張偉 俞潔 朱捷

摘 要： 作者用Visual Basic軟件自主開發(fā)了一套適用于化工熱力學(xué)和化工原理實驗本科教學(xué)的化工計算教學(xué)軟件，基本完成了這兩門學(xué)科本科階段中的各類復(fù)雜計算，且該程序與專業(yè)軟件相比，加入了很多教學(xué)引導(dǎo)的功能，兼具計算應(yīng)用功能和教學(xué)功能，適合化工專業(yè)的本科生或化工相關(guān)知識的初學(xué)者使用，對化工專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)起到良好的輔助作用，并經(jīng)本?；I(yè)學(xué)生試用，效果良好。

關(guān)鍵詞： 化工計算 VisualBasic 軟件開發(fā)

化工計算通常是很復(fù)雜的，化工專業(yè)的多門課程，如化工熱力學(xué)、分離工程、化工原理實驗等，都牽涉到大量的化工計算。這些課程是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中非常畏懼的，同時，復(fù)雜的計算是老師在講授過程中的一大難題。復(fù)雜的化工計算過程，通常都是通過計算機程序?qū)崿F(xiàn)的，在這方面，還沒有一個能夠很好地滿足廣大師生教學(xué)需要的軟件，這就給教學(xué)帶來比較大的困難。

對于高校教學(xué)來說，需要程序?qū)崿F(xiàn)兩個功能：一是計算功能，二是教學(xué)功能，即學(xué)生在使用軟件的計算過程中，軟件可以提供適當(dāng)?shù)奶崾尽⒆⑨?、指?dǎo)，達到計算和教學(xué)的雙重目的。目前，針對化工計算的成熟軟件，如Aspen Plus等，主要針對的是化工行業(yè)的工作者和有一定基礎(chǔ)的研究人員，其功能以計算為主，使用者并不能通過軟件了解各類計算的詳細原理和方法，不能對化工專業(yè)的學(xué)生或是初學(xué)者起到作用。而且，此類軟件使用費非常昂貴，一年的使用費就需上萬元，超出很多高校、科研機構(gòu)的承受范圍。因此，自主開發(fā)一套簡單實用、適合于本科教學(xué)的化工計算軟件具有非常重要的意義。一旦軟件開發(fā)成功，則既能強化教學(xué)效果，又能節(jié)省資金。

筆者自主開發(fā)了一套適用于化工熱力學(xué)和化工原理實驗本科教學(xué)的化工計算軟件，基本完成了該學(xué)科本科階段中的各類復(fù)雜計算，同時，用程序處理化工計算過程，可以讓學(xué)生的精力從繁復(fù)的計算過程中解放，更多地關(guān)注計算原理和實驗內(nèi)容本身，從而對教學(xué)起到積極的輔助作用，達到良好的教學(xué)效果。

1.軟件的主要內(nèi)容

本程序以Visual Basic為工具開發(fā)的具有可視化界面的化工計算程序。該程序可直接在windows操作平臺使用，界面友好，操作簡單，運行可靠穩(wěn)定。內(nèi)容包括《化工熱力學(xué)》課程中大部分較為復(fù)雜的計算程序，以及一些重要的化工原理實驗的數(shù)據(jù)處理程序。此外，本程序的幫助部分還提供了軟件使用的視頻說明，可解答學(xué)生在使用中的問題，幫助學(xué)生更深刻地理解課程內(nèi)容。

2.程序的結(jié)構(gòu)及主要功能

本程序用VB語言編寫，運行操作系統(tǒng)環(huán)境是windowsXP/windows7/windows8操作系統(tǒng)。通過主界面進入科目選擇（化工熱力學(xué)或化工原理實驗），并選擇要計算的內(nèi)容，輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)或參數(shù)，即可獲得計算結(jié)果，并根據(jù)用戶需要，提供計算的流程圖、詳細步驟和原理提示性文字等，達到人機互動的效果。程序結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 軟件流程圖

程序的主界面分為標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、工作區(qū)和狀態(tài)欄。其中，菜單欄里的各項的內(nèi)容包括：系統(tǒng)、科目選擇、設(shè)置字體、顯示、工具、幫助等選項，具體功能如下：

2.1化工熱力學(xué)計算模塊

化工熱力學(xué)計算模塊主要包括：真實氣體及混合物狀態(tài)方程（EOS）的計算、真實氣體逸度及逸度系數(shù)的計算、真實液體混合物活度系數(shù)的計算和氣液平衡體系泡露點的計算四個部分，每部分有幾個不同的分支，在科目選擇界面選擇相應(yīng)選項進入計算界面。

考慮到化工熱力學(xué)所涉及的計算問題較復(fù)雜，計算工作量大，且待解變量之間的關(guān)系往往不能用顯函數(shù)形式表達，需要用迭代計算，因此學(xué)生在實際學(xué)習(xí)過程中往往會迷失在局部的計算中，難以把握整個計算的流程。作為一款教學(xué)軟件，本軟件在設(shè)計時有以下特色。

2.1.1加入了“查看流程圖”的按鈕。此按鈕的目的是讓使用者（學(xué)生）在計算過程中隨時查看整個計算的思路，了解計算過程中每個參數(shù)的意義。

2.1.2可供選擇的計算模式。對于部分需要迭代運算的過程，程序提供了“自動迭代”和“手動迭代”兩種模式。對于化工專業(yè)的從業(yè)人員、老師和對原理比較熟悉的學(xué)生，可以選擇“自動迭代”，程序會盡可能地減少中間的停頓次數(shù)（需要進一步輸入?yún)?shù)除外），直接給出最后的計算結(jié)果，這種模式適合以應(yīng)用、研究為目的的計算。如果是初學(xué)者，如剛接觸化工熱力學(xué)課程的化工專業(yè)學(xué)生，則可以選擇“手動迭代”。此時程序會在必要時暫停并彈窗，對已完成的計算進行簡單的解釋，并對下一步的計算給出必要的提示，讓使用者參與到計算的步驟中，加深對相關(guān)知識點的理解。

2.1.3具體計算步驟的顯示。程序中大多數(shù)的復(fù)雜計算都是在后臺完成的，最后呈現(xiàn)在使用者面前的僅僅是一個最后結(jié)果。程序在計算結(jié)束后提供了“是否查看計算（迭代）過程”的選項，點擊“是”后可以查看具體的數(shù)據(jù)處理過程，如迭代次數(shù)和每一步迭代的結(jié)果等。

以本模塊下的“RK方程”計算程序為例：

進入此界面時，用戶可選擇迭代方式，并在對應(yīng)的文本框里輸入方程的參數(shù)，點擊“計算”按鈕。如果選擇的是“自動迭代”，則程序?qū)⒆詣舆M行迭代計算，并在計算結(jié)束后彈窗詢問是否查看迭代過程，用戶可根據(jù)自身需要選擇是否查看。自動迭代的數(shù)據(jù)可以保存至txt文本，方便用戶查看。

若選擇手動迭代，點擊“計算”按鈕后，會彈出提示窗口，用戶按照提示進行下一步操作，每次點擊“計算”按鈕后，都會出現(xiàn)提示窗口，引導(dǎo)使用者逐步完成整個計算過程。用戶熟練使用后，可選擇不再顯示該提示窗口。

此外，在程序運行的任何時候，隨時都可點擊“計算流程圖”，查看計算的基本步驟，方便使用者深入理解方程的原理。

2.2化工原理實驗計算模塊

化工原理計算模塊包括：傳熱實驗、干燥速率曲線測定、恒壓過濾常數(shù)測定、離心泵特性曲線測定、流體流動阻力的測定、CO2吸收實驗、轉(zhuǎn)盤塔萃取實驗等七個實驗。

在化工原理實驗?zāi)K中，主界面為數(shù)據(jù)輸入、輸出窗口，并附有裝置圖，提供實驗管路模型的直觀展示。使用者點擊上方菜單欄的“設(shè)置實驗參數(shù)”，或者直接在工具欄點擊“設(shè)置”按鈕，設(shè)置好實驗參數(shù)后，在數(shù)據(jù)輸入窗口中輸入實驗數(shù)據(jù)，點擊計算，即可自動輸出實驗結(jié)果?；ぴ韺嶒炏鄬Χ杂嬎惚旧聿⒉皇呛軓?fù)雜，其更重視的是對實驗原理的理解。因此，本軟件區(qū)別于其他數(shù)據(jù)處理軟件的特色在于計算完成后的“顯示數(shù)據(jù)處理過程”。以傳熱實驗為例：

在本實驗的處理程序中，可以解決以下問題：

2.2.1計算出冷、熱流體在相應(yīng)溫度下的比熱容。

2.2.2在實驗條件流量下，計算出單位時間冷流體吸收的熱量、熱流體傳遞的熱量。

2.2.3計算出流體的對數(shù)平均傳熱動力。

2.2.4計算出傳熱系數(shù)K。

2.2.5查看數(shù)據(jù)處理的詳細步驟。

2.3其他功能

2.3.1字體：主要用于設(shè)置化工原理實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果的字體相關(guān)屬性，方便查看。

2.3.2顯示原始數(shù)據(jù)：在顯示實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果（過程）后，顯示原始數(shù)據(jù)。

2.3.3調(diào)用程序：用于化工熱力學(xué)方程之間的調(diào)用，求出必要的參數(shù)。

2.3.4數(shù)據(jù)處理結(jié)果（過程）的保存：將化工熱力學(xué)方程參數(shù)、計算結(jié)果、迭代過程保存于txt文件。

2.3.5操作提示：軟件在必要的地方彈出窗口，提示用戶下一步操作。

2.3.6視頻幫助：在“幫助”菜單選項下，有“視頻演示”功能菜單，供用戶查看相關(guān)演示視頻，了解軟件操作。

此外，由于本程序面向的主要用戶是化工熱力學(xué)、化工原理的初學(xué)者，因此在輸入數(shù)據(jù)時，由于原理不熟、概念不清而導(dǎo)致的非法輸入有很多。為了保證程序的正常運行，程序會檢查輸入所有數(shù)據(jù)的有效性，避免程序非正常退出，并適當(dāng)給出提示，幫助使用者理解計算（實驗）原理。

3.軟件實際使用效果的反饋和展望

本軟件經(jīng)徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院2011級化學(xué)工程與工藝專業(yè)的學(xué)生試用，效果良好，學(xué)生對化工計算的畏懼之心大減，提高了學(xué)習(xí)化工專業(yè)的興趣。同時，學(xué)生在使用過程中也提出了一些建議，其中一部分已經(jīng)在最新版本的程序中得以落實。

在后續(xù)更新中，將增加作圖功能，軟件可自動根據(jù)實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果，畫出相應(yīng)的曲線圖，并實現(xiàn)坐標(biāo)范圍值的自由選擇和圖形的放大縮小，進一步完善軟件的功能，提高軟件的實用性。

參考文獻：

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通訊作者：朱捷