虚实结合的实验教学平台建设与教学发展关系

　文章编号：1671-489X（2014）18-0045-03
　　1 引言
　　输油管线课是油气储运工程专业的主干课。管线设计和输送工艺是该课程的核心内容，要求学生掌握输油管线的设计方法，具备基本的设计能力；掌握管线运行的基本知识，具备判断并处置各种工况的能力。
　　输油管线课的内容包括固定管线和机动管线两部分，二者既有相同之处，也有所区别。对于机动输油管线来说，输油时临时地面铺设，输油任务完成后撤收。因此，它具有线路状况的不确定性、工艺设计的快速性、输送设备的通用性以及意外工况处置的特殊性等特点[1]。课程的理论课教学，精讲管线输油的基本原理、工艺设计计算、各种工况的分析判断方法等内容，通过课程设计、实验、实习巩固所学的理论知识、分析方法，并探讨研究尚无定论的问题。几年的实践表明，课程理论教学与课程设计、实验、实习相结合，是提高教学质量的有效途径。
　　2 实践教学分析
　　输油管线课实践教学的内容比较丰富，包括针对管线工艺的课程设计、管线输送的各种实验（沿程摩阻实验、水击实验、输送工况实验、排空实验、不满流实验等）、输油设备的操作实习、管线输送的综合实验等。
　　课程设计是由教师给学生提供基础数据，学生运用所学过的知识，独立完成一条机动管线的设计计算，提交设计图纸和计算说明书。各种实验的组织方式依实验本身的性质不同而异，有所不同，有些安排在课程教学中进行，有些则安排专门的实验课。设备操作实习、管线输送综合实验安排集中周实施。
　　本课程实践环节内容多，学时较少。2008年之前，实验条件主要是实际设备和属于物理模拟的管线系统，实践教学的效果不够理想。属于验证性、演示性的实验（比如管线沿程摩阻、不满流实验），能够达到教学的要求；对于设计性、研究性实验，由于实验准备工作多、时间长，实验的效果难以完全达到要求；用实际管线设备进行的综合性实验，学生分布在不同的岗位，许多实验过程没有实际体会，能力的锻炼有局限性；创新性实验只是极少数学生有可能在课外进行。
　　分析实践教学状况，可以看出：验证性、演示性实验在实践教学中扮演主要角色；设计性、研究性实验没有得到足够的重视，停留在传统的方法上；创新实验还不利于培养学生的创新意识和创新能力；综合性实验更多的是形式，研究得不够。
　　3 实验教学平台建设[2-5]
　　按照“虚实结合、互为补充、综合运用、注重创新”的实验教学理念，经过多年的建设，构建了虚实结合的实验教学平台（图1）。
　　一是采用物理模拟的手段，建设了一条长度为3.2 km的小口径管线系统，设置多个调速泵站，工艺流程与实际管线相同。既可用水代油进行实验，以节约实验经费、便于管理、确保安全，又能用实际油品实验，进行输油工况特别是不同油品的顺序输送研究。建设了一个供油装备性能检测实验室，能够进行各种输油设备、器材、仪表的性能实验。
　　二是运用模拟仿真技术，构建机动管线模拟训练系统。将管输动态分析运用于输油模拟实验，真实反映管线系统流动状态变化的全过程，开发了工艺设计、输油仿真、调度指挥、泵站监控等软件。可以根据需要设置不同长度、不同起伏状况的虚拟管线，进行各种工况的模拟实验。建设了油料器材、设备仿真实验室，构建了仿真实验平台，开发了软件，为学生提供了学习、研究和创新的环境。
　　三是研制了以机动管线制式输油设备为原型的输油泵机组、供油泵机组半实物模拟器。模拟器仪表、指示灯、操作手柄的布局与实物相同，所有操作与实物一致，既能够进行输油泵机组、供油泵机组的使用操作训练，又能与模拟软件构成完整的模拟实验管线系统，进行输油调度、情况处置的实验。
　　四是配齐了能够铺设10 km管线，开设四个泵站、两个计量站的机动管线管子、器材和设备，为学生进行综合输油实践提供了物资基础。
　　4 教学实践
　　2009年以来，在教学实践中运用已建成的实验教学平台，对输油管线系列课程的实践教学进行改革与探索，取得较好的效果。
　　用虚拟管线对课程设计进行优化 课程设计阶段，学生分成若干个小组，3～5人为一组，教师给学生提供课程设计的基础数据。先由学生独立完成一条机动管线的有关计算、流程设计、泵站布置、排空设计等，形成初步设计方案和设计说明书；再分组将每人所设计的机动管线系统按照设计参数构建虚拟管线，进行计算结果的验证和设计方案优化，讨论并找出设计中存在的不足和问题；第三步是每位学生修改完善自己的课程设计。此做法既加深了学生对管线设计内容的理解，熟练掌握设计方法，又学会了利用计算机软件进行输油管线设计的方法。
　　用物理模拟系统进行输油设备性能实验
　　一是结合理论课的教学进度，分别进行管线输油的有关单项实验。比如利用小口径管线系统进行管线沿程摩阻、开式和闭式输送方式等验证性实验，长陡下坡线路不满流、气顶液排空等演示性实验等。利用供油装备性能检测实验系统，进行阀门流通能力、流量计检测精度等实验。在进行验证性、演示性实验的过程中，使学生学会实验设备、仪器的使用，熟练掌握实验方法，能够进行实验数据的处理。
　　二是进行管线输送的综合实验。综合实验分组进行，8～10人为一组，学生担任不同的角色、岗位轮换进行实验。按照管线输送的程序，主要进行管线充油、输送、典型工况变化、停输、排空的实验，人为造成输送过程中管线水击、位置固定的线路泄漏等实验。每组学生实验前提出实验方案，在教师指导下进行实验。
　用模拟器进行输油设备的操作训练 机动管线泵机组由发动机驱动，输油中采用改变泵转速的方法进行输油压力调节，泵机组的操作水平直接影响管线输送的稳定性和安全性，因此，学生应当熟练掌握泵机组的操作。实物操作练习的效果好，但准备时间长、油耗高、易损坏设备和仪表，且受天气、场地等条件限制，训练效益较低。泵机组模拟器（图2）研制成功后，在教学实施时，先让每个学生在模拟器上进行操作练习，操作熟练后再动用实物练习。这种虚实结合的操作训练，有效地增强了训练效果，节省了经费。
　　用管线模拟系统进行输送工况实验 利用小口径管线系统进行管线输送实 验，虽然可以使学生掌握管线输送的基本情况，巩固理论课学过的知识，提高学生的动手能力，但是该管线系统站距较短，远小于实际管线，所输送的液体不可压缩，压力波沿管线传播的时间与实际管线相差较大，因此，管线输送中的特殊工况（比如最常见的线路任意位置泄漏）在物理模拟系统中难以进行实验。
　　构建包括泵站监控、输油调度、系统仿真、训练考核等软件和泵机组模拟器的机动管线模拟训练系统（见图3），采用真实的数据构建虚拟管线，设置虚拟情况进行与实际相同的输送作业，进行各种输送工况的实验。学生8～10人为一组，其中两人担任输油调度，负责设置实验工况，其他人在不同岗位进行操作，学生岗位轮换。学生也可以利用软件，独立进行管线输送的计算机模拟训练。学生可以应用管线模拟系统，探讨所感兴趣的问题，验证学过的输油工况变化规律、运行自己编写的有关计算机程序。
　　实物实验、模拟实验互为补充，克服了以短管线代替长管线实验所造成的数据失真问题，泵站操作和输油调度紧密结合，训练与实操无缝衔接，提高了实验的针对性、有效性。
　　用机动管线输油装备进行综合实验 实物综合实验单独安排，集中一周的时间进行，重点练习管线各种地形的铺设、穿跨越障碍、泵站开设和输送中的配合作业；检验课程理论教学、实践教学的学习情况，运用所学知识解决实际问题的能力；研究、探讨管线输送中出现的新情况、新问题；学习新研装备、新开发软件的使用。
　　用虚实结合的实验平台开展创新实验 在教学的各个环节，始终注意培养学生的创新意识、创新精神和创新能力。在理论教学中，把不同的学术观点介绍给学生，鼓励学生发现问题、提出问题、解决问题；实践教学中，鼓励学生在完成必须完成的实验任务的基础上，利用各种实验条件，进行探索实验、创新研究，并取得明显的成效。比如，利用供油装备性能检测实验系统，填补了多项国外引进油料器材的性能参数；进行了新研输油器材的探索实验，为确定其技术指标提供了数据支撑。利用油料器材、设备仿真实验系统，针对阀门的现场维修，提出了改进方案；对水底裸管铺设穿越河流进行模拟仿真，提出了新的稳管方法，获国家发明专利；利用管线模拟仿真系统，提出了不同口径机动管线配合使用的技术方案。
　　创新实验除了在课内安排一些学时外，更多的是学生利用课外时间进行实验。在教师的指导下，单个学生独立实验或兴趣小组专题实验，课外实验要提前预约。几年的教学实践表明，这种实践教学方法对激发学生学习的热情、探索的欲望，提升创新的信心和勇气，培养严肃的工作态度、严谨的工作作风，提高创新能力有显著的作用。
　　5 结语
　　虚实结合的实验教学平台，将流体机械、检测技术、计算机模拟仿真等融为一体，充分发挥实物实验、虚拟实验各自的特点和优长，互为补充，为实践教学提供了丰富的手段，克服了传统实验存在的问题，对培养和提高学生的动手能力、实验能力、创新能力发挥了重要作用，几年的教学实践充分证明这一点。随着教学改革的不断深入，应进一步深入开展实践教学的研究，探索规律，总结经验，不断提高人才培养的质量。
　　参考文献
　　[1]张伟明，雍歧卫，蒋明，等.输油管线课程实践教学改革[J].实验室研究与探索，2008（1）：119-121.
　　[2]李兵，邢立民，等.运用模拟教学平台培养学生的实践能力[J].实验科学与技术，2007（6）：114-116.
　　[3]张伟明，蒋明，等.输油管线模拟实验系统的构建[J].实验技术与管理，2009（4）：60-61.
　　[4]蒋明，张伟明，周绪杨.装配式输油管道模拟训练系统的开发[C]//2009中国国际石油与天然气管道会议论文集.
　　2009：542-545.