化学工程的应用范文

导语：如何才能写好一篇化学工程的应用，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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    重庆科技学院的化学工程与工艺专业为重庆市特色专业,主要方向为石油天然气化工。近年来,本专业以面向石油化工行业、重庆天然气化工及地方经济建设,培养服务于行业和区域经济的高素质应用型化学工程技术人才为指导思想,逐步形成了以学生工程实践能力强为特色,遵循理论与实践并重、专业能力与综合素质培养并重的原则,按照“重应用、强能力、高素质”的培养方式和“大平台与分方向”相结合培养工程应用型人才。这些都离不开在培养过程中学院重视其基础知识的夯实,更是由于对其专业课程进行了科学的定位与设置,以及对实践环节的改革和探索。在培养学生的创新能力、实践能力和动手能力、发现问题以及解决问题的能力方面,专业综合应用实验摈弃了原来较为简单的油品常规理化性质检测实验,对实验内容和方式方法都进行了大幅度的改变。

    1.在实验内容上,针对石油天然气化工专业特色,我校购买了东方仿真公司的“常减压炼油仿真系统”与“催化裂化装置仿真系统”。这两套系统皆为炼油厂中重要加工装置的仿真软件,并开出了“常减压炼油装置—冷态开车、正常停车、紧急停车”、“催化裂化反应再生联合装置—冷态开车、正常停车”的必做实验,以及“常见事故及其处理”等选做实验。学院还购买了“天然气净化—脱硫仿真软件”开放给学生选做,以提高学生对天然气净化工艺流程及控制参数的熟悉与理解。此外,化学化工学院即将建成的“化工过程及装备实践教学平台”可为学生提供更多更新的实践内容,其专业综合应用能力也会得到更好的锻炼。

    2.在实验方式方法上,专业综合应用实验一改传统填鸭式面面俱到的说教式验证实验,将学生分成1~4人/组(常减压装置授权点较多,故1人/组,而催化裂化装置授权点较少,故4人/组)进行仿真实验操作。在实验开始之前,教师首先结合“石油炼制工程”或“天然气加工工程”的相关工艺和知识,对软件进行简要介绍,然后学生根据工艺路线及物料平衡进行装置操作。遇到问题,同学自己先思考和解决。这样可以锻炼其分析问题解决问题的能力,或者与同学探讨解决,以达到培养团队协作精神的效果。遇到前两种方式都不能解决的问题时,教师再予以提示和引导,从而很好地锻炼其综合素质与能力。此外,由于仿真软件与企业的中控室的“DCS图”及“现场图”模式一致,所以专业综合应用实验同样也使学生能提前扮演了企业员工的角色。

    3.在实验报告上,教师自己编制报告模板然后通过软件分发到学生电脑桌面,这样使学生可以更为方便和快捷地图文并茂完成实验报告,打印后交给老师。在实验分数分布上,“实验成绩记录”占50%可以充分合理地考察学生的动手结果,“实验分析与讨论”占20%以检验学生对实验是否“知其然,更知其所以然”,这也对其以后毕业论文的撰写打下了良好基础。

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关键词：化学工程设计；计算机软件；数据处理

化学工程设计的目的是利用化学方法和物理方法寻找工业生产的最佳过程，研究工业生产中的共同规律，从而使工业生产的效益最大化。计算机软件在工业工程设计中的应用已非常普遍，化学工程数学模型计算、实验设计、工艺流程绘制等，都会用到计算机软件，化学工程设计中最常见的应用软件有MATLAB、CAD、ORIGIN等，研究这些计算机软件的应用，能有效提高化学工程设计的效率，降低化学工程设计成本，使其设计结果更科学、更可靠。

1化学工程研究的内容及手段

化学工程设计就是对产品生产的化学过程、物理过程进行研究、设计，使其能够完成大规模的生产任务，使化学科学能更好为工业生产服务。如石油精炼、食品加工、药品生产、建筑材料生产等，这些都属于化学工程研究的领域，化学工程设计要对工程的相关因素进行充分的、全面的考虑，并结合装置效应，解决生产过程中的各类问题，确保化学工程生产过程可靠、安全、有效。这一过程涉及物理、化学、数学等多个学科，结合生产过程开发和操作理论等研究工业生产的最佳形式，包括单元操作研究、化学反应工程研究、传递过程研究等，是一项非常庞大且复杂的工程。一方面，化学工程本身比较复杂，它属于多学科交互的研究范畴，有时物理现象和化学现象同时发生相互影响，研究起来比较复杂。此外，化学工程研究的物质有气体、液体与固体，多种形态共存，研究起来比较复杂。另一方面，化学工程研究的物系流动时边界比较复杂，这就导致其设备没有固定的形态、构造等，要结合不同的生产需要，灵活设计化学工程，致使其设计比较复杂、多变。化学工程的研究方法较多，早期，人们主要通过实验来研究化学工程的设计，将实验的过程逐级扩大，以探索工业生产的规律、工艺等，人们将其称为经验放大法。随着化学科学在工业生产中的应用日益广泛，进入20世纪后，人们逐渐意识到化学工程研究的重要性，开始寻找新的方法对其进行研究，这一时期就出现了因次分析、相似论，研究的具体做法就是将影响过程的众多因素进行分析归纳，寻找相似的变量，尽可使研究变得简便，然后再通过实验求得这些数据的关系，再设计化学过程。这一时期，将数学模型方法应用于化学工程设计中的研究模式已初步形成，利用数学模型法，结合实验方法，取得重要的数据，再通过实践鉴别、验证这些数据，进而完善化学工程的设计。这一时期，化学工程设计面临的最大问题就是巨大的数据量与人繁重的工作之间的矛盾，而且人工计算、设计中易出错。计算机诞生后给各行各业的发展带来了巨大的契机，化学工程研究也迎来了新的局面，计算机在化学工程设计中的应用将人从繁重的运算、数据整理分析等工作中解放出来，提高了人力资源的利用效率，同时节省了时间、研究成本。直到现在，计算机仍是化学工程设计的重要辅助工具，计算机软件被广泛应用于化学工程设计当中，成为化学工程发展的重要支柱。

2计算机软件在化学工程设计中的应用

2.1计算机软件在化学工程设计中应用的优势

首先，计算机的数据存储和处理功能为化学工程研究带来了方便，化学工程设计者不用再反复、重复收集、整理各类数据，计算机网络的资源共享性、计算机的数据处理功能，使化学工程研究人员通过计算机应用可以获得更多的研究资源和设计资源，应用软件对掌握的资源进行加工、分析，可以得到更准确的结果，这种方法显然比人工准确、可靠、高效得多。例如，利用MATLAB软件，可以迅速、准确分析大量数据，快速得到结果。例如，对某企业废水中的一些有毒物质进行检测，检测数据众多，人工处理起来复杂、麻烦、易出错，应用MATLAB处理就简单得多了，输入相关数据，很快便能得到结果。其次，应用计算机软件可以使化学工程设计的过程更为直观、简便。例如，应用MATLAB软件可以对数据进行图像处理，将数据转化为图形，还可以在图中添加文本，这样能使化学工程研究更方便。又如，使用CAD软件，可以绘制化学工艺流程，使化学工程设计的内容更精确、美观、具体，有利于设计者及时发现问题，改变设计思路，使化学工程的设计更完美。再次，计算机软件可以模拟化学工程实验和化学工程过程，使研究者和设计者更易得到准确的数据，也使化学工程的内容和方法得到了丰富和完善。

2.2计算机软件在化学工程设计中的应用实例

化学工程设计中最常用的计算机软件有MATLAB、CAD、ORIGIN、ASPEN、PROⅡ等，这些软件应用的主要目的是数学建模、化学实验设计、化学工艺流程绘制、数据处理及数据分析与化学工程分析、设计、核算等。例如，配备一定浓度的溶液，应用计算机软件依次输入相关的数据，就能够得出固体的配置量，这样大大地提高了化学工程设计的效率，使工程设计得到了优化。又如，利用计算机软件进行化学制图，应用MATLAB、CAD都能完成。特别是CAD的三维图，直观、立体感强，是现在化学工程研究必不可少的软件，能够将化学工艺流程真实、客观地表现出来，人们通过看图就能掌握化学工程的概况，方便、快捷，即便不是化工的专业人士通过看图也能够了解化学工程的概况和生产流程。

2.3计算机软件在化学工程设计中的应用问题

计算机软件、硬件的发展都非常快，软硬件相互配合才能发挥出计算机应用的最大价值。当前，化学工程设计中计算机软件的应用存在的一大问题就是大多数化学工程研究者、设计者，过于重视对计算机相关软件的学习、应用和研究，而忽视了对计算机相关硬件的学习和了解，在计算机应用过程中，计算机硬件的一些小问题就会阻碍工作的继续进行，甚至造成难以挽回的损失。例如，化学工程设计图存储不当，造成设计图丢失、损毁、被盗等情况发生，影响了化学工程设计的进度和效益。其次，一些化学工程设计者、研究者过于依赖计算机软件，进而忽视了自身对专业知识的掌握、应用和研究，一旦离开计算机感觉什么事都做不好，这种依赖使其在化学工程设计中缺少创新和钻研精神，不利于化学工程科学的持续发展。再次，化学工程研究中设计和操作优化问题一直都很突出，在研究过程中，大部分研究者也比较重视实践研究，计算机软件也能模拟部分的实验过程，且其处理分析数据的能力很强，即便如此，将化学工程设计应用到大型生产中还是存在诸多问题，这就启发我们需要进一步研究化学工程设计的相关软件，进一步提高其模拟实验和处理数据的功能，更好解决化学工程研究中的各类问题，最好能综合不同软件的应用效果，使软件的应用更为方便、简洁、高效。

3结语

化学工程设计中应用计算机软件，首先应重视计算机软、硬件的协调发展，这样才能使软件更好发挥其作用。其次，化学工程研究的对象相当复杂，计算机软件作为化学工程设计的辅助工具，对于促进化学工程研究、设计是很有帮助的，但归根结底它只是化学工程研究和设计的辅助工具，因此，在化学工程研究设计中，更应重视人的主动行为，大胆开发和创新化学工程设计，不断完善化学工程，使其能更好为工业生产服务。

参考文献

[1]王莉君,周芳.计算机辅助设计在化工工艺中的作用[J].当代化工研究,2016(3).

[2]单自龙.计算机模拟在化工设计中的应用研究[J].化工管理,2015(1).

[3]赵永华,周艳军,齐平等.计算机技术在化工设计中的应用[J].中国现代教育装备,2017(7).

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[关键词]绿色化工技术 化学工程 应用

中图分类号：T655 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0064-01

0.前言

众所周知，地球是我们人类目前唯一的、赖以生存的地方。当代工商业的迅猛发展，着实为我们的日常生活带来了极大的便利，但是与此同时，环境问题已然成为威胁人类健康的头号杀手。诸多行业的发展共同导致了当今比较恶劣的环境问题，其中，化学工业的生产发展带来的影响不容小觑。例如我们熟知的工业三废：即废气、废水、废渣，由此带来的环境恶化和生态破坏的题就极为严重。在此背景下，为了环境友好型、资源节约型社会的建成，我们必须要落实绿色化工技术在化学工程中的应用和实施。

1.当前化学工业的生产发展中存在的问题

化工产业的生产和发展惠及我们生活和工作的各个方面这点毋庸置疑，更新颖、更先进、更高端的技术使得先前貌似不可能的事情成为可能，一而再的刷新人类技术可抵达的上限。但是，不可否认的是，随着化学工业的进一步发展，越发严重的问题的产生成为了化工产业发展的“替罪羊”。

1.1 环境恶化

近几年来，尤其是在某些重工业城市的冬季，频繁而严重的雾霾天气引起了社会各方的广泛注意，人们对此非常恐慌。雾霾，很大一方面是由于日常的生产生活产生的废气导致的，其危害程度不言而喻，而肺癌、呼吸道感染等是其对人类最主要的危害。同时，工业废水和废渣的排放使得原本肥沃的土壤、干净的河流面临威胁，生物种类锐减，进一步加剧了生态的破坏。而且，据气象部门不完全资料统计，恶劣天气的发生频率也因此增加。

1.2 资源短缺

化工产业生产发展面临的资源短缺的问题也愈演愈烈。我们都知道，虽然我国的自然资源总量很大，但是对一个有着14亿人口的发展中国家来讲，其人均占有量就显得极为贫乏了。再加上工业生产对原材料的利用率比较低、浪费严重、缺乏回收再利用技术等实际问题的存在，导致当前资源相对匮乏的问题只会愈来愈严重。

2.绿色化工技术概述

鉴于化工产业当前存在的以上两点问题，如果再不设法改变这一现状的话，资源短缺、环境破坏的问题将会成为阻碍我们当前化学工程发展的主要因素。因此，发展绿色化工技术就显得尤为重要。所谓绿色化工技术，核心是绿色，即全面协调可持续的化工技术，这是科学发展观的基本要求，也是为了促进人与自然的和谐，实现经济发展和人口资源环境相协调，坚持走生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路。要实现绿色化工技术，就是要通过对现有的化学生产技术和方法进行更进一步的改良和提高，利用最新研究的化学原理成果，旨在降低或减少在化学工业生产的各个环节中产生的化学废物或能够污染环境的化工产品，力争做到零排放，以此来降低化学生产作业对生态环境的污染和可能的危害。同时，对化学生产过程中产生的废弃资源的再利用也要加大力度，应用最新的技术，用可循环的再生资源这种全新的物质代替先前的化学生业中产生的有害废物，从而使得资源的利用率得到充分高效的提高。

3.如何在化学工程中应用绿色化工技术

在目前的化学工程中利用高级而先进的绿色化工技术，对自然资源进行更加充分而高效利用的同时，也可以尽可能的降低对环境造成的危害。鉴于绿色化工技术以上诸多优点，我们必须在开发和研究绿色化工技术上苦下功夫。

3.1 积极寻找洁净新能源

化学原料对化工生产的重要性不言而喻。所谓洁净新能源，无非就是对环境污染较小、利用率高的化学原料。这类能源有着如下特征：1.方便易获取：如果原料的获取方式就很复杂的话，那么成本自然很高，反而得不偿失；2.可循环利用：从而使得提高原材料的利用率成为可能；3.环境危害小：在当前严峻环境下，使用无毒无害、对环境污染小的原材料，才符合绿色可持续发展的要求。例如，天然植物，农作物等就是比较理想的洁净能源。

3.2 革新先进的生产技术

利用先进的清洁生产技术，使得整个化工生产的流程尽可能变得无毒、无害、无污染、无废弃物排放，即使做不到，也至少要对环境造成的危害达到最低。此技术中包括有辐射热加工技术，以及绿色催化技术等，在冶金、印染、废弃物处理等领域已取得较显著的成果。更广为人知的一个例子就是海水淡化技术：针对目前水资源的严重污染和匮乏问题，人们利用先进的设备对储量巨大的海水进行淡化，一方面有效地弥补了淡水资源的短缺，另一方面更是产生了低廉清洁的化工原料--氢氧化镁，完美的做到了一举两得。

3.3 生产出环境友好型的产品

近些年来爆发的各类环境污染的例子不胜枚举，因此人们保护环境的意识也在不断提高，无磷洗衣粉、新型乙醇汽油、低排量汽车等都成为人们购物的首选，有机、绿色成为了一种消费时尚，对此我们应该感到欣慰。同时，生产出对环境友好的产品也是我们反馈社会、回报自然最好的方式。

4.总结

综上所述，积极倡导绿色化工技术在化学工程中的应用具有非常重要的社会意义。为了保护人类赖以生存的生态环境，更好的落实社会主义科学发展观的具体要求，绿色发展的理念应该深入到每个人的内心。通过本文的分析，希望能够起到一定的作用，保障化学工程的可持续发展。

参考文献

[1] 井博勋，莒菲.浅议绿色化工技术在化学工程工艺中的应用[J].天津化工，2015，03：10-11.

[2] 高明江.绿色化工技术在化学工程与工艺中的应用研究[J].化工设计通讯，2017，01：35+76.

[3] 桂腾刚.化学工程技术在化学生产中的应用分析[J].化工管理，2016，11：110+112.

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二氧化碳等温室气体的排放造成的温室效应，严重威胁着人们的生活环境，威胁着生态的平衡。而传统的化工生产每年都会产生几十万吨的二氧化碳，大量二氧化碳的排放造成全球气候变暖，温室效应越来越严重，而且由于当时国家针对温室效应的法律法规制度不够完善，化工企业排放大量二氧化碳对大气层的破坏又无需承担相应责任，人类的生产与发展面临着严重的危机。而随着南极臭氧层空洞事件的发生，中国乃至整个世界都开始关注温室效应问题。针对这一问题，大多数化工企业都开始承担起相应的社会责任，不断努力的开发新技术，运用绿色科技进行化工生产，改善二氧化碳气体的排放。举例来说，化工企业在生产尿素的时候，通过采用对再生产过程中的二氧化碳进行有效的收集，然后利用一些有效的化学反应，比如说CO2为酸性氧化物,可以与碱性氧化物反应生成相应的碳酸盐，其化学反应公式是：CO2＋Na2O=Na2CO3，然后将反应生成的碳酸盐又运用到相关的化工生产过程中去。如此一来，一方面可以有效降低二氧化碳的排放量，缓解了温室效应，另一方面也对二氧化碳资源进行充分的利用。

2运用绿色科技进行海水淡化处理，丰富生活资源

水作为生命之源，无论是工业生产的发展还是人类的生存都离不开水。而人类的水资源特别是淡水资源十分的匮乏，淡水危机问题严重影响了人类社会的发展与进步。为此，人类开始尝试采用海水淡化的绿色化工技术来缓解淡水危机。海水淡化技术初期的研发应用成本非常高，只有少数发达国家才有技术和资金的保障。但是，随着海水淡化技术的不断发展和进步，其运用成本也相对降低，于是海水淡化最为一种绿色化工技术不断的传入发展中国家，并且通过不断的创新与发展，取得了很大的成效。目前，随着绿色科技在化学工程应用的不断拓展，海水淡化技术的关键就是绿色化学工业的应用，一方面利用海水获取淡水资源，另一方面又不对环境造成任何污染或者危害。而目前，绿色科技在海水淡化处理中的运用，具体来说就是，将氢氧化镁运用到海水淡化处理中，氢氧化镁不仅环保可靠，而且成本低廉，操作工艺也相对简单，而且不用担心在海水淡化处理过程中产生换进的二次污染，淡化海水的处理效果非常明显，具有广阔的应用前景。

3运用绿色科技进行香料香精的化工生产，减少环境污染

香精香料是我国进出口贸易的重要组成部分，而且在我们日常生活中的运用也和广泛。但是传统的香精香料的生产缺乏安全的质量保障，而且很容易造成环境的污染。据相关调查统计，历史上有很长一段时间我国的香精香料的出口受到限制，原因是香精香料中含有的有害杂质严重超标，这些归根结底是由化学生产工艺存在缺陷所导致的，提取材料的成分以及包装材料的不当使用都会影响香精香料的质量。针对此问题，我国开始拓展绿色科技，将绿色化工技术运用于香精香料的生产中，采用绿色无污染的包装材料，而且在生产工艺过程中运用绿色科技不断的降低有害物质的含量，同时严格控制香精香料的生产工艺流程，加强产品质检。运用绿色科技，不断的研发新的化学生产工艺，进而生产出高质量、低能耗的香料香精，减少环境的污染，促进生产的发展和进步，实现社会经济与生态环境相协调的可持续发展。

4结语

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关键词：生化工程；生物技术；计算机技术；过程控制；反应器

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）51-0136-02

自上世纪50年代初在国内高校首开发酵工程专业以来，《生化工程》课程一直作为江南大学生物工程专业重点建设的专业基础课程。围绕培养实践型、应用型发酵工程人才，我们在教学中，坚持理论与实践结合，在教学方法上进行了有益的尝试。在生化工程的教学过程中，除了围绕《生化工程》的相关教材讲述生化反应动力学与反应器方面的基础理论外，重点还介绍了最新技术在发酵过程优化与控制以及生化反应器放大中的应用。

一、基于代谢工程和智能工程的集约型发酵过程控制

发酵过程控制技术是利用过程自动控制和系统工程的手段，通过动态调控诸如底物流加速度、通风量、搅拌速度、温度、pH、操作时间和方式等外部环境因子对发酵过程的性能指标实施优化。发酵过程控制技术可以称得上是发酵工程的核心关键技术。近年来，以人工神经网络为代表的智能工程技术和以代谢工程为代表的现代生物技术已经逐步、大量地渗入到发酵过程的建模、过程故障诊断和早期预警乃至过程控制与优化等诸多领域。先进的过程控制技术、智能工程技术、代谢工程技术与发酵工程的融合才是现酵过程控制的发展方向和大趋势。人工神经网络（artificial neural network，ANN）作为人工智能技术的核心，其固有的学习特性和模拟非线性的能力非常适合发酵过程，目前在发酵工程中的应用相当普遍，在系统辨识、建模、优化、控制等各方面都有广泛的应用和显著的效果[1]。神经网络能由已知的过程输入得到过程的输出，从而建立过程模型。

人工神经网络的广泛应用主要是由于它具有以下特点：（1）神经网络具有典型黑箱模型的特性。（2）对于复杂系统，网络内部各接点间的连接权值包含着对过程输入、输出关系的描述，通过选择一定的网络拓扑结构和较为方便的学习过程，多层前馈神经网络能以任意精度逼近任意非线性映射，带来了一种有效的、智能的表达工具。（3）模型一般为多输入和多输出的并行信息存储与处理结构，从而具有独特的容错性和并行计算特点，大量复杂的控制算法能够得以快速实现，因此可方便地用于多变量控制系统。（4）固有的学习能力降低了系统的不确定性，适应环境变化的泛化能力得到了增加。在估计预测过程中，网络内部的连接权值的综合作用即是模型的具体表达，使模型充当了一个逼近真实过程模型的角色。用于网络的训练样本和检验样本能否达到令人满意的精度或可信度是衡量神经网络建模效果好坏的主要依据。ANNPR控制策略在控制和优化毕赤酵母生产外源蛋白的控制中起到了很好的效果。例如该控制策略在甘油流加培养阶段维持较高的重组毕赤酵母比生长速率，同时避免诱导前甘油的积累，最终提高pIFN-α的产率。除了pIFN-α发酵生产过程，这一新的控制方法还能用于其他毕赤酵母表达外源蛋白的过程。

二、发酵过程在线故障诊断和早期预警技术

在实际的发酵生产过程中，仅仅依靠发酵过程的控制和优化并不能确保生产过程中每一批次的高效和稳定。而且一些在线参数测量电极在工业上的应用还不够成熟。一旦过程参数偏离最优的控制水平，发酵产量就会大大下降，甚至导致发酵彻底失败。甲醇营养型毕赤酵母是目前应用效果好且用途最广泛的一种外源蛋白表达系统。它具有许多明显的优势，蛋白分泌表达的启动子受到诱导剂甲醇的严格调控，诱导表达的大部分目标蛋白可以分泌到胞外，有利于降低下游的分离和纯化的成本等。在发酵生产过程中，基于OUR变化模式的故障诊断方法是一种常用的方法，但运用单一过程参数进行过程控制和分析不具有代表性。通过选取多个在线参数，针对不同的毕赤酵母发酵过程，建立通用的诊断模型具有广泛的意义。在毕赤酵母表达重组融合蛋白过程中，在诱导期如何准确有效地控制甲醇的浓度并保持pH值的稳定是发酵过程控制的关键。以前的各种基于神经网络的故障诊断方法大都基于复杂的数据分析和各种网络的构建，没有具体结合发酵过程的特性，菌体的代谢以及生理状态分析，参数的选择也没有针对不同阶段的发酵特性，识别的效果相对较差。但是通过对所有的在线数据进行评价筛选，基于对诱导期菌体生理状态和发酵过程参数的深入研究，提出的基于自联想神经网络的故障诊断系统能起到很好的效果[2]。

建立具有故障诊断和早期预警功能的自我联想型神经网络AANN大致包括五个主要步骤。首先在正常发酵条件下，对一些关键过程参数进行在线的监测和存储，建立具有系统生成、实时数据库生成等功能的软件和数据库。然后建立上述状态变量的数值以及相应的误测数据与“正常”和“非正常”发酵的性能指标（以产物浓度、生产强度、糖酸转化率等为基准）间的简单、定性关系表，从而为实现早期预警后、反推故障原因、及时采取补救措施提供依据和可能的信息。接着建立具有故障诊断和早期预警功能的自我联想型神经网络AANN。通过对已知正常发酵样本数据中未参与训练、学习的数据进行验证计算，确认所建立的AANN模型的通用性和精确度可以达到和满足规定要求。然后建立基于AANN模型的在线故障诊断和早期预警。最后一旦AANN模型检测到发酵处于“异常”状态，则可以反推可能造成发酵处于“异常”状态的原因。比如说，检查一下温度、pH、溶氧电极和尾气分析仪是否出现故障，气路和水路（冷却水）有无堵塞，等等。如果能够找到原因，则采取相应的补救措施，促使发酵尽快恢复正常；如果确实找不到原因，则可继续等待一段时间、观察发酵能否自动恢复正常。如果仍然不行，则应当机立断、及时放罐。总之，应用自我联想型神经网络的目的在于建立以人工智能工程为基础的、简易、通用和集约型发酵过程控制系统，并实现发酵过程中的故障诊断和早期预警。

三、计算流体动力学在生化反应器设计和放大中的应用

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）模拟是21世纪流体力学领域的重要技术之一，该模拟技术的基本原理是利用离散化的数值算法求解控制流体流动的微分方程，得出连续流场在一定区域上的离散分布规律，从而“模拟”流体流动情况。FLUENT是目前世界应用范围最广的商业CFD软件包之一，该软件在对流态进行数值仿真模拟计算方面有着广泛应用。带搅拌的生物反应器在发酵工业有着广泛应用，搅拌和混合是化学工业中重要的单元操作，体系混合过程和效果往往成为影响反应产率等的重要因素。为评估和研究搅拌系统的传氧效率和功率消耗，优化反应器的整体结构，采用计算流体力学技术对所设计的新型反应器进行了计算机模拟，采用FLUENT？作为计算平台，采用基于Euler-Euler方法的Mixture模型处理气液两相流问题，气泡聚并和破裂过程通过群落平衡方程计算，最后将计算结果与实验测量数据进行比较[3]。计算表明CFD计算的各参数预测值与测量值偏差均在±10%以内，能够较准确地再现设备内流体的运动状态。这为利用数值模拟技术优化反应器设计和生物反应器工程放大奠定了基础。在前期工作中，通过中试生产和80立方生产规模下的结冷胶发酵过程试验，新型通风发酵罐表现出优良的传质性能和节能效果，不仅是结冷胶的发酵产率从18g/L提高到22g/L，而且单批发酵过程的电耗节省20%，显示出技术良好的应用前景。由于这种新型的通风发酵设备在发酵领域具有普遍意义和宽广应用范围，对于通风发酵领域的产品都有参考意义，所建立的设计和制造方法对于大型发酵罐的放大方法具有重要的现实参考意义。

采用以CFD数值模拟为主结合实验测量验证的方法研究了三层组合桨对黄原胶溶液的气液分散及混合的效果。根据发酵罐下部通气的特点，底层搅拌桨选择径向流搅拌桨，中层和上层桨设置了轴向流搅拌桨。具体桨型选择为径向流桨为SPT桨，轴向流桨为四叶旋桨式搅拌器（KSX）。

四、结束语

生化工程课程具有知识点多，学科交叉性和应用性强的特点。课程项目在实施过程中，教学团队应该结合最新科研转化成果，提炼生化工程的典型案例，将生化工程的理论学习与工程学习紧密结合起来。新增案例库、例题库等，以典型发酵工程案例为引子，结合生化工程的理论知识，注重培养学生的自学能力和科学的思维方法。注重在课堂上引入最新科研成果，对开拓学生视野、了解生化工程领域最新科学前沿技术的发展具有重要作用。

参考文献：

[1]史仲平，潘丰.发酵过程解析、控制与检测技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

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关键词：化学反应工程；教学；Excel

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）21-0264-02

化学反应工程是一门实验和工程计算紧密结合的课程。化学反应动力学的测定需要对实验结果进行分析、拟合，而反应器设计中，反应器数学模型的求解过程，涉及到迭代计算、微分、积分、数值统计等过程，更是难以通过手算进行求解的。

Excel软件具有强大的图表及数值处理功能，用户无须编程便可进行多项式拟合、非线性单变量求解、多变量规划求解等复杂计算，在众多领域都获得了广泛的应用[1-3]。现以根据实验数据求解反应速率方程、数值积分和非等温反应器反应器温度、转化率求解为例，介绍其在化学反应工程教学中的应用。

一、实验数据求解反应速率方程

在化学反应工程中，反应式aA+bB=pP+sS的幂指数型反应速率方程可以写成

二、计算数值积分

在计算管式反应器体积，某一转化率对应的反应时间等情况时，需要进行积分。当积分公式比较复杂时，无法直接得到解析解，需要用数值方法进行积分。

在excel中，可以用图4所示的工具表进行计算[5]。表中定义的公式有

delta=（Sheet1！$B$7-Sheet1！$B$5）/500/10^n

F_X=EVALUATE（Sheet1！$B$3&"+0*x"）*delta

Integral_Fx=SUM（F_X）

n=Sheet1！$B$10

X=Sheet1！$B$5+（（ROW（Sheet1！$1：$500）-1）*10^n+TRANSPOSE（ROW（OFFSET（Sheet1！$A$1，0，0，10^n，1））））*delta"

其中delta生成x的分割间距，X生成每个分割点的x值数组，n为精度控制值，F_X为计算每个分割小条的面积，生成一个内存数组，Integral_Fx为将每个小条的面积总和，即f（x）函数的数值积分。

通过输入被积分函数，积分上下限，选择计算精度，就可以得到积分的结果。其中选择高精度结果为6.10861，该结果与解析6.109相差不大，能够满足精度要求。

三、计算非等温反应器的反应温度、转化率

在非等温反应器中，反应速率除了受反应物浓度的影响外，还要受到温度的影响。放热反应，放出的热量使反应速率加快，而反应加快会放出更多的热量，促使反应温度进一步升高。因此，对非等温反应器的计算，要同时联立物料衡算和能量衡算方程进行求解。可以用Excel软件的单变量求根功能来计算。

四、结论

采用Excel软件，能够借助现代化的办公软件，完成化学反应工程教学中数据分析、图形展示、数据处理工作。该方法可以大大简化解题过程，提高教学效率和学习效率，并有助于学生深入了解计算机计算的一般步骤，培养学生的软件开发能力。

参考文献：

[1]张香兰，曹俊雅，张军，解强.Excel及化工流程模拟软件在化工专业设计课程中的应用，化工高等教育，2012，（3）：98-102.

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1、教学内容的选择

为适应我院“培养高素质应用型人才，服务地方经济社会发展”的要求，首先应从培养应用型人才角度出发，对《化工制图》的教学体系进行研究，针对教材、教学课件等多个环节，探索并形成一种适用于应用型人才培养的教学体系;其次要注意结合生产实践，选择实际生产中具有代表性的设计题目，组织学生去安庆石化现场参观，实现理论与实践相结合的目标，能够极大的激发学生的学习兴趣，从而能更好的培养其工程意识和空间想象能力;最后更注重实践性教学，突出对学生空间想象能力和创新能力的培养。了解AutoCAD在化工制图中的应用，利用现代化的教学手段来提高学生的绘图技能。结合安徽大学化学化工学院培养目标和用人单位的需求，推进本课程的改革，提高其教学质量，首先要合理规划教学内容，进行优化设计。突出化工制图的特点，将机器零部件、连接件和装配图以及化工设备图、工艺流程图和管道布置图的表达特点重点讲解;将国家和行业标准规范贯穿教学的始终;在注重理论教学的同时，还要加大实践教学的力度，合理安排理论和实践的教学比例。另外，AutoCAD是现代工程设计的一个主要内容，以培养学生较为扎实的制图基础，具有空间思维能力、处理化工制图能力，为后续课程设计服务为目的。

2、教学方法的改进

（1）板书、化工制图多媒体课件和AutoCAD计算机辅助设计制图三者结合的教学模式在教学模式上，根据内容选择不同的教学模式，如:首先从工程实践中抽象出具有代表性的任务，使学生明确课堂的教学目标，引发学生积极动脑思考和激发学生的求知欲望;然后对给定的任务进行分析，启发学生尝试运用已掌握的知识解决新问题，引发学生深入思考和创造思维;接着再阐述相关知识，指出教学内容的重点和难点以及相应的解决方法;下一步进行课堂练习，让学生举一反三的运用所学知识解决问题，培养和训练学生创造性思维，让学生既动脑又动手，增强实践能力和独立解决问题的能力;最后进行课堂小结，总结要点和解决问题的方法途径、注意事项，加深学生对教学内容的理解。教师用黑板亲自示范作图步骤、作图的思路以及规范等，可以引导和示范学生手工绘图，例如，在画六棱柱时应该先画定位轴线，再画出上下两个底面的三视图，最后补全棱线。这样有利于老师与学生互动，提高学生的动手能力。采用多媒体讲授作图，可以做到图文并貌，并可以呈现二维图形和三维模型之间的相互转化，例如学生都感觉到换面法和截交线、相贯线很难理解，通过多媒体可以非常直观，形象的表现出来，帮助学生建立空间的概念，提高空间想象力。采用AutoCAD计算机辅助作图是现代工程设计中的一门基础技能，在化工企业中得到了广泛的应用，它可以培养学生的空间想象能力和快速处理工程图样的能力，从而进一步提高学生的实践能力。

（2）化工制图与课程设计相结合

《化工制图与AutoCAD》是一门理论性很强的课程，如果只注重基础理论教学，而忽视实践教学环节，则往往会造成实践与理论的脱节，同时课堂教学的效果也不理想。充分利用各种实物模型，有机结合生产实际，走进工厂，加强实践教学环节。在学习化工制图的过程中，将课程设计中用到的绘图知识贯穿始终，可以让学生阶段性的练习国标及行业规范的应用，如何绘制工艺流程图、零件图及装配图等。对于复杂的塔器或热交换器等化工设备，很难通过语言表达或文字叙述来表达模型演示的效果，这是可以充分利用多媒体工具，AutoCAD能迅速准确的绘制所需的各种化工制图图样，而且具有强大的编辑功能，提高学生绘制各种化工工程图样的能力。这样学生在后续的课程设计中就会对化工制图的知识灵活运用。通过化工制图与课程设计的结合，充分培养学生的形象思维能力和空间想象能力，通过启发和诱导，对学生进行有效的培养和训练，为学生提供一个生动、形象的立体化教学环境，充分培养学生的空间思维和动手能力。

二、结语

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关键词： 煤气化 传统教学方式 情景教学法

前言

煤化工生产为连续化的大规模生产，工艺流程长、设备庞大、自动化程度高，需具有一定专业技能的操作工进行作业。从确保生产稳定、安全、高效、节能、环保等方面考虑，企业不允许实习学生动手操作。另外，煤化工生产装置投资费用高，近期不可能在学校建立真正的生产实训基地。由于以上原因，在真正的生产场所锻炼并提高学生的职业能力、操作技能、通用能力等是有一定难度的。

1.煤气化课程传统授课方式

1-煤气发生炉2-燃烧室3-洗气箱4-废热锅炉5-洗气塔6-料斗7-烟

如图1所示，采用传统教学方式，间歇式煤气化生产合成氨原料气-半水煤气工艺的介绍以煤气发生炉为核心，按照设备顺序逐一介绍各设备的结构、工作原理、作用及操作控制要点等，然后将整个工艺流程连贯起来介绍原辅材料的输入和产品的输出等过程。［1］

传统教学方式存在的主要问题是：学生读图能力较差，对设备结构及工作原理不了解；学生对原料来源、性质、状态及预处理过程不清楚，对产品的去向不清楚；大多数学生对工艺流程图的理解难度较大。针对上述问题，笔者尝试在煤气化生产工艺中采用情景教学法。

2.情景教学法的应用

情景教学法是教师根据课程内容所描绘的情景，设计形象鲜明的画面或动画、视频短片等，辅之以详细的解说，使学生仿佛置身其间，如临其境；师生在此情此景之中进行着的一种情景交融的教学活动。因此，情景教学法对培养学生的学习兴趣，启迪思维，开发智力等方面有独到之处。

采用情景教学法，一般来说，可以通过“感知―理解―深化”三个教学阶段来进行。

2.1 感知――创设画面，引入情境，形成表象。

如图2所示，首先介绍气化原料，即：焦炭、块煤、型煤等，并设置问题：三种不同原料各自的特征是什么？有何共同点？为什么国内现在多数氮肥企业采用型煤制气？［2］

多数学生不知道型煤是什么，怎样加工而成的。此时，可进一步引入一些图片或视频短片介绍型煤加工工艺，如图3所示。

接着介绍煤气化制合成氨原料气的气化剂：空气和水蒸气，以及气化剂的供给方式。

水蒸气自蒸汽总管来，空气则通过高压离心通风机输送，如图4所示。

将型煤加入煤气发生炉，然后交替通入空气和水蒸气进行气化反应，制造合成氨原料气-半水煤气，煤气发生炉结构示意图及工作原理如图5所示。

由于煤气化容易产生气-固夹带现象，影响后续工序的正常生产，因此多数氮肥企业在煤气发生炉出口增设了旋风分离器，以替代传统工艺流程中的燃烧室，如图6所示。

经气-固分离并回收煤气显热后，半水煤气进入洗气塔进行冷却、净化。

洗气塔一般采用填料吸收塔，为了让学生了解塔内的气液传质情况，此时播放一段填料塔气液吸收的视频录像，并提供填料塔结构图和物料进出口示意图，如图7所示。

半水煤气经除尘、回收热量、洗涤冷却后，送气柜储存，供下一工序使用，图8是气柜的外形图和工作原理图。

2.2 理解――深入情景，理解流程。

在介绍完煤气化工艺流程中的原料、产品及主要设备后，此时再引导学生结合课本上所学习到的知识，理论联系实际思考前面提到的相关问题，并逐一解决。

原料：采用型煤，可以将大量粉煤加工成型，原料适应范围更广，原料成本更低，企业经济效益更好。采用水蒸气和空气为气化剂，主要完成以下两个化学反应：

C(g)+O2(g)=CO2(g)-Q1

目的：提高炉温，蓄积热量，为制气作准备。

C(g)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)+Q2

目的：大规模制气。

气体净化：半水煤气经旋风分离器除尘、水膜除尘并降温，为下一工序脱硫作准备。

能量回收：废热锅炉回收煤气显热，副产低压饱和蒸气并返回煤气发生炉作为气化剂，以降低制气成本。

产品输出：半水煤气送气柜储存供下一工序使用。

2.3 深化――再现情境。

煤气化生产合成氨原料气-半水煤气的过程，是一个典型化工产品的制造过程，主要包含以下两个单元过程。

①化学反应单元过程――煤气化过程。

②化工单元操作过程――流体输送（如空气及煤气的输送、洗涤水的输送）、传热（废热锅炉回收余热）、非均相物系的分离（旋风分离器气-固分离）、传质（洗气塔）等。

将上述单元过程设备按照情景教学法介绍的先后顺序，重新绘制工艺流程示意图如图9所示。

3.运用情景教学法的注意事项

设计情景是情景教学法的关键，情景设置，直接影响着情景教学法的教学实效。因此创设情景时应注意以下几点：

3.1有趣味性：通过图片、动画或视频短片等多种形式调动学生学习兴趣。

3.2有针对性：必须紧扣教材重点、难点。

3.3有诱发性：引导学生将画面与问题和书本理论联系起来，培养创造性思维。

3.4有代表性：是学生在学习中普遍关注却又不易弄懂的问题，能揭示学生的思维误区。

3.5有典型性：容易发现或捕捉到材料与理论之间的内在联系，具体材料能深刻、透彻、全面地说明理论。

参考文献：

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《西餐工艺学》课程实施理实一体化教学的必要性主要有以下两点：一是指外在的，即当今社会经济、文化发展下对职业教育发展的需求；二是指内在的，即从课程本身出发，通过改变教学模式，提高学生对课程内容的把握度。

1.1职业教育的需要

职业教育是我国教育系统中重要的一部分[1]。我国经济社会发展已经进入一个新阶段，社会对职业教育的发展提出了迫切的需求。职业教育水平提升，才能为发展潮流提供更多高质量的职业人才。通过职业教育在全社会弘扬工匠精神，实现培养大量的大国工匠这一职业教育的最终目标。虽然我国的高等职业教育已经发展了十几年，但是传统的“一把刀，一口锅，一个黑板，一张嘴，一本书”的教学模式已经远远不能满足现代教学的需要，社会的发展推动着教育者改变传统的教学方式，寻找更加适合当代学生学习的教学模式成了教育者的任务之一。对于《西餐工艺学》这门课程，理实一体化的教学方法将更适合学生掌握这门课程。

1.2《西餐工艺学》课程的需要

《西餐工艺学》作为高校烹饪与营养教育、烹调工艺与营养专业的必修课，课程主要介绍西餐的特点、选料、刀工、调味、烹调、装盘分类等及西餐各主要流派及其特点[2]。通过学习，掌握意大利菜、法国菜和东南亚菜肴的制作，让学生了解西餐菜肴的特色和魅力。以往我们采用传统的“先理后实”的教学模式，学生缺少直观认识西餐的机会，没办法较直观地引导学生走进西餐的大门。掌握西餐生产原理、西餐饮食文化往往是学生一个很大的问题。在传统教学方法下，学生入门很慢，死记硬背的学习方法让学生产生厌倦的情绪。理实一体化教学法采用多种教学方法，且各种方法之间相互配合，能让学生在学中玩、玩中记，理论实践灵活运用，故能激发学生的学习兴趣，学生不觉得枯燥乏味，自然能够真正有效地吸收老师传授的知识，达到理想的教学效果。

2.《西餐工艺学》实施一体化教学的条件

理实一体化教学的实施对教学过程提出了新的要求，需要具备以下几点：

2.1理实一体化教学实训室

理实一体化教学法是理论与实际操作同时进行，这就严格强调了时间和空间的同一性，把基础理论搬到实训室中，理论讲解和实际操作融为一体，通过教师的讲授、示范、辅导等，让学生全方位地接受知识，充分调动学生的大脑、眼、耳、鼻、口、手等进行学习。还要求该实训室必须有足够的空间，能配套西餐制作的各种设备工具，能满足西餐基础理论的教学。实训室既是学习西餐理论知识的课堂，又是学习西餐工艺的课堂[3]。

2.2产学结合实训室

“神都是用子弹喂出来的”，说明不断实践才是学好技术的方法。将生产和学习结为一体的西餐厨房，让学生有机会将在理实一体化教学实训室学到的知识，拿到产学结合实训室进行实验。学校可以聘请行业大师对学生进行生产指导，学生经过日复一日的练习，势必能将所学的理论知识真正应用到实际操作中。通过不断操作，遇到问题时自主思考，让学生学会运用学到的理论知识解决实际操作中遇到的问题，对理论知识查漏补缺，才能不断丰富和完善理论知识。同时，在一次次的理论与实操结合的训练中，不断提升实际操作水平，使实际操作不落后于理论，让学生不再仅仅是纸上谈兵。

2.3校外实训室

鉴于在传统的实习中出现的问题，我们提出要加强学校与企业之间的联系，积极地探索“工学结合”教学模式在西餐教学中的运用。先安排老师带着学生一起下企业轮岗学习一个学期，每个学生在每个岗位学习一个月。通过一个学期的工学结合，使学生对厨房的工作程序有清晰的了解，对在岗位工作表现的优缺点有一定的认识，再让学生回学校学习，将自己在不同工作岗位上所存在的理论知识不足或者实操技能不够的缺点补上，半年后再出去餐饮企业顶岗实习。通过这样转变实习模式，能够使学生充分地接触全真的厨房工作模式，认识到自己学习和技能上的不足，重新回校再进行理论和技能的学习，再出去顶岗实习。经过这样的安排，使学生通过学习后实践再调整学习后再实践的形式，更有针对性地得到提高，从而整体上提高教学效率，同时为学生的自主学习和长期职业发展打下较好的基础。

2.4双师型教师队伍

“生源是基础，教师是关键”。教学质量的好坏，关键取决于教师教学水平的高低。学校有计划地让年轻的教师去行业或餐饮培训机构进行学习，鼓励在校教师提高学历，鼓励教师开展教育科研和技术科研工作是有一定的必要的。在校老师通过不断学习，提高自身素质，从而提高整体教师的素质。另外，学校通过与企业的合作，聘用一些行业大师、烹饪大师、餐饮管理人才到学校做兼职教师，以更加直观的角度，教授学生更多实用的餐饮企业理念，积累实践经验，让学生更加了解餐饮企业的现状与机遇。通过校内校外相结合，从而提高教师团体的整体能力，这样才能形成整体优秀的师资力量。

3.理实一体化教学法在《西餐工艺学》课程中的应用

将理实一体化教学法应用在《西餐工艺学》课程中，我们尝试了很多方法，让学生掌握的理论知识和实操技能有机结合，使学生在获得知识技能的同时，学会自主学习和树立正确的价值观。

3.1教学前

首先，在学习《西餐工艺学》课程之前，我们增加了“下企业，看?N房”这个环节，让专业老师带学生去西厨房参观学习，并请西厨人员介绍西餐厨房工作流程、各厨房岗位的设置和各岗位的职责等，让学生真正了解什么是西厨房，熟悉西厨房的工作环境，对西厨房工作有初步的感性认识，从而为学生以后的《西餐工艺学》奠定基础。

其次，在学习《西餐工艺学》之前，教师会组织一次“大师宣讲会”，聘请工作经验丰富的行业大师，如西餐行政总厨、西餐主管、餐饮总监、人力资源总监等，主要为学生介绍西厨房的就业前景、西厨人员需要具备的能力素质及个人职业生涯发展的规划等，让学生知道学什么、怎么学，同时为学生的职业生涯发展规划奠定基础。

3.2教学中

3.2.1情景模拟

学生刚开始接触《西餐工艺学》这门课，对于西餐知之甚少，不了解西餐的种类、文化，不了解西餐厨师的作用，厨房和酒店的哪些部门有联系。所以，通过创设教学情境，模拟酒店厨房，能够使学生感受到西餐基础理论知识的重要性，体会到学习的乐趣。具体安排：将整个班级学生分成若干小组，每三个同学一组模拟成立小型西餐厨房，学生担任行政总厨岗位，需要完成的任务是从餐厅的起名、厨房人员、楼面人员岗位配置、菜单的编排、设备的需求、成本核算等一系列的任务，学生完成这些任务必须了解西餐厨房的相关理论知识，同时要查阅大量相关资料，实地考察厨房生产运营，学习厨房管理基础等。学生从原来被动地接受知识变成教学活动的主动参与者。通过教学情境的创设，使学生在实践中更好地掌握西餐基础知识。

3.2.2?C合演示

综合演示在理实一体化教学实训室进行，配套录播一体教学平台。第一阶段教学由教师根据西餐正餐上菜顺序进行演示教学。具体安排：按照西餐开胃菜，西餐汤类，西餐热菜，西餐点心顺序教学，其中热菜类按西餐烹调法教学，包括温煮、沸煮、?h、烤、烩、焖、炸、蒸、煎、炒、铁扒、串烧。关于基础汤，两大基础冷少司，五大基础热少司穿插在具体的菜肴中。如：在演示恺撒沙拉这个菜肴时穿插蛋黄酱少司的制作，演示奶油蘑菇汤菜肴时穿插牛奶少司、奶油少司的制作。另外，还可以将菜肴典故、菜肴制作原理穿插在具体要演示的菜肴当中，做到边讲边做，让学生充分了解一个菜肴的由来及背后的故事，激发学生学习的兴趣，使教学更有效率。第二阶段教学由教师演示欧洲各国经典菜肴，使学生了解更多相关的西餐知识。第三阶段教学由教师演示东南亚各国风味菜肴，使其不仅仅局限于传统的西餐菜肴，通过多方面的涉猎，为下一阶段的创新奠定基础。第四阶段由学生自主创新实验，学生根据以往学习的传统西餐知识，结合后期的一些新颖的文化知识，根据自己的理念，结合不同的饮食文化，尝试创造一些新颖的西餐菜式。

3.2.3角色扮演

在日常创新实训课程当中，将整个班级学生分成若干小组，每四个同学一组模拟成立小型西餐厨房，学生A担任扒炉厨师，学生B担任西炉厨师，学生C担任冷菜厨师，学生D担任加工厨师，由教师担任出品主管。实训地点在产学结合实训室，学生通过顾客点单，按质按量完成菜肴制作。让学生真实扮演西厨房厨师进行生产，从而使他们能尽快适应厨房工作，提高综合技能、管理、团队合作等各方面能力。

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关键词：建筑工程设计；多学科；设计优化

中图分类号：TU198文献标识码： A 文章编号：

引言：从20世纪80年代至今，我国经济体制发生了重大变革，建筑行业市场经济模式基本建立。在新形式下，要树立一种先进的优化设计思想。设计思想会在不同程度上影响建筑师的创作，但最终决定建筑设计的还是市场，有了完善的市场环境，加上思想明晰的建筑师，国内建筑行业会更具有生命力。

1 多学科优化设计概述

多学科设计优化（简称 MDO）是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。多学科优化设计的中心思想是在复杂系统设计的整个过程中利用分布式计算机网络技术来集成各个学科的知识，应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程。多学科设计应用于建筑设计中，实现了充分开发利用各个学科间相互作用关系达到协同效应，在建筑设计中进行最优化的系统整合。由于实现了多学科的并行设计，节约了设计时间，更增强了设计的效果。

建筑设计环节在建筑工程项目的全寿命周期中占有重要位置，不仅影响着工程下阶段的子项目质量，也影响着建筑的经济、节能等效应。多学科优化设计体现于建筑工程设计的各个环节，在方案设计阶段，涉及到建筑学、环境学、经济学等学科；在施工图设计阶段涉及结构力学、流体力学、暖通等学科。

目前，建设工程设计中存在耗时、低效、费钱等问题，多学科知识在设计中的应用并未得到综合整合、优化，学科间存在沟通、交流障碍。设计中，各学科信息得不到共享，成为主要的阻力之一。根据建筑工程设计多学科优化理论有效改善了工程设计的现状，并经历了独立静态优化、独立动态优化和均衡优化的理论发展过程，使得设计中各个资源优势得到有效发挥，合理设计资源结构的配置。也就是改变传统，将各学科之间的联系仅限于建筑工程设计的具体问题的应用，多学科优化设计重视了各学科间的紧密联系、互相作用、综合效应。不难发现，多学科设计优化将在建筑工程设计各个环节中引起巨大的影响。

2 多学科优化设计的优势

传统工程项目设计中，先由建筑设计师制定符合业主要求的设计方案，再由工程项目团队成员共同设计完成设计图纸。工程设计团队一般由结构工程师、机械工程师、暖通工程师、电气工程师组成。工程设计团队各工程师在相对独立的环境下工作，在遇到具体问题时，才通过合作交流、信息共享来解决。最后，通过业主与工程师间的信息交流，完成设计整个过程。这种建筑项目设计仅能满足符合建筑物设计的各类标准，达到设计上的合理性、实用性，没有过多的考虑设计过程的系统优化。如在建筑结构设计、建筑机械系统设计、照明系统设计上等都处于各自独立，使得建筑结构的整体效能、各子系统的配合协同程度低。而且，设计过程多有人工操作完成，且各工作人员间信息交流不便，导致设计阶段的耗时长、效率差，影响了整个建筑工程的进度。传统的设计过程和方法不符合现代设计理念，需要经过创新和改变来完善。分析过去设计环节过程中大致存在如下问题：阻隔了设计师间的交流、信息共享存在障碍，工程师将重心较大投入到设计的管理和执行，忽视了信息的自动化和对信息进行的评价。如果能合理分配设计环节，注重设计环节的资源配置，提高设计的效率和效益，提高信息的自动化水平和信息评价结果，才能真正达到建筑设计的目的。

建筑工程设计中多学科优化设计理念还体现在对于设计多套可行性代替方案上。因为设计理念的最优化来自于对多个可行性方案的不断的替换和提高。以往，设计工程师注重于一个可行性方案，忽略了设计目的在于最优化的设计。为此，有必要对设计元素做多方面探索、假设，使其达到功能上最优化。设计工程师在良好可变环境下，寻找替代可行方案的多种几何与非几何参数，实质是在原有的设计方案上进行修改、替换，达到优化的目的。这类优化设计不太费时，因其不需要对设计参数重新定义。通过多个可替代方案的结合，最终确立一种最为优化的方案，确立最终的决策。并且，在设计过程中，引入参数设计分析自动化替代人工分析操作。避免了参与者在重复进行的人工优化整合方案分析中出错，也减少了人工工作量，提高了效率和科学化的方案设计，将多余时间用来评估设计结果和作出科学决策。

建筑工程设计中，MDO技术的具体应用：设计团队通过建立参数拓扑模型来定义设计空间，选择可变参数以及相关可行域。根据某个参数配置，利用参数化CAD工具，在设计空间中的每个点建立不同的几何模型。进行几何模型设计的多学科综合分析，得出分析结果，通过参数计算出材料、设备的用量、成本。用适于设计空间搜索需要的统计方法来控制新参数配置的选择，最后通过优化器反馈空间最优的位置。MOD技术的应用，改变了工程师以经验为主的参数设计，从协助参数指定和对设计空间的规定方面的角色转变。通过自动化的设备分析设计参数，工程师将重心转移到解读、分析、评价设计结果上，为设计管理与执行腾出时间，更能综合优化设计结果。借助高科技，能减轻设计工程师的工作量，并加强了决策的科学性。

3 多学科设计优化技术的应用

使用对象化的数字物体用以描述和表现真实世界的建筑构件，称为建筑信息模型。在同一个数据库的管理下，实现参数化建模，动态捕捉和传递建筑信息。参数化的建筑设计模型具有真实世界的行为和属性表现，实现了设计上的智能性、实用性，通过参数化的设计保持了建模在真实世界的反应，其设计的相互性与真实世界差异不大。而且，该操作方便、快捷。当我们需要对设计图纸稍加修改时，系统可以实现自动保留原来资料数据，通过设置各构件的相关参数值，可自动生成构件的空间位置。

参数化建模是让设计工程师从整体、直观上审查设计建筑本身，帮助分析设计上的缺陷，并给出合理、标准的信息模型，设计工程师只需在此基础上通过几何形态的修改来完成工作内容，大大减少了设计工作的重复性。在参数化建模中，应用多学科知识，在建筑设计原有的基础上，具备灵活性，满足人类智能化需要。建模设计一般以建立合适的设计对象树来实现。DOT（Design Object Tree）是设计对象树英文缩写，其中DO为设计对象，每个DO包含参数集、约束集、目标集、方法集。

在建筑工程多学科优化设计中，根据设计过程牵涉的各学科特性及要求，分为若干个子系统。每个子系统能够独立分析求解、并行优化，建立各个子系统的关系，耦合优化，最终达到整体协调效应即设计的最优解。该优化过程不仅缩短了循环设计的时间，并将多种可替代方案进行整合，实现了提高设计质量的目的和效应的目的，提高了工程管理的组织化水平，基于信息化基础设计，可操作性强等。

4 结束语

随着时代的进步，高层建筑的不断发展，建筑的材料、形式及力学分析模型也将更加复杂与完善。通过对建筑工程设计的优化问题进行分析、探讨，从而使建筑设计更加科学、经济、合理。

参考文献：