虛實(shí)結合的實(shí)驗教學(xué)平臺建設與教學(xué)發(fā)展關(guān)系論文
1 引言
輸油管線(xiàn)課是油氣儲運工程專(zhuān)業(yè)的主干課。管線(xiàn)設計和輸送工藝是該課程的核心內容，要求學(xué)生掌握輸油管線(xiàn)的設計方法，具備基本的設計能力；掌握管線(xiàn)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(xiàn)課的內容包括固定管線(xiàn)和機動(dòng)管線(xiàn)兩部分，二者既有相同之處，也有所區別。對于機動(dòng)輸油管線(xiàn)來(lái)說(shuō)，輸油時(shí)臨時(shí)地面鋪設，輸油任務(wù)完成后撤收。因此，它具有線(xiàn)路狀況的不確定性、工藝設計的快速性、輸送設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(xiàn)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，通過(guò)課程設計、實(shí)驗、實(shí)習鞏固所學(xué)的理論知識、分析方法，并探討研究尚無(wú)定論的問(wèn)題。幾年的實(shí)踐表明，課程理論教學(xué)與課程設計、實(shí)驗、實(shí)習相結合，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(xiàn)課實(shí)踐教學(xué)的內容比較豐富，包括針對管線(xiàn)工藝的課程設計、管線(xiàn)輸送的各種實(shí)驗（沿程摩阻實(shí)驗、水擊實(shí)驗、輸送工況實(shí)驗、排空實(shí)驗、不滿(mǎn)流實(shí)驗等）、輸油設備的操作實(shí)習、管線(xiàn)輸送的綜合實(shí)驗等。
課程設計是由教師給學(xué)生提供基礎數據，學(xué)生運用所學(xué)過(guò)的知識，獨立完成一條機動(dòng)管線(xiàn)的設計計算，提交設計圖紙和計算說(shuō)明書(shū)。各種實(shí)驗的組織方式依實(shí)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(zhuān)門(mén)的實(shí)驗課。設備操作實(shí)習、管線(xiàn)輸送綜合實(shí)驗安排集中周實(shí)施。
本課程實(shí)踐環(huán)節內容多，學(xué)時(shí)較少。2008年之前，實(shí)驗條件主要是實(shí)際設備和屬于物理模擬的管線(xiàn)系統，實(shí)踐教學(xué)的效果不夠理想。屬于驗證性、演示性的實(shí)驗（比如管線(xiàn)沿程摩阻、不滿(mǎn)流實(shí)驗），能夠達到教學(xué)的要求；對于設計性、研究性實(shí)驗，由于實(shí)驗準備工作多、時(shí)間長(cháng)，實(shí)驗的效果難以完全達到要求；用實(shí)際管線(xiàn)設備進(jìn)行的綜合性實(shí)驗，學(xué)生分布在不同的崗位，許多實(shí)驗過(guò)程沒(méi)有實(shí)際體會(huì )，能力的鍛煉有局限性；創(chuàng )新性實(shí)驗只是極少數學(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：驗證性、演示性實(shí)驗在實(shí)踐教學(xué)中扮演主要角色；設計性、研究性實(shí)驗沒(méi)有得到足夠的重視，停留在傳統的方法上；創(chuàng )新實(shí)驗還不利于培養學(xué)生的創(chuàng )新意識和創(chuàng )新能力；綜合性實(shí)驗更多的是形式，研究得不夠。
3 實(shí)驗教學(xué)平臺建設[2-5]
按照“虛實(shí)結合、互為補充、綜合運用、注重創(chuàng )新”的實(shí)驗教學(xué)理念，經(jīng)過(guò)多年的建設，構建了虛實(shí)結合的實(shí)驗教學(xué)平臺（圖1）。
一是采用物理模擬的.手段，建設了一條長(cháng)度為3.2 km的小口徑管線(xiàn)系統，設置多個(gè)調速泵站，工藝流程與實(shí)際管線(xiàn)相同。既可用水代油進(jìn)行實(shí)驗，以節約實(shí)驗經(jīng)費、便于管理、確保安全，又能用實(shí)際油品實(shí)驗，進(jìn)行輸油工況特別是不同油品的順序輸送研究。建設了一個(gè)供油裝備性能檢測實(shí)驗室，能夠進(jìn)行各種輸油設備、器材、儀表的性能實(shí)驗。
二是運用模擬仿真技術(shù)，構建機動(dòng)管線(xiàn)模擬訓練系統。將管輸動(dòng)態(tài)分析運用于輸油模擬實(shí)驗，真實(shí)反映管線(xiàn)系統流動(dòng)狀態(tài)變化的全過(guò)程，開(kāi)發(fā)了工藝設計、輸油仿真、調度指揮、泵站監控等軟件�？梢愿鶕枰O置不同長(cháng)度、不同起伏狀況的虛擬管線(xiàn)，進(jìn)行各種工況的模擬實(shí)驗。建設了油料器材、設備仿真實(shí)驗室，構建了仿真實(shí)驗平臺，開(kāi)發(fā)了軟件，為學(xué)生提供了學(xué)習、研究和創(chuàng )新的環(huán)境。
三是研制了以機動(dòng)管線(xiàn)制式輸油設備為原型的輸油泵機組、供油泵機組半實(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)行輸油泵機組、供油泵機組的使用操作訓練，又能與模擬軟件構成完整的模擬實(shí)驗管線(xiàn)系統，進(jìn)行輸油調度、情況處置的實(shí)驗。
四是配齊了能夠鋪設10 km管線(xiàn)，開(kāi)設四個(gè)泵站、兩個(gè)計量站的機動(dòng)管線(xiàn)管子、器材和設備，為學(xué)生進(jìn)行綜合輸油實(shí)踐提供了物資基礎。
4 教學(xué)實(shí)踐
2009年以來(lái)，在教學(xué)實(shí)踐中運用已建成的實(shí)驗教學(xué)平臺，對輸油管線(xiàn)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(xiàn)對課程設計進(jìn)行優(yōu)化 課程設計階段，學(xué)生分成若干個(gè)小組，3～5人為一組，教師給學(xué)生提供課程設計的基礎數據。先由學(xué)生獨立完成一條機動(dòng)管線(xiàn)的有關(guān)計算、流程設計、泵站布置、排空設計等，形成初步設計方案和設計說(shuō)明書(shū)；再分組將每人所設計的機動(dòng)管線(xiàn)系統按照設計參數構建虛擬管線(xiàn)，進(jìn)行計算結果的驗證和設計方案優(yōu)化，討論并找出設計中存在的不足和問(wèn)題；第三步是每位學(xué)生修改完善自己的課程設計。此做法既加深了學(xué)生對管線(xiàn)設計內容的理解，熟練掌握設計方法，又學(xué)會(huì )了利用計算機軟件進(jìn)行輸油管線(xiàn)設計的方法。
用物理模擬系統進(jìn)行輸油設備性能實(shí)驗
一是結合理論課的教學(xué)進(jìn)度，分別進(jìn)行管線(xiàn)輸油的有關(guān)單項實(shí)驗。比如利用小口徑管線(xiàn)系統進(jìn)行管線(xiàn)沿程摩阻、開(kāi)式和閉式輸送方式等驗證性實(shí)驗，長(cháng)陡下坡線(xiàn)路不滿(mǎn)流、氣頂液排空等演示性實(shí)驗等。利用供油裝備性能檢測實(shí)驗系統，進(jìn)行閥門(mén)流通能力、流量計檢測精度等實(shí)驗。在進(jìn)行驗證性、演示性實(shí)驗的過(guò)程中，使學(xué)生學(xué)會(huì )實(shí)驗設備、儀器的使用，熟練掌握實(shí)驗方法，能夠進(jìn)行實(shí)驗數據的處理。
二是進(jìn)行管線(xiàn)輸送的綜合實(shí)驗。綜合實(shí)驗分組進(jìn)行，8～10人為一組，學(xué)生擔任不同的角色、崗位輪換進(jìn)行實(shí)驗。按照管線(xiàn)輸送的程序，主要進(jìn)行管線(xiàn)充油、輸送、典型工況變化、停輸、排空的實(shí)驗，人為造成輸送過(guò)程中管線(xiàn)水擊、位置固定的線(xiàn)路泄漏等實(shí)驗。每組學(xué)生實(shí)驗前提出實(shí)驗方案，在教師指導下進(jìn)行實(shí)驗。
用模擬器進(jìn)行輸油設備的操作訓練 機動(dòng)管線(xiàn)泵機組由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)，輸油中采用改變泵轉速的方法進(jìn)行輸油壓力調節，泵機組的操作水平直接影響管線(xiàn)輸送的穩定性和安全性，因此，學(xué)生應當熟練掌握泵機組的操作。實(shí)物操作練習的效果好，但準備時(shí)間長(cháng)、油耗高、易損壞設備和儀表，且受天氣、場(chǎng)地等條件限制，訓練效益較低。泵機組模擬器（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，操作熟練后再動(dòng)用實(shí)物練習。這種虛實(shí)結合的操作訓練，有效地增強了訓練效果，節省了經(jīng)費。
用管線(xiàn)模擬系統進(jìn)行輸送工況實(shí)驗 利用小口徑管線(xiàn)系統進(jìn)行管線(xiàn)輸送實(shí)驗，雖然可以使學(xué)生掌握管線(xiàn)輸送的基本情況，鞏固理論課學(xué)過(guò)的知識，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，但是該管線(xiàn)系統站距較短，遠小于實(shí)際管線(xiàn)，所輸送的液體不可壓縮，壓力波沿管線(xiàn)傳播的時(shí)間與實(shí)際管線(xiàn)相差較大，因此，管線(xiàn)輸送中的特殊工況（比如最常見(jiàn)的線(xiàn)路任意位置泄漏）在物理模擬系統中難以進(jìn)行實(shí)驗。
構建包括泵站監控、輸油調度、系統仿真、訓練考核等軟件和泵機組模擬器的機動(dòng)管線(xiàn)模擬訓練系統（見(jiàn)圖3），采用真實(shí)的數據構建虛擬管線(xiàn)，設置虛擬情況進(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。學(xué)生8～10人為一組，其中兩人擔任輸油調度，負責設置實(shí)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(xiàn)輸送的計算機模擬訓練。學(xué)生可以應用管線(xiàn)模擬系統，探討所感興趣的問(wèn)題，驗證學(xué)過(guò)的輸油工況變化規律、運行自己編寫(xiě)的有關(guān)計算機程序。
實(shí)物實(shí)驗、模擬實(shí)驗互為補充，克服了以短管線(xiàn)代替長(cháng)管線(xiàn)實(shí)驗所造成的數據失真問(wèn)題，泵站操作和輸油調度緊密結合，訓練與實(shí)操無(wú)縫銜接，提高了實(shí)驗的針對性、有效性。
用機動(dòng)管線(xiàn)輸油裝備進(jìn)行綜合實(shí)驗 實(shí)物綜合實(shí)驗單獨安排，集中一周的時(shí)間進(jìn)行，重點(diǎn)練習管線(xiàn)各種地形的鋪設、穿跨越障礙、泵站開(kāi)設和輸送中的配合作業(yè)；檢驗課程理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)的學(xué)習情況，運用所學(xué)知識解決實(shí)際問(wèn)題的能力；研究、探討管線(xiàn)輸送中出現的新情況、新問(wèn)題；學(xué)習新研裝備、新開(kāi)發(fā)軟件的使用。
用虛實(shí)結合的實(shí)驗平臺開(kāi)展創(chuàng )新實(shí)驗 在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節，始終注意培養學(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(guān)點(diǎn)介紹給學(xué)生，鼓勵學(xué)生發(fā)現問(wèn)題、提出問(wèn)題、解決問(wèn)題；實(shí)踐教學(xué)中，鼓勵學(xué)生在完成必須完成的實(shí)驗任務(wù)的基礎上，利用各種實(shí)驗條件，進(jìn)行探索實(shí)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(shí)驗系統，填補了多項國外引進(jìn)油料器材的性能參數；進(jìn)行了新研輸油器材的探索實(shí)驗，為確定其技術(shù)指標提供了數據支撐。利用油料器材、設備仿真實(shí)驗系統，針對閥門(mén)的現場(chǎng)維修，提出了改進(jìn)方案；對水底裸管鋪設穿越河流進(jìn)行模擬仿真，提出了新的穩管方法，獲國家發(fā)明專(zhuān)利；利用管線(xiàn)模擬仿真系統，提出了不同口徑機動(dòng)管線(xiàn)配合使用的技術(shù)方案。
創(chuàng )新實(shí)驗除了在課內安排一些學(xué)時(shí)外，更多的是學(xué)生利用課外時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗。在教師的指導下，單個(gè)學(xué)生獨立實(shí)驗或興趣小組專(zhuān)題實(shí)驗，課外實(shí)驗要提前預約。幾年的教學(xué)實(shí)踐表明，這種實(shí)踐教學(xué)方法對激發(fā)學(xué)生學(xué)習的熱情、探索的欲望，提升創(chuàng )新的信心和勇氣，培養嚴肅的工作態(tài)度、嚴謹的工作作風(fēng)，提高創(chuàng )新能力有顯著(zhù)的作用。
5 結語(yǔ)
虛實(shí)結合的實(shí)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(shí)物實(shí)驗、虛擬實(shí)驗各自的特點(diǎn)和優(yōu)長(cháng)，互為補充，為實(shí)踐教學(xué)提供了豐富的手段，克服了傳統實(shí)驗存在的問(wèn)題，對培養和提高學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)驗能力、創(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(zhù)教學(xué)改革的不斷深入，應進(jìn)一步深入開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)的研究，探索規律，總結經(jīng)驗，不斷提高人才培養的質(zhì)量。
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