液體管道輸送課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探究

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(中國(guó)石油大學(xué)<北京>機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院)

一、引言

《輸油管道設(shè)計(jì)與管理》課程是油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干課程，主要培養(yǎng)學(xué)生液體管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的相關(guān)知識(shí)技能，該課程以輸油管道工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理為主線，闡述輸油管道的基本原理、工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，以及運(yùn)行特點(diǎn)和管理原則。該課程理論與工程實(shí)際緊密結(jié)合，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科知識(shí)在實(shí)踐中的綜合理解和應(yīng)用。在當(dāng)前的本科生培養(yǎng)方案中，與液體管道輸送相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)較為分散，一般安排在課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)、相關(guān)選修課程實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)訓(xùn)等各個(gè)環(huán)節(jié)中，造成教學(xué)實(shí)驗(yàn)中原理性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多，設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)較少。同時(shí)由于管道技術(shù)發(fā)展迅速，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)跟不上技術(shù)發(fā)展，導(dǎo)致教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際工程應(yīng)用脫節(jié)嚴(yán)重，這是學(xué)生綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)的短板，也影響了專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程系的教學(xué)團(tuán)隊(duì)一直致力于實(shí)踐教學(xué)相關(guān)課題的研究，不斷完善校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)設(shè)施，在教學(xué)體系、內(nèi)容、模式、方法等方面做了諸多改進(jìn)。為進(jìn)一步提高專(zhuān)業(yè)教學(xué)水平，油氣儲(chǔ)運(yùn)工程系的教學(xué)團(tuán)隊(duì)將根據(jù)學(xué)生培養(yǎng)方案的要求，探索輸油管道系列課程之間的聯(lián)系，綜合各學(xué)科學(xué)識(shí)，研究新的綜合性課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提出更具系統(tǒng)性和完整性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使其具有更為明確的工程背景和創(chuàng)新性，對(duì)提高學(xué)生綜合分析解決相關(guān)問(wèn)題及實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也更有價(jià)值。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)存的問(wèn)題

油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)具有多學(xué)科交叉、在石油行業(yè)中覆蓋面最廣、直接面向工程領(lǐng)域等特點(diǎn)。《輸油管道設(shè)計(jì)與管理》課程作為主干課程，為必修專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科，而涉及專(zhuān)業(yè)方向較強(qiáng)、與工程實(shí)際更為貼近的課程多為選修課程，如輸油管道水擊分析與控制、原油流變學(xué)及應(yīng)用、儀表檢測(cè)與管道SCADA系統(tǒng)、輸油管道優(yōu)化等，這些課程安排在不同學(xué)年，學(xué)生每學(xué)年只能選修部分課程，使得各個(gè)課程的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)被分開(kāi)講授，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容缺乏統(tǒng)一性和系統(tǒng)性，知識(shí)體系的綜合應(yīng)用效果得不到足夠的發(fā)揮，不利于提升學(xué)生綜合分析、解決工程問(wèn)題及創(chuàng)新的能力。

(1)在以前單一課程教學(xué)中，存在著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和項(xiàng)目相對(duì)單一，設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)較少，難度也不大；實(shí)驗(yàn)課程之間無(wú)關(guān)聯(lián)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排沒(méi)有考慮到相關(guān)課程的前后銜接等問(wèn)題。

(2)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)間少、管道綜合性實(shí)驗(yàn)少。在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，基礎(chǔ)性和簡(jiǎn)單的綜合性實(shí)驗(yàn)較多，能夠自主發(fā)揮的設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性及長(zhǎng)輸管道整體運(yùn)行實(shí)驗(yàn)較少，知識(shí)和技能比較碎片化，不系統(tǒng)。由于實(shí)驗(yàn)隨課程走，也造成了實(shí)驗(yàn)體系被割裂，分散在各個(gè)學(xué)期。

(3)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不能及時(shí)更新，學(xué)生自主創(chuàng)新發(fā)揮余地少，與工程技術(shù)發(fā)展聯(lián)系不夠緊密，各種新材料、新工藝、新技術(shù)在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)較少，不能為學(xué)生進(jìn)一步的科研和就業(yè)提供優(yōu)勢(shì)。

(4)缺少對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)有效的評(píng)價(jià)機(jī)制。實(shí)踐環(huán)節(jié)應(yīng)隨技術(shù)的發(fā)展不斷更新，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)監(jiān)控沒(méi)有科學(xué)的方法，無(wú)法整體提升實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)水平。

根據(jù)上述實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題，今后的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)依托專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，優(yōu)化現(xiàn)有課程群的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，搭建綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)，力求涵蓋相關(guān)知識(shí)和技能，以鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)分析復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，提高學(xué)生在社會(huì)和行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

三、教學(xué)改革內(nèi)容

1.整合優(yōu)化各課程的關(guān)聯(lián)與協(xié)同作用，制定綜合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)對(duì)輸油管道系列課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行重構(gòu)和系統(tǒng)優(yōu)化，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容放在課程群整體教學(xué)大綱中考慮，建設(shè)輸油管道課程群的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，通過(guò)對(duì)輸油管道設(shè)計(jì)與管理、儀表檢測(cè)與管道SCADA系統(tǒng)、原油流變學(xué)及應(yīng)用、輸油管道水擊分析與控制、仿真實(shí)訓(xùn)等專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)關(guān)聯(lián)程度的分析，制定課程順序及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。首先根據(jù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)研討的結(jié)果調(diào)整了各課程的上課時(shí)間，使學(xué)生按照一定的知識(shí)邏輯順序?qū)W習(xí)各門(mén)課程，將涉及管道設(shè)備的課程放在前面，通過(guò)輸油管道設(shè)計(jì)與管理課程進(jìn)行綜合學(xué)習(xí)，將管道輸送的具體問(wèn)題分析課程放在后面，組成了遞進(jìn)式的學(xué)習(xí)模式。

2.虛實(shí)結(jié)合，硬件設(shè)備與仿真軟件互為補(bǔ)充，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量

專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、仿真計(jì)算、實(shí)物模擬工程站場(chǎng)運(yùn)行等方式培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。由此，實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并建設(shè)了長(zhǎng)輸管道運(yùn)行模擬控制中心、站場(chǎng)可操作半仿真實(shí)物模型及小型模擬實(shí)驗(yàn)裝置，涵蓋長(zhǎng)距離原油管道仿真系統(tǒng)、長(zhǎng)距離成品油管道仿真系統(tǒng)，通過(guò)界面圖形和數(shù)值仿真計(jì)算軟件對(duì)接，實(shí)現(xiàn)“真實(shí)”模擬管道水力系統(tǒng)及控制操作，該系統(tǒng)不僅能模擬站場(chǎng)操作、管道正常運(yùn)行工況，還能模擬管道水擊、泄漏和誤操作等事故工況，并且能模擬事故應(yīng)對(duì)處理的效果等。學(xué)生可以通過(guò)仿真軟件計(jì)算管道系統(tǒng)的水力、熱力情況，通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行控制操作。這些仿真設(shè)施極大的彌補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)能看不能動(dòng)的缺陷，使學(xué)生不僅能動(dòng)手操作，而且能看到現(xiàn)場(chǎng)看不到的管道內(nèi)運(yùn)行情況的瞬態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)一加一大于二的效果。同時(shí)，我校這些自主開(kāi)發(fā)的軟件和設(shè)備已推廣到其他院校，得到了一致好評(píng)。

3.分層次安排課內(nèi)課外實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，遞進(jìn)式培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力

輸油管道設(shè)計(jì)與管理課程群涉及多門(mén)專(zhuān)業(yè)課程，工程性較強(qiáng)，但主要針對(duì)課程要求制定，使得課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少。對(duì)本門(mén)課程來(lái)說(shuō)，兼顧了基礎(chǔ)性和綜合性，但與輸油管道工程實(shí)際的結(jié)合不夠。針對(duì)這一情況，在兼顧課程教學(xué)目標(biāo)及整體實(shí)踐體系要求、實(shí)驗(yàn)室硬件基礎(chǔ)上，大力開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)，研究探索型實(shí)驗(yàn)作為補(bǔ)充，完善實(shí)驗(yàn)課程體系，同時(shí)部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為選修實(shí)驗(yàn)、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生在課余時(shí)間段完成，做到不同課程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)與工程設(shè)計(jì)相結(jié)合、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)與校外實(shí)習(xí)相結(jié)合、課程實(shí)驗(yàn)與競(jìng)賽創(chuàng)新相結(jié)合，系統(tǒng)提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。

4.致力于將科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)的合格工程人才

中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣儲(chǔ)運(yùn)專(zhuān)業(yè)有非常優(yōu)秀的教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，也非常注重科研成果向教學(xué)課程的轉(zhuǎn)化。將科研課題中代表性的內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的重要知識(shí)相聯(lián)系并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，又激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。近年來(lái)，專(zhuān)業(yè)教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)已轉(zhuǎn)化了多項(xiàng)科研項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)了管道瞬態(tài)模擬計(jì)算軟件LPS、長(zhǎng)輸管道密閉輸送實(shí)驗(yàn)裝置、成品油庫(kù)運(yùn)行管理軟件、典型站場(chǎng)模擬等多個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和軟件，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí)，為學(xué)生參加各種專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽和參與科研提供支持。教學(xué)結(jié)果表明這些以科研為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的優(yōu)秀人才具有積極的推動(dòng)作用。

5.依托大學(xué)生創(chuàng)新及學(xué)科競(jìng)賽，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析、創(chuàng)新、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力

教師在選題、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等方面適度引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)資源，自主選擇專(zhuān)業(yè)課題進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)踐，組織學(xué)生參與科研項(xiàng)目和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)及設(shè)備開(kāi)發(fā)等活動(dòng)。目前，本專(zhuān)業(yè)學(xué)生超過(guò)三分之二都參加過(guò)國(guó)家、省級(jí)及學(xué)校組織的“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類(lèi)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目”，其中部分取得了優(yōu)異的成績(jī)。專(zhuān)業(yè)性競(jìng)賽是學(xué)生將課堂理論知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐相結(jié)合的重要平臺(tái)。近年來(lái)，為激發(fā)學(xué)生的能動(dòng)性和創(chuàng)造性，鼓勵(lì)學(xué)生參加“石油工程設(shè)計(jì)大賽”“油氣儲(chǔ)運(yùn)工程設(shè)計(jì)大賽”等專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽，賽題均來(lái)源于工程實(shí)際。通過(guò)對(duì)題目的分析和設(shè)計(jì)可以考察學(xué)生對(duì)所學(xué)課程的理論知識(shí)掌握的深度和廣度，以及對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)和系統(tǒng)工藝等相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)認(rèn)知的能力，同時(shí)將競(jìng)賽作為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的重要補(bǔ)充，教師提供指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)室提供模擬計(jì)算工具等，以此鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

四、改革效果

通過(guò)液體管道輸送課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，優(yōu)化調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，用多種方式增加綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行深化改革，在實(shí)際中取得了良好的教學(xué)效果。3年來(lái)，在本科生培養(yǎng)上，除必修及選修實(shí)驗(yàn)課程外，每年均有部分學(xué)生參與相關(guān)科研項(xiàng)目及創(chuàng)新課題研究，為就業(yè)和繼續(xù)深入科研打基礎(chǔ)。全國(guó)石油工程設(shè)計(jì)大賽我校學(xué)生三年共獲得一等獎(jiǎng)7項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)、三等獎(jiǎng)41項(xiàng)的優(yōu)異成績(jī)。在已開(kāi)展兩屆的油氣儲(chǔ)運(yùn)工程設(shè)計(jì)大賽也有所斬獲，并在2017年獲得優(yōu)秀組織團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著學(xué)科的分化與綜合，課程之間的聯(lián)系愈加緊密。課程群可以完善知識(shí)創(chuàng)新體系，形成協(xié)同關(guān)系，有效利用教學(xué)資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。通過(guò)對(duì)液體管道輸送課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，整合實(shí)驗(yàn)資源，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，形成了分層遞進(jìn)式的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，提高了設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的比例，多渠道、多方面鍛煉了學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為學(xué)生進(jìn)一步深入專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的研究和就業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的支撐，獲得了良好的教學(xué)效果。

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