自主開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器對(duì)教學(xué)質(zhì)量影響研究與實(shí)踐

張辛，王旱祥，蘭文劍，車家琪，林學(xué)強(qiáng)，葛家旺

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島，266580）

非常規(guī)能源裝備是我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)課，是研究非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)、新能源發(fā)電技術(shù)與裝備等方面的課程，有很強(qiáng)的應(yīng)用性。目前實(shí)驗(yàn)室配備的教學(xué)儀器都比較老舊，且基本都是通用設(shè)備，沒(méi)有非常規(guī)能源開(kāi)采方面的專業(yè)教學(xué)儀器，學(xué)生無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解煤層氣、天然氣水合物等區(qū)別于常規(guī)油氣的開(kāi)采方法和特點(diǎn)。為了解決這些問(wèn)題，教學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、研發(fā)了一系列非常規(guī)能源開(kāi)發(fā)專用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在教學(xué)實(shí)踐中，實(shí)踐結(jié)果證明，自主開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)思維、工程意識(shí)、實(shí)踐和創(chuàng)新能力具有重要的意義，是推動(dòng)學(xué)科建設(shè)、促進(jìn)專業(yè)人才培養(yǎng)的有力舉措。

1 自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的必要性

工科專業(yè)特別是具有鮮明行業(yè)特色的專業(yè)，培養(yǎng)方案所設(shè)置的課程內(nèi)容大多與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)聯(lián)系密切，有著較強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果對(duì)學(xué)生專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)有著較大影響。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備作為高校專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)的載體，其專業(yè)性和先進(jìn)性是實(shí)驗(yàn)條件的綜合體現(xiàn)，專用實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)與研發(fā)，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要條件。自主開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以為新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作做好準(zhǔn)備，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作精神及創(chuàng)新能力，達(dá)到教學(xué)和科研相結(jié)合的目的。

2 自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器方案

■ 2.1 渦流排水采氣及煤層氣排水采氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

渦流排水采氣及煤層氣排水采氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由模擬管柱系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、氣液混合系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、渦流器模型及加煤粉裝置等組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 渦流排水采氣及煤層氣排水采氣系統(tǒng)技術(shù)方案圖

此教學(xué)平臺(tái)可以根據(jù)培養(yǎng)要求完成不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。模擬不同的參數(shù)作用下，相同渦流工具的流態(tài)變化情況，測(cè)量關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成對(duì)渦流工具的適應(yīng)性分析；模擬相同的參數(shù)作用下，不同的渦流工具物理參數(shù)對(duì)流態(tài)變化的影響，分析各種參數(shù)的影響能力；模擬在相同排采參數(shù)時(shí)，不同煤粉的沉降運(yùn)動(dòng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而安排排采最優(yōu)方案；模擬煤層氣油管內(nèi)的流動(dòng)，使現(xiàn)象更直觀，可以為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供優(yōu)質(zhì)資源。

■ 2.2 油氣田井下磨銑工具教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在油氣田井下作業(yè)過(guò)程中，由于各種因素，會(huì)發(fā)生井筒堵塞的現(xiàn)象，需要借助專業(yè)的磨銑工具消除井筒堵塞物，來(lái)保證作業(yè)的正常進(jìn)行[1-3]。磨銑工具的工作機(jī)理是將硬質(zhì)合金鋪焊在基體表面，依靠硬質(zhì)合金的物理特性破壞井筒內(nèi)的堵塞物，從而解決井筒堵塞的問(wèn)題[4-5]。

和正常條件下的機(jī)械磨銑加工不同，井下作業(yè)難度更大、危險(xiǎn)系數(shù)更高。因此，磨銑工具要能滿足高壓力、高轉(zhuǎn)矩的要求[6]，以適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，解決井筒堵塞的問(wèn)題，恢復(fù)生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益[7]。為了使學(xué)生對(duì)油氣田作業(yè)過(guò)程有更直觀的認(rèn)識(shí)，自主研發(fā)出油氣田井下磨銑工具的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，模擬井下磨銑工具破碎井內(nèi)堵塞物的全過(guò)程，理論聯(lián)系實(shí)踐，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)造能力[8-9]。

磨銑實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案如圖3所示，采用立式總體布局，保證實(shí)驗(yàn)室空間布局合理，滿足實(shí)際作業(yè)情況。教學(xué)平臺(tái)共包括五個(gè)模塊，動(dòng)力模塊、傳動(dòng)模塊、磨銑模塊、電缸模塊、測(cè)控模塊。動(dòng)力模塊是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)作的前提，傳動(dòng)模塊是動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵，磨銑模塊是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的執(zhí)行模塊，有工作臺(tái)和磨銑工具兩部分，電缸模塊有PLC控制器和電動(dòng)缸兩部分，測(cè)控模塊由各種傳感器組成，進(jìn)行作業(yè)過(guò)程中工作參數(shù)的測(cè)量[10]。

圖2 磨銑工具實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)整體思路

圖3 鉆磨銑工具性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案

■ 2.3 機(jī)電控制綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制是近幾年機(jī)自專業(yè)和機(jī)械工程專業(yè)等開(kāi)設(shè)的機(jī)械電子方向的專業(yè)課程，本課程的開(kāi)設(shè)目的，旨在通過(guò)課程教學(xué)，將基本的電氣控制、自動(dòng)控制等知識(shí)與油氣田開(kāi)采工作相結(jié)合，使學(xué)生了解油氣田開(kāi)發(fā)裝備中所應(yīng)用到的控制原理與方法。由于課程高度專業(yè)性和石油特色化，亟需自主研發(fā)一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，以滿足課程教學(xué)目的和育人需求。

機(jī)電控制系統(tǒng)包括傳感器、運(yùn)算單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分[11-13]。傳感器是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的前提，通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)被測(cè)量物理量與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換[14]。運(yùn)算單元是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，不同類型的元件有不同的控制特點(diǎn)，常用的元件有計(jì)算機(jī)、繼電器等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制系統(tǒng)的動(dòng)力輸出部分，實(shí)現(xiàn)其他類型能量到機(jī)械能的轉(zhuǎn)變，比如液壓馬達(dá)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。

圖4 機(jī)電控制系統(tǒng)基本構(gòu)成

教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)以工業(yè)控制為標(biāo)準(zhǔn)，具有多個(gè)控制模塊[15]。在此教學(xué)平臺(tái)可以進(jìn)行多種控制實(shí)驗(yàn)，借助不同的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)典型物理量的控制，比如溫度、壓力等。

在具備PLC編程、安全配線、組態(tài)、電氣調(diào)試、管路搭建、變頻調(diào)速、可控硅調(diào)壓控制的同時(shí)，重點(diǎn)突出流體過(guò)程控制傳感器的配線、信號(hào)轉(zhuǎn)換、變送、采集、PID控制和組態(tài)控制的主要功能。

平臺(tái)系統(tǒng)涵蓋了擴(kuò)散硅式液位變送器、PT100溫度變送器、磁浮球液位開(kāi)關(guān)等常用傳感器，覆蓋開(kāi)關(guān)量、模擬量等兩種信號(hào)類別。除此之外，系統(tǒng)還可擴(kuò)展安全配線、多種實(shí)訓(xùn)模式切換功能。

機(jī)電控制綜合教學(xué)平臺(tái)可以進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參數(shù)的調(diào)控，但它的作用不僅僅局限與此。它把理論教學(xué)中涉及到的知識(shí)直觀的展示出來(lái)，理論聯(lián)系實(shí)踐，真正的做到知識(shí)的學(xué)以致用。比如控制實(shí)驗(yàn)中涉及到的PLC編程以及各種設(shè)備的工作機(jī)理。

在教學(xué)過(guò)程中，加大對(duì)機(jī)電控制綜合教學(xué)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和使用力度，可以實(shí)現(xiàn)課堂理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程應(yīng)用的三者結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)控制過(guò)程的理解，顯著提高學(xué)生PLC編制程序的能力，使學(xué)生對(duì)管路搭建以及電氣調(diào)試有更深刻的認(rèn)識(shí)。在完成教學(xué)的同時(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和科研意識(shí)。

3 自主開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的成效

■ 3.1 重構(gòu)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)不同的功能和效果，既可以開(kāi)設(shè)課程教學(xué)大綱中的必修實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，還可以進(jìn)行開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目、研究生承擔(dān)科研項(xiàng)目等提供實(shí)驗(yàn)條件[16]。目前可以開(kāi)出的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有致密砂巖氣/煤層氣井底多相流狀態(tài)實(shí)驗(yàn)、煤粉運(yùn)移規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)、磨銑工作過(guò)程熱場(chǎng)分布實(shí)驗(yàn)等數(shù)十項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。可以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作精神及創(chuàng)新能力。

■ 3.2 科研融入教學(xué)，鍛煉了教師教學(xué)科研水平

高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，自行設(shè)計(jì)研發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，需要實(shí)驗(yàn)老師對(duì)課程有非常透徹的理解，了解工程實(shí)際問(wèn)題的解決方法和思路，能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與工程實(shí)際相結(jié)合，這對(duì)于參與人員的理論水平有較大的提高[16-17]，既能提高學(xué)生的興趣和積極性，又能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。

■ 3.3 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平提高，發(fā)揮了周邊輻射作用

近幾年，我們課程群多采用自行設(shè)計(jì)、自行選型、自主定制加工、安裝調(diào)試的模式，建成了適用于多門本科必修課程的多套實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，其中包括適用于交叉課程、交叉學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，在一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)水平[16,18]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在新工科背景下，建設(shè)高水平、高質(zhì)量的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，是人才培養(yǎng)和科研興國(guó)的重要載體。自主設(shè)計(jì)研發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，不僅可以解決教學(xué)急需設(shè)備，保證不同實(shí)驗(yàn)的開(kāi)出率，同時(shí)，能夠鍛煉實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員的教學(xué)和科研水平，使理論知識(shí)與工程實(shí)際問(wèn)題有機(jī)結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與搭建，解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題，能夠持續(xù)吸引學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的快速建設(shè)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、學(xué)生能力培養(yǎng)，有著積極的促進(jìn)作用。