运用动态仿真模拟技术 优化中学化工知识教学

摘要：中学化学教学中涉及到的化工知识内容有综合性强、工艺复杂、知识点多、内容抽象等特点，教学效果一直欠佳。分析其成因，从教具简单陈旧角度入手，以工业制备硫酸为例，运用动态虚拟仿真技术制作直观形象的动态生产工艺流程，进行教学设计和实施，欲为化工知识教学提供教学资源，加深学生对化工生产原理的理解，优化化工知识的教学，加强理论与实际的联系。

关键词：中学化学；化工知识；仿真模拟；硫酸制备

文章编号：1005C6629（2017）6C0053C04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

化工知识是理论联系实际的重要素材，是中学化学教学的重要组成部分。中学化学教材中的化工知识呈片状分布，涉及范围广，必修、选修中均有涉及，但学生对化工知识的学习可以说流于形式[1]。造成教学效果不佳的因素涉及社会、课程、教师、学生、教法等方面，具体如表1所示。

鉴于此，为弥补中学化工教学中教具的陈旧短缺，本文主要针对教材中具有化工生产工艺过程和典型设备示意图的化工内容这一教学难点，以工业制备硫酸为例，运用仿真模拟技术，制作动态模拟课件，充分发挥教材作用，设计教学过程，欲达到帮助教师顺利开展化工知识教学，突破中学化工知识教学难点，解除学生对化工技术的畏难情绪的目的。

2 工业制硫酸的动态仿真模拟

化工知识不仅包含了一般化学知识的内容，还带有化学生产工艺流程及典型设备的介绍，因此，化工知识教学与一般化学知识教学相比，应有其典型的方法[10]。多媒体技术提供界面友好、形象直观的交互式学习环境，与中学化工知识教学有效结合，有利于形成体现建构主义理念的化工知识学习环境。为了取得良好的教学效果，采用美国国家仪器（NI）公司开发的专用虚拟仪器开发平台软件LabVIEW（一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，不需编写大量程序代码的软件），辅以Photoshop和CorelDRAW开发用户界面，以传统的黄铁矿为原料的水洗法二转二吸制酸流程为基础，设计制作流程完整、形象逼真的动态生产工艺流程，为中学化工知识的教学提供教学资源（见图1）[11]。

四段内部间接换热式转化器，流程是经预热的原料气由上部进入转化器，在第一段催化床中进行绝热反应，温度升高。一段反应气自篦子板向下，进入列管式换热器的管程与流经壳程的冷原料气间接换热，冷却后的一段反应气向下进入二段催化床继续反应。如此类推，气体经第四段催化剂床反应后排出转化器，在器外再进行冷却。冷原料气则自下而上通过器内各换热器的壳程，加热至催化剂起燃温度（430℃左右）进入第一段催化床。

该流程有以下特征：

（1）与工业生产硫酸流程一致的用户界面。工艺流程设计中的图形如接触室、吸收塔、酸泵、鼓风机等用Photoshop处理实物图片或已有图形获得，并用该软件制作火焰和喷淋的GIF图片。其余图形均用CorelDRAW绘制，结构清晰，色彩明暗对比适中，与原生产装置相近。绘制好工艺流程中的各个部件后，在LabVIEW程序前面板组装，组装过程中按照工艺流程，特别注意各个部件的位置叠放次序和连接关系组装，这样栩栩如生的工业制硫酸仿真流程图就完成了。

（2）表现微观粒子运动及转化过程。由于管道较多，用很多的箭头表示气体的流动方向不利于观察气体流动方向及转化过程，因此利用事件驱动的编程技术LabVIEW设置6个SO2分子不同的移动轨迹来表示这一过程。同时实现SO2分子在接触室中转化为SO3，SO3分子在吸收塔被吸收及硫酸储罐中液面的上下波动。此外，为方便教师讲解，设置了开始、停止、退出按钮，控制SO2分子运动。

3 利用仿真模拟技术突破教学重难点

该节教学内容选自选自苏教版必修1专题四第一单元第二节。

3.1 教学背景分析

进入新课程改革以来，提高所有学生技术素养已经成为我国中学科学教育目标中的核心内容之一。多媒体的辅助教学的高效性、形象直观性、新颖性和多样性等特点，很适合化工知识的教学。在教学过程中，联系学生原有知识和生活实际，运用多媒体技术合理地将化工知识的学习与技术思想的培养有效整合，优化教学，运用探究性的学习方法，深入认识技术，从而达到培养学生技术素养的目的。

硫酸制法是中学阶段为数不多的作为化工知识学习的重点内容，特征显著，条理清晰，易于在教学中整合，并且包含了大量的技术原理和技术思想[12]。本课是一节将学科知识和生产实际相结合的重要内容，是充分渗透技术思想的一节内容。本节教学内容涉及制硫酸的原料、原理、设备及生产流程，工业制备的特点，工业厂址选择等。

学生已经具备了有关硫及其化合物的性质及其相互关系的知识，化学反应速率与化学反应平衡的有关原理，在生活中对硫酸在工业中的应用有所耳闻，兴趣浓厚，但实际生产环节学生知之甚少。

3.2 教学目标

（1）了解硫酸工业生产的主要设备，准确表述接触法制硫酸的三个重要阶段、反应原理及主要设备的名称、构造和作用。

（2）能通过分析和设计硫酸制备的装置，说明工业生产中加快反应、提高原料利用率、节约能源及环境保护的一些措施和方法。

3.3 教学过程设计及解析

环节一：工业制硫酸反应原理的确定

[引导]自然界中存在含硫的物质有哪些？根据已有知识，这些物质要经过哪些中物才能变成硫酸？