虛實結合的實驗教學平臺建設與教學發展關係論文
虛實結合的實驗教學平臺建設與教學發展關係論文
1 引言
輸油管線課是油氣儲運工程專業的主幹課。管線設計和輸送工藝是該課程的核心內容，要求學生掌握輸油管線的設計方法，具備基本的設計能力；掌握管線執行的基本知識，具備判斷並處置各種工況的能力。
輸油管線課的內容包括固定管線和機動管線兩部分，二者既有相同之處，也有所區別。對於機動輸油管線來說，輸油時臨時地面鋪設，輸油任務完成後撤收。因此，它具有線路狀況的不確定性、工藝設計的快速性、輸送裝置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，精講管線輸油的基本原理、工藝設計計算、各種工況的分析判斷方法等內容，透過課程設計、實驗、實習鞏固所學的理論知識、分析方法，並探討研究尚無定論的問題。幾年的實踐表明，課程理論教學與課程設計、實驗、實習相結合，是提高教學質量的有效途徑。
2 實踐教學分析
輸油管線課實踐教學的內容比較豐富，包括針對管線工藝的課程設計、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）、輸油裝置的操作實習、管線輸送的綜合實驗等。
課程設計是由教師給學生提供基礎資料，學生運用所學過的知識，獨立完成一條機動管線的設計計算，提交設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不同而異，有所不同，有些安排在課程教學中進行，有些則安排專門的實驗課。裝置操作實習、管線輸送綜合實驗安排集中周實施。
本課程實踐環節內容多，學時較少。2008年之前，實驗條件主要是實際裝置和屬於物理模擬的管線系統，實踐教學的效果不夠理想。屬於驗證性、演示性的實驗（比如管線沿程摩阻、不滿流實驗），能夠達到教學的要求；對於設計性、研究性實驗，由於實驗準備工作多、時間長，實驗的效果難以完全達到要求；用實際管線裝置進行的綜合性實驗，學生分佈在不同的崗位，許多實驗過程沒有實際體會，能力的鍛鍊有侷限性；創新性實驗只是極少數學生有可能在課外進行。
分析實踐教學狀況，可以看出：驗證性、演示性實驗在實踐教學中扮演主要角色；設計性、研究性實驗沒有得到足夠的重視，停留在傳統的方法上；創新實驗還不利於培養學生的創新意識和創新能力；綜合性實驗更多的是形式，研究得不夠。
3 實驗教學平臺建設[2-5]
按照“虛實結合、互為補充、綜合運用、注重創新”的實驗教學理念，經過多年的建設，構建了虛實結合的實驗教學平臺（圖1）。
一是採用物理模擬的.手段，建設了一條長度為3.2 km的小口徑管線系統，設定多個調速泵站，工藝流程與實際管線相同。既可用水代油進行實驗，以節約實驗經費、便於管理、確保安全，又能用實際油品實驗，進行輸油工況特別是不同油品的順序輸送研究。建設了一個供油裝備效能檢測實驗室，能夠進行各種輸油裝置、器材、儀表的效能實驗。
二是運用模擬模擬技術，構建機動管線模擬訓練系統。將管輸動態分析運用於輸油模擬實驗，真實反映管線系統流動狀態變化的全過程，開發了工藝設計、輸油模擬、排程指揮、泵站監控等軟體。可以根據需要設定不同長度、不同起伏狀況的虛擬管線，進行各種工況的模擬實驗。建設了油料器材、裝置模擬實驗室，構建了模擬實驗平臺，開發了軟體，為學生提供了學習、研究和創新的環境。
三是研製了以機動管線制式輸油裝置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、操作手柄的佈局與實物相同，所有操作與實物一致，既能夠進行輸油泵機組、供油泵機組的使用操作訓練，又能與模擬軟體構成完整的模擬實驗管線系統，進行輸油排程、情況處置的實驗。
四是配齊了能夠鋪設10 km管線，開設四個泵站、兩個計量站的機動管線管子、器材和裝置，為學生進行綜合輸油實踐提供了物資基礎。
4 教學實踐
2009年以來，在教學實踐中運用已建成的實驗教學平臺，對輸油管線系列課程的實踐教學進行改革與探索，取得較好的效果。
用虛擬管線對課程設計進行最佳化 課程設計階段，學生分成若干個小組，3～5人為一組，教師給學生提供課程設計的基礎資料。先由學生獨立完成一條機動管線的有關計算、流程設計、泵站佈置、排空設計等，形成初步設計方案和設計說明書；再分組將每人所設計的機動管線系統按照設計引數構建虛擬管線，進行計算結果的驗證和設計方案最佳化，討論並找出設計中存在的不足和問題；第三步是每位學生修改完善自己的課程設計。此做法既加深了學生對管線設計內容的理解，熟練掌握設計方法，又學會了利用計算機軟體進行輸油管線設計的方法。
用物理模擬系統進行輸油裝置效能實驗
一是結合理論課的教學進度，分別進行管線輸油的有關單項實驗。比如利用小口徑管線系統進行管線沿程摩阻、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。利用供油裝備效能檢測實驗系統，進行閥門流通能力、流量計檢測精度等實驗。在進行驗證性、演示性實驗的過程中，使學生學會實驗裝置、儀器的使用，熟練掌握實驗方法，能夠進行實驗資料的處理。
二是進行管線輸送的綜合實驗。綜合實驗分組進行，8～10人為一組，學生擔任不同的角色、崗位輪換進行實驗。按照管線輸送的程式，主要進行管線充油、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、位置固定的線路洩漏等實驗。每組學生實驗前提出實驗方案，在教師指導下進行實驗。
用模擬器進行輸油裝置的操作訓練 機動管線泵機組由發動機驅動，輸油中採用改變泵轉速的方法進行輸油壓力調節，泵機組的操作水平直接影響管線輸送的穩定性和安全性，因此，學生應當熟練掌握泵機組的操作。實物操作練習的效果好，但準備時間長、油耗高、易損壞裝置和儀表，且受天氣、場地等條件限制，訓練效益較低。泵機組模擬器（圖2）研製成功後，在教學實施時，先讓每個學生在模擬器上進行操作練習，操作熟練後再動用實物練習。這種虛實結合的操作訓練，有效地增強了訓練效果，節省了經費。
用管線模擬系統進行輸送工況實驗 利用小口徑管線系統進行管線輸送實驗，雖然可以使學生掌握管線輸送的基本情況，鞏固理論課學過的知識，提高學生的動手能力，但是該管線系統站距較短，遠小於實際管線，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洩漏）在物理模擬系統中難以進行實驗。
構建包括泵站監控、輸油排程、系統模擬、訓練考核等軟體和泵機組模擬器的機動管線模擬訓練系統（見圖3），採用真實的資料構建虛擬管線，設定虛擬情況進行與實際相同的輸送作業，進行各種輸送工況的實驗。學生8～10人為一組，其中兩人擔任輸油排程，負責設定實驗工況，其他人在不同崗位進行操作，學生崗位輪換。學生也可以利用軟體，獨立進行管線輸送的計算機模擬訓練。學生可以應用管線模擬系統，探討所感興趣的問題，驗證學過的輸油工況變化規律、執行自己編寫的有關計算機程式。
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資料失真問題，泵站操作和輸油排程緊密結合，訓練與實操無縫銜接，提高了實驗的針對性、有效性。
用機動管線輸油裝備進行綜合實驗 實物綜合實驗單獨安排，集中一週的時間進行，重點練習管線各種地形的鋪設、穿跨越障礙、泵站開設和輸送中的配合作業；檢驗課程理論教學、實踐教學的學習情況，運用所學知識解決實際問題的能力；研究、探討管線輸送中出現的新情況、新問題；學習新研裝備、新開發軟體的使用。
用虛實結合的實驗平臺開展創新實驗 在教學的各個環節，始終注意培養學生的創新意識、創新精神和創新能力。在理論教學中，把不同的學術觀點介紹給學生，鼓勵學生髮現問題、提出問題、解決問題；實踐教學中，鼓勵學生在完成必須完成的實驗任務的基礎上，利用各種實驗條件，進行探索實驗、創新研究，並取得明顯的成效。比如，利用供油裝備效能檢測實驗系統，填補了多項國外引進油料器材的效能引數；進行了新研輸油器材的探索實驗，為確定其技術指標提供了資料支撐。利用油料器材、裝置模擬實驗系統，針對閥門的現場維修，提出了改進方案；對水底裸管鋪設穿越河流進行模擬模擬，提出了新的穩管方法，獲國家發明專利；利用管線模擬模擬系統，提出了不同口徑機動管線配合使用的技術方案。
創新實驗除了在課內安排一些學時外，更多的是學生利用課外時間進行實驗。在教師的指導下，單個學生獨立實驗或興趣小組專題實驗，課外實驗要提前預約。幾年的教學實踐表明，這種實踐教學方法對激發學生學習的熱情、探索的慾望，提升創新的信心和勇氣，培養嚴肅的工作態度、嚴謹的工作作風，提高創新能力有顯著的作用。
5 結語
虛實結合的實驗教學平臺，將流體機械、檢測技術、計算機模擬模擬等融為一體，充分發揮實物實驗、虛擬實驗各自的特點和優長，互為補充，為實踐教學提供了豐富的手段，克服了傳統實驗存在的問題，對培養和提高學生的動手能力、實驗能力、創新能力發揮了重要作用，幾年的教學實踐充分證明這一點。隨著教學改革的不斷深入，應進一步深入開展實踐教學的研究，探索規律，總結經驗，不斷提高人才培養的質量。
參考文獻
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[4]蔣明，張偉明，周緒楊.裝配式輸油管道模擬訓練系統的開發[C]//2009中國國際石油與天然氣管道會議論文集.2009：542-545.