虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)的主干課。管線設(shè)計(jì)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(jì)方法，具備基本的設(shè)計(jì)能力；掌握管線運(yùn)行的基本知識(shí)，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(jī)動(dòng)管線兩部分，二者既有相同之處，也有所區(qū)別。對(duì)于機(jī)動(dòng)輸油管線來說，輸油時(shí)臨時(shí)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(jì)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(diǎn)[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(jì)計(jì)算、各種工況的分析判斷方法等內(nèi)容，通過課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)鞏固所學(xué)的理論知識(shí)、分析方法，并探討研究尚無(wú)定論的問題。幾年的實(shí)踐表明，課程理論教學(xué)與課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)相結(jié)合，是提高教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。

　　2 實(shí)踐教學(xué)分析

　　輸油管線課實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容比較豐富，包括針對(duì)管線工藝的課程設(shè)計(jì)、管線輸送的各種實(shí)驗(yàn)（沿程摩阻實(shí)驗(yàn)、水擊實(shí)驗(yàn)、輸送工況實(shí)驗(yàn)、排空實(shí)驗(yàn)、不滿流實(shí)驗(yàn)等）、輸油設(shè)備的操作實(shí)習(xí)、管線輸送的綜合實(shí)驗(yàn)等。

　　課程設(shè)計(jì)是由教師給學(xué)生提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)過的知識(shí)，獨(dú)立完成一條機(jī)動(dòng)管線的設(shè)計(jì)計(jì)算，提交設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)算說明書。各種實(shí)驗(yàn)的組織方式依實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課。設(shè)備操作實(shí)習(xí)、管線輸送綜合實(shí)驗(yàn)安排集中周實(shí)施。

　　本課程實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容多，學(xué)時(shí)較少。2008年之前，實(shí)驗(yàn)條件主要是實(shí)際設(shè)備和屬于物理模擬的管線系統(tǒng)，實(shí)踐教學(xué)的效果不夠理想。屬于驗(yàn)證性、演示性的實(shí)驗(yàn)（比如管線沿程摩阻、不滿流實(shí)驗(yàn)），能夠達(dá)到教學(xué)的要求；對(duì)于設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作多、時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)的效果難以完全達(dá)到要求；用實(shí)際管線設(shè)備進(jìn)行的綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生分布在不同的崗位，許多實(shí)驗(yàn)過程沒有實(shí)際體會(huì)，能力的鍛煉有局限性；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)只是極少數(shù)學(xué)生有可能在課外進(jìn)行。

　　分析實(shí)踐教學(xué)狀況，可以看出：驗(yàn)證性、演示性實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐教學(xué)中扮演主要角色；設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)沒有得到足夠的重視，停留在傳統(tǒng)的方法上；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)還不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力；綜合性實(shí)驗(yàn)更多的是形式，研究得不夠。

　　3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)[2-5]

　　按照“虛實(shí)結(jié)合、互為補(bǔ)充、綜合運(yùn)用、注重創(chuàng)新”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，經(jīng)過多年的建設(shè)，構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)（圖1）。

　　一是采用物理模擬的手段，建設(shè)了一條長(zhǎng)度為3.2 km的小口徑管線系統(tǒng)，設(shè)置多個(gè)調(diào)速泵站，工藝流程與實(shí)際管線相同。既可用水代油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、便于管理、確保安全，又能用實(shí)際油品實(shí)驗(yàn)，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(gè)供油裝備性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，能夠進(jìn)行各種輸油設(shè)備、器材、儀表的性能實(shí)驗(yàn)。

　　二是運(yùn)用模擬仿真技術(shù)，構(gòu)建機(jī)動(dòng)管線模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。將管輸動(dòng)態(tài)分析運(yùn)用于輸油模擬實(shí)驗(yàn)，真實(shí)反映管線系統(tǒng)流動(dòng)狀態(tài)變化的全過程，開發(fā)了工藝設(shè)計(jì)、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(zhǎng)度、不同起伏狀況的虛擬管線，進(jìn)行各種工況的模擬實(shí)驗(yàn)。建設(shè)了油料器材、設(shè)備仿真實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建了仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(jī)動(dòng)管線制式輸油設(shè)備為原型的輸油泵機(jī)組、供油泵機(jī)組半實(shí)物模擬器。模擬器儀表、指示燈、操作手柄的布局與實(shí)物相同，所有操作與實(shí)物一致，既能夠進(jìn)行輸油泵機(jī)組、供油泵機(jī)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(shí)驗(yàn)管線系統(tǒng)，進(jìn)行輸油調(diào)度、情況處置的實(shí)驗(yàn)。

　　四是配齊了能夠鋪設(shè)10 km管線，開設(shè)四個(gè)泵站、兩個(gè)計(jì)量站的機(jī)動(dòng)管線管子、器材和設(shè)備，為學(xué)生進(jìn)行綜合輸油實(shí)踐提供了物資基礎(chǔ)。

　　4 教學(xué)實(shí)踐

　　2009年以來，在教學(xué)實(shí)踐中運(yùn)用已建成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，對(duì)輸油管線系列課程的實(shí)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(duì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化 課程設(shè)計(jì)階段，學(xué)生分成若干個(gè)小組，3～5人為一組，教師給學(xué)生提供課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。先由學(xué)生獨(dú)立完成一條機(jī)動(dòng)管線的有關(guān)計(jì)算、流程設(shè)計(jì)、泵站布置、排空設(shè)計(jì)等，形成初步設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)說明書；再分組將每人所設(shè)計(jì)的機(jī)動(dòng)管線系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)建虛擬管線，進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證和設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，討論并找出設(shè)計(jì)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(jì)。此做法既加深了學(xué)生對(duì)管線設(shè)計(jì)內(nèi)容的理解，熟練掌握設(shè)計(jì)方法，又學(xué)會(huì)了利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行輸油管線設(shè)計(jì)的方法。

　　用物理模擬系統(tǒng)進(jìn)行輸油設(shè)備性能實(shí)驗(yàn)

　　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(xiàng)實(shí)驗(yàn)。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(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，長(zhǎng)陡下坡線路不滿流、氣頂液排空等演示性實(shí)驗(yàn)等。利用供油裝備性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行閥門流通能力、流量計(jì)檢測(cè)精度等實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行驗(yàn)證性、演示性實(shí)驗(yàn)的過程中，使學(xué)生學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器的使用，熟練掌握實(shí)驗(yàn)方法，能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。

　　二是進(jìn)行管線輸送的綜合實(shí)驗(yàn)。綜合實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)，人為造成輸送過程中管線水擊、位置固定的線路泄漏等實(shí)驗(yàn)。每組學(xué)生實(shí)驗(yàn)前提出實(shí)驗(yàn)方案，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

　　用模擬器進(jìn)行輸油設(shè)備的操作訓(xùn)練 機(jī)動(dòng)管線泵機(jī)組由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(jī)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(jī)組的操作。實(shí)物操作練習(xí)的效果好，但準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、油耗高、易損壞設(shè)備和儀表，且受天氣、場(chǎng)地等條件限制，訓(xùn)練效益較低。泵機(jī)組模擬器（圖2）研制成功后，在教學(xué)實(shí)施時(shí)，先讓每個(gè)學(xué)生在模擬器上進(jìn)行操作練習(xí)，操作熟練后再動(dòng)用實(shí)物練習(xí)。這種虛實(shí)結(jié)合的操作訓(xùn)練，有效地增強(qiáng)了訓(xùn)練效果，節(jié)省了經(jīng)費(fèi)。

　　用管線模擬系統(tǒng)進(jìn)行輸送工況實(shí)驗(yàn) 利用小口徑管線系統(tǒng)進(jìn)行管線輸送實(shí)驗(yàn)，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(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，但是該管線系統(tǒng)站距較短，遠(yuǎn)小于實(shí)際管線，所輸送的液體不可壓縮，壓力波沿管線傳播的時(shí)間與實(shí)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(shí)驗(yàn)。

　　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(jī)組模擬器的機(jī)動(dòng)管線模擬訓(xùn)練系統(tǒng)（見圖3），采用真實(shí)的數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬管線，設(shè)置虛擬情況進(jìn)行與實(shí)際相同的輸送作業(yè)，進(jìn)行各種輸送工況的實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)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(dú)立進(jìn)行管線輸送的計(jì)算機(jī)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(yàn)證學(xué)過的輸油工況變化規(guī)律、運(yùn)行自己編寫的有關(guān)計(jì)算機(jī)程序。

　　實(shí)物實(shí)驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)互為補(bǔ)充，克服了以短管線代替長(zhǎng)管線實(shí)驗(yàn)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(shí)操無(wú)縫銜接，提高了實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性、有效性。

　　用機(jī)動(dòng)管線輸油裝備進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn) 實(shí)物綜合實(shí)驗(yàn)單獨(dú)安排，集中一周的時(shí)間進(jìn)行，重點(diǎn)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(yàn)課程理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)的學(xué)習(xí)情況，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)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(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，始終注意培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、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(diǎn)介紹給學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題；實(shí)踐教學(xué)中，鼓勵(lì)學(xué)生在完成必須完成的實(shí)驗(yàn)任務(wù)的基礎(chǔ)上，利用各種實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)、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(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)閥門的現(xiàn)場(chǎng)維修，提出了改進(jìn)方案；對(duì)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(guó)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(jī)動(dòng)管線配合使用的技術(shù)方案。

　　創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)除了在課內(nèi)安排一些學(xué)時(shí)外，更多的是學(xué)生利用課外時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在教師的指導(dǎo)下，單個(gè)學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)或興趣小組專題實(shí)驗(yàn)，課外實(shí)驗(yàn)要提前預(yù)約。幾年的教學(xué)實(shí)踐表明，這種實(shí)踐教學(xué)方法對(duì)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(yǔ)

　　虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將流體機(jī)械、檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬仿真等融為一體，充分發(fā)揮實(shí)物實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)各自的特點(diǎn)和優(yōu)長(zhǎng)，互為補(bǔ)充，為實(shí)踐教學(xué)提供了豐富的手段，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問題，對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?chuàng)新能力發(fā)揮了重要作用，幾年的教學(xué)實(shí)踐充分證明這一點(diǎn)。隨著教學(xué)改革的不斷深入，應(yīng)進(jìn)一步深入開展實(shí)踐教學(xué)的研究，探索規(guī)律，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

　　參考文獻(xiàn)

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