè)計(jì)知識(shí)，掌握繪圖技巧?；ぴO(shè)計(jì)軟件Auto CAD、Aspen Plus可大大提高設(shè)計(jì)的速度及效率，且便于修改和管理圖紙，使圖紙更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。學(xué)生學(xué)習(xí)利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出圖，可為其將來(lái)從事化工設(shè)計(jì)、化工設(shè)備設(shè)計(jì)等工作打下良好的基礎(chǔ)。

教學(xué)重點(diǎn)是2個(gè)常用軟件Auto CAD、Aspen Plus在化工設(shè)計(jì)中的使用技巧。課程內(nèi)容設(shè)置上要兼顧到不同生源，有針對(duì)性地調(diào)整課程內(nèi)容，做到既靈活又突出重難點(diǎn)內(nèi)容。設(shè)置時(shí)要注意各課程之間相關(guān)內(nèi)容的銜接，如化工機(jī)械設(shè)計(jì)和化工工藝設(shè)計(jì)的銜接，從而建立一個(gè)培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)及工程實(shí)踐能力的化工設(shè)計(jì)課程體系。采用多媒體教學(xué)，利用Auto CAD繪制的三維空間物體進(jìn)行講解，分析過(guò)程直觀、形象，讓學(xué)生在讀圖與繪圖的過(guò)程中反復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到良好的教學(xué)效果。另外，我們會(huì)給出適量的典型化工設(shè)備零件圖，讓學(xué)生反復(fù)練習(xí)，不斷提高空間想象能力。教師要在學(xué)生訓(xùn)練過(guò)程中給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，幫助學(xué)生提高讀圖和繪圖的能力。利用Aspen Plus對(duì)化工過(guò)程單元進(jìn)行模擬，反復(fù)修改參數(shù)，獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，克服手工計(jì)算不能反復(fù)修改的弊病。

3.2 具體做法

從Auto CAD的安裝，到基本命令的使用，再到用AutoCAD繪制化工設(shè)備圖(換熱器、精餾塔、反應(yīng)器等)、化工工藝流程圖(PFD圖、PID圖)、化工管道圖(軸測(cè)圖、平面圖)、生產(chǎn)車(chē)間平立面布置圖。教師將工程設(shè)計(jì)思想及理念貫穿教學(xué)的全過(guò)程，在教學(xué)中引入典型化工設(shè)備的構(gòu)思設(shè)計(jì)及圖樣表達(dá)，以培養(yǎng)學(xué)生的聯(lián)想、創(chuàng)造、發(fā)散思維等能力，并初步培養(yǎng)其機(jī)械設(shè)計(jì)能力。

從Aspen Plus的安裝，到基本命令的使用，再到用Aspen Plus進(jìn)行化工流程的模擬計(jì)算(物料衡算、能量衡算、反應(yīng)器及其相關(guān)物性參數(shù)、精餾塔及其操作參數(shù)的模擬優(yōu)化計(jì)算、換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬計(jì)算等)。

結(jié)合黔南師院學(xué)生數(shù)學(xué)功底較為薄弱的特點(diǎn)，側(cè)重于終端應(yīng)用公式的使用，而弱化了公式的推導(dǎo)過(guò)程，達(dá)到了學(xué)以致用的目的，又讓學(xué)生感受了學(xué)習(xí)過(guò)程的輕松，從而堅(jiān)定了學(xué)生的學(xué)習(xí)信心。對(duì)于軟件中出現(xiàn)較多英文單詞的問(wèn)題，考慮到學(xué)生普遍英文功底不高的特點(diǎn)，軟件盡量采用漢化版，這樣可使學(xué)生較快掌握軟件的使用。

考核方式采用課程教學(xué)與化工設(shè)計(jì)及技能大賽相結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合、過(guò)程與目標(biāo)考核相結(jié)合、開(kāi)卷與閉卷相結(jié)合、平時(shí)作業(yè)與期末考試相結(jié)合的方式進(jìn)行考核。

4 總結(jié)

在信息時(shí)代的今天，如何選擇最重要和最適合化工專業(yè)的計(jì)算機(jī)教學(xué)內(nèi)容也是一個(gè)值得商榷的問(wèn)題。另外，建立一支既懂計(jì)算機(jī)又熟悉化工知識(shí)的貴州地方特色的專業(yè)教師隊(duì)伍也是一個(gè)刻不容緩的問(wèn)題。傳統(tǒng)的化工專業(yè)教師往往不太熟悉計(jì)算機(jī)，而教計(jì)算機(jī)的教師往往對(duì)化工領(lǐng)域也不太熟悉，因此，在實(shí)際教學(xué)中，往往出現(xiàn)教學(xué)和實(shí)際相脫節(jié)的現(xiàn)象，使化工專業(yè)的學(xué)生無(wú)法學(xué)到最實(shí)用的知識(shí)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)知識(shí)日新月異，軟件的更新?lián)Q代頻率也越來(lái)越快，因此，教師隊(duì)伍本身也應(yīng)加強(qiáng)自學(xué)，確保把最新的知識(shí)傳授給學(xué)生。所以，計(jì)算機(jī)在化工設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用依然是需要深入研究的內(nèi)容。

[1] 呂利平，李 航，時(shí)建偉.基于培養(yǎng)應(yīng)用型化工人才的《計(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用》課程教學(xué)改革研究與探索[J]. 化學(xué)工程與裝備,2015(8):296-298.

[2] 歐陽(yáng)曙光，王世杰，韓 軍.《計(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用》課程建設(shè)與教學(xué)[J].廣東化工,2012,39(1):172-172.

[3] 何光洪，邱方利，林克洪.計(jì)算機(jī)輔助軟件在化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].化工高等教育,2012,29(6):78-80.

[4] 方利國(guó). 一解多題在化工計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程中的教學(xué)實(shí)踐探索[J].廣州化工,2015(17):188-192.

[5] 張 宇，賈麗華，郭祥峰.計(jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用課程體系建設(shè)研究[J]. 高師理科學(xué)刊,2012(6):105-107.

[6] 唐新玉.淺談任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在計(jì)算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].化工管理,2015(35):12-19.

[7] 韓慧艷.Aspen Plus在化工專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 才智,2013(23):20-21.

[8] 彭德萍.淺談仿真在化工教學(xué)中的運(yùn)用[J]. 中國(guó)科技信息,2010(23):272.

[9] 暴晨霞.計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)在化工原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備,2011(3):203-205.

[10] 郭妍婷，黃 雪，陳 曼.計(jì)算機(jī)在化工中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].廣州化工, 2016,44(12):22-25.

[11] 張 杰，徐 平，毛海立,等.化工制圖課程教學(xué)改革的思考[J].化工高等教育,2017,34(3):64-67.

(本文文獻(xiàn)格式：路小彬，張杰，徐平.Auto CAD和Aspen Plus軟件在化工設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].山東化工，2018，47(02)：110-111.)