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虚实结合的实验教学平台建设与教学发展关系论文

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虚实结合的实验教学平台建设与教学发展关系论文

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.

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