虛實結(jié)合的實驗教學(xué)平臺建設(shè)與教學(xué)發(fā)展關(guān)系論文
1 引言
輸油管線課是油氣儲運工程專業(yè)的主干課。管線設(shè)計和輸送工藝是該課程的核心內(nèi)容，要求學(xué)生掌握輸油管線的設(shè)計方法，具備基本的設(shè)計能力；掌握管線運行的基本知識，具備判斷并處置各種工況的能力。
輸油管線課的內(nèi)容包括固定管線和機動管線兩部分，二者既有相同之處，也有所區(qū)別。對于機動輸油管線來說，輸油時臨時地面鋪設(shè)，輸油任務(wù)完成后撤收。因此，它具有線路狀況的不確定性、工藝設(shè)計的快速性、輸送設(shè)備的通用性以及意外工況處置的特殊性等特點[1]。課程的理論課教學(xué)，精講管線輸油的基本原理、工藝設(shè)計計算、各種工況的分析判斷方法等內(nèi)容，通過課程設(shè)計、實驗、實習(xí)鞏固所學(xué)的理論知識、分析方法，并探討研究尚無定論的問題。幾年的實踐表明，課程理論教學(xué)與課程設(shè)計、實驗、實習(xí)相結(jié)合，是提高教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。
2 實踐教學(xué)分析
輸油管線課實踐教學(xué)的內(nèi)容比較豐富，包括針對管線工藝的課程設(shè)計、管線輸送的各種實驗（沿程摩阻實驗、水擊實驗、輸送工況實驗、排空實驗、不滿流實驗等）、輸油設(shè)備的操作實習(xí)、管線輸送的綜合實驗等。
課程設(shè)計是由教師給學(xué)生提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，學(xué)生運用所學(xué)過的知識，獨立完成一條機動管線的設(shè)計計算，提交設(shè)計圖紙和計算說明書。各種實驗的組織方式依實驗本身的性質(zhì)不同而異，有所不同，有些安排在課程教學(xué)中進(jìn)行，有些則安排專門的實驗課。設(shè)備操作實習(xí)、管線輸送綜合實驗安排集中周實施。
本課程實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容多，學(xué)時較少。2008年之前，實驗條件主要是實際設(shè)備和屬于物理模擬的管線系統(tǒng)，實踐教學(xué)的效果不夠理想。屬于驗證性、演示性的實驗（比如管線沿程摩阻、不滿流實驗），能夠達(dá)到教學(xué)的要求；對于設(shè)計性、研究性實驗，由于實驗準(zhǔn)備工作多、時間長，實驗的效果難以完全達(dá)到要求；用實際管線設(shè)備進(jìn)行的綜合性實驗，學(xué)生分布在不同的崗位，許多實驗過程沒有實際體會，能力的鍛煉有局限性；創(chuàng)新性實驗只是極少數(shù)學(xué)生有可能在課外進(jìn)行。
分析實踐教學(xué)狀況，可以看出：驗證性、演示性實驗在實踐教學(xué)中扮演主要角色；設(shè)計性、研究性實驗沒有得到足夠的重視，停留在傳統(tǒng)的方法上；創(chuàng)新實驗還不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力；綜合性實驗更多的是形式，研究得不夠。
3 實驗教學(xué)平臺建設(shè)[2-5]
按照“虛實結(jié)合、互為補充、綜合運用、注重創(chuàng)新”的實驗教學(xué)理念，經(jīng)過多年的建設(shè)，構(gòu)建了虛實結(jié)合的實驗教學(xué)平臺（圖1）。
一是采用物理模擬的手段，建設(shè)了一條長度為3.2 km的小口徑管線系統(tǒng)，設(shè)置多個調(diào)速泵站，工藝流程與實際管線相同。既可用水代油進(jìn)行實驗，以節(jié)約實驗經(jīng)費、便于管理、確保安全，又能用實際油品實驗，進(jìn)行輸油工況特別是不同油品的順序輸送研究。建設(shè)了一個供油裝備性能檢測實驗室，能夠進(jìn)行各種輸油設(shè)備、器材、儀表的性能實驗。
二是運用模擬仿真技術(shù)，構(gòu)建機動管線模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。將管輸動態(tài)分析運用于輸油模擬實驗，真實反映管線系統(tǒng)流動狀態(tài)變化的全過程，開發(fā)了工藝設(shè)計、輸油仿真、調(diào)度指揮、泵站監(jiān)控等軟件?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)置不同長度、不同起伏狀況的虛擬管線，進(jìn)行各種工況的模擬實驗。建設(shè)了油料器材、設(shè)備仿真實驗室，構(gòu)建了仿真實驗平臺，開發(fā)了軟件，為學(xué)生提供了學(xué)習(xí)、研究和創(chuàng)新的環(huán)境。
三是研制了以機動管線制式輸油設(shè)備為原型的輸油泵機組、供油泵機組半實物模擬器。模擬器儀表、指示燈、操作手柄的布局與實物相同，所有操作與實物一致，既能夠進(jìn)行輸油泵機組、供油泵機組的使用操作訓(xùn)練，又能與模擬軟件構(gòu)成完整的模擬實驗管線系統(tǒng)，進(jìn)行輸油調(diào)度、情況處置的實驗。
四是配齊了能夠鋪設(shè)10 km管線，開設(shè)四個泵站、兩個計量站的機動管線管子、器材和設(shè)備，為學(xué)生進(jìn)行綜合輸油實踐提供了物資基礎(chǔ)。
4 教學(xué)實踐
2009年以來，在教學(xué)實踐中運用已建成的實驗教學(xué)平臺，對輸油管線系列課程的實踐教學(xué)進(jìn)行改革與探索，取得較好的效果。
用虛擬管線對課程設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化 課程設(shè)計階段，學(xué)生分成若干個小組，3～5人為一組，教師給學(xué)生提供課程設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。先由學(xué)生獨立完成一條機動管線的有關(guān)計算、流程設(shè)計、泵站布置、排空設(shè)計等，形成初步設(shè)計方案和設(shè)計說明書；再分組將每人所設(shè)計的機動管線系統(tǒng)按照設(shè)計參數(shù)構(gòu)建虛擬管線，進(jìn)行計算結(jié)果的驗證和設(shè)計方案優(yōu)化，討論并找出設(shè)計中存在的不足和問題；第三步是每位學(xué)生修改完善自己的課程設(shè)計。此做法既加深了學(xué)生對管線設(shè)計內(nèi)容的理解，熟練掌握設(shè)計方法，又學(xué)會了利用計算機軟件進(jìn)行輸油管線設(shè)計的方法。
用物理模擬系統(tǒng)進(jìn)行輸油設(shè)備性能實驗
一是結(jié)合理論課的教學(xué)進(jìn)度，分別進(jìn)行管線輸油的有關(guān)單項實驗。比如利用小口徑管線系統(tǒng)進(jìn)行管線沿程摩阻、開式和閉式輸送方式等驗證性實驗，長陡下坡線路不滿流、氣頂液排空等演示性實驗等。利用供油裝備性能檢測實驗系統(tǒng)，進(jìn)行閥門流通能力、流量計檢測精度等實驗。在進(jìn)行驗證性、演示性實驗的過程中，使學(xué)生學(xué)會實驗設(shè)備、儀器的使用，熟練掌握實驗方法，能夠進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的處理。
二是進(jìn)行管線輸送的綜合實驗。綜合實驗分組進(jìn)行，8～10人為一組，學(xué)生擔(dān)任不同的角色、崗位輪換進(jìn)行實驗。按照管線輸送的程序，主要進(jìn)行管線充油、輸送、典型工況變化、停輸、排空的實驗，人為造成輸送過程中管線水擊、位置固定的線路泄漏等實驗。每組學(xué)生實驗前提出實驗方案，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行實驗。
用模擬器進(jìn)行輸油設(shè)備的操作訓(xùn)練 機動管線泵機組由發(fā)動機驅(qū)動，輸油中采用改變泵轉(zhuǎn)速的方法進(jìn)行輸油壓力調(diào)節(jié)，泵機組的操作水平直接影響管線輸送的穩(wěn)定性和安全性，因此，學(xué)生應(yīng)當(dāng)熟練掌握泵機組的操作。實物操作練習(xí)的效果好，但準(zhǔn)備時間長、油耗高、易損壞設(shè)備和儀表，且受天氣、場地等條件限制，訓(xùn)練效益較低。泵機組模擬器（圖2）研制成功后，在教學(xué)實施時，先讓每個學(xué)生在模擬器上進(jìn)行操作練習(xí)，操作熟練后再動用實物練習(xí)。這種虛實結(jié)合的操作訓(xùn)練，有效地增強了訓(xùn)練效果，節(jié)省了經(jīng)費。
用管線模擬系統(tǒng)進(jìn)行輸送工況實驗 利用小口徑管線系統(tǒng)進(jìn)行管線輸送實驗，雖然可以使學(xué)生掌握管線輸送的基本情況，鞏固理論課學(xué)過的知識，提高學(xué)生的動手能力，但是該管線系統(tǒng)站距較短，遠(yuǎn)小于實際管線，所輸送的液體不可壓縮，壓力波沿管線傳播的時間與實際管線相差較大，因此，管線輸送中的特殊工況（比如最常見的線路任意位置泄漏）在物理模擬系統(tǒng)中難以進(jìn)行實驗。
構(gòu)建包括泵站監(jiān)控、輸油調(diào)度、系統(tǒng)仿真、訓(xùn)練考核等軟件和泵機組模擬器的機動管線模擬訓(xùn)練系統(tǒng)（見圖3），采用真實的數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬管線，設(shè)置虛擬情況進(jìn)行與實際相同的輸送作業(yè)，進(jìn)行各種輸送工況的實驗。學(xué)生8～10人為一組，其中兩人擔(dān)任輸油調(diào)度，負(fù)責(zé)設(shè)置實驗工況，其他人在不同崗位進(jìn)行操作，學(xué)生崗位輪換。學(xué)生也可以利用軟件，獨立進(jìn)行管線輸送的計算機模擬訓(xùn)練。學(xué)生可以應(yīng)用管線模擬系統(tǒng)，探討所感興趣的問題，驗證學(xué)過的輸油工況變化規(guī)律、運行自己編寫的有關(guān)計算機程序。
實物實驗、模擬實驗互為補充，克服了以短管線代替長管線實驗所造成的數(shù)據(jù)失真問題，泵站操作和輸油調(diào)度緊密結(jié)合，訓(xùn)練與實操無縫銜接，提高了實驗的針對性、有效性。
用機動管線輸油裝備進(jìn)行綜合實驗 實物綜合實驗單獨安排，集中一周的時間進(jìn)行，重點練習(xí)管線各種地形的鋪設(shè)、穿跨越障礙、泵站開設(shè)和輸送中的配合作業(yè)；檢驗課程理論教學(xué)、實踐教學(xué)的學(xué)習(xí)情況，運用所學(xué)知識解決實際問題的能力；研究、探討管線輸送中出現(xiàn)的新情況、新問題；學(xué)習(xí)新研裝備、新開發(fā)軟件的'使用。
用虛實結(jié)合的實驗平臺開展創(chuàng)新實驗 在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，始終注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。在理論教學(xué)中，把不同的學(xué)術(shù)觀點介紹給學(xué)生，鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題；實踐教學(xué)中，鼓勵學(xué)生在完成必須完成的實驗任務(wù)的基礎(chǔ)上，利用各種實驗條件，進(jìn)行探索實驗、創(chuàng)新研究，并取得明顯的成效。比如，利用供油裝備性能檢測實驗系統(tǒng)，填補了多項國外引進(jìn)油料器材的性能參數(shù)；進(jìn)行了新研輸油器材的探索實驗，為確定其技術(shù)指標(biāo)提供了數(shù)據(jù)支撐。利用油料器材、設(shè)備仿真實驗系統(tǒng)，針對閥門的現(xiàn)場維修，提出了改進(jìn)方案；對水底裸管鋪設(shè)穿越河流進(jìn)行模擬仿真，提出了新的穩(wěn)管方法，獲國家發(fā)明專利；利用管線模擬仿真系統(tǒng)，提出了不同口徑機動管線配合使用的技術(shù)方案。
創(chuàng)新實驗除了在課內(nèi)安排一些學(xué)時外，更多的是學(xué)生利用課外時間進(jìn)行實驗。在教師的指導(dǎo)下，單個學(xué)生獨立實驗或興趣小組專題實驗，課外實驗要提前預(yù)約。幾年的教學(xué)實踐表明，這種實踐教學(xué)方法對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情、探索的欲望，提升創(chuàng)新的信心和勇氣，培養(yǎng)嚴(yán)肅的工作態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，提高創(chuàng)新能力有顯著的作用。
5 結(jié)語
虛實結(jié)合的實驗教學(xué)平臺，將流體機械、檢測技術(shù)、計算機模擬仿真等融為一體，充分發(fā)揮實物實驗、虛擬實驗各自的特點和優(yōu)長，互為補充，為實踐教學(xué)提供了豐富的手段，克服了傳統(tǒng)實驗存在的問題，對培養(yǎng)和提高學(xué)生的動手能力、實驗?zāi)芰Α?chuàng)新能力發(fā)揮了重要作用，幾年的教學(xué)實踐充分證明這一點。隨著教學(xué)改革的不斷深入，應(yīng)進(jìn)一步深入開展實踐教學(xué)的研究，探索規(guī)律，總結(jié)經(jīng)驗，不斷提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
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