油氣儲運國家級示范中心“云實驗室”建設初探

陳 婧， 梁法春， 曹學文， 張樹文

(中國石油大學 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

培養大學生的自主創新能力是21世紀高校人才培養的核心內容，實驗教學是教學體系的重要一環。而實驗室則是實驗教學的主要平臺，在培養學生的探索精神和實踐能力方面具有重要作用。中國石油大學(華東)油氣儲運工程專業為國家重點學科，經過50余年實踐探索，儲運教研室不斷更新教育理念、完善教學體系、自主研發實驗系統、探索教育教學方法，油氣儲運實驗室取得巨大進展。2012年，油氣儲運國家實驗教學示范中心成功獲批。但實驗室建設尚存在重硬件投入、輕軟件建設，實驗方案拓展性差，管理和維護成本高等問題。本文將“云計算”引入實驗教學，開發了網絡“云實驗室”,師生可在云端自主設計實驗方案，處理實驗數據，取得了良好的教學效果。

1 國家級教學示范中心建設現狀及存在問題

2005年教育部啟動了國家級實驗教學示范中心的評審工作, 2007年國家級實驗教學示范中心建設納入“十一五”本科教學質量工程規劃[1]。我國實驗教學示范中心建設取得了重要進展，各具特色的實驗中心相繼建成,充分發揮了引領、輻射和示范作用[2-5]。但教學示范中心建設過程中尚存在如下問題。

(1) 重硬件投入、輕軟件建設。為提高自身的競爭力，引進了大量先進儀器和設備。由于設備精密復雜，操作人員培訓滯后，空置率高，無法在本科教學中發揮作用，造成嚴重的資源浪費。同時，忽略了軟實力建設，軟件資源建設投入不足，盜版軟件廣泛存在。

(2) 資源利用效率低，存在“信息孤島”現象。各院系的實驗室基于自身需要采用不同運行和管理平臺，使得各實驗室之間的信息溝通不暢，不能真正實現教學軟件資源共享，導致“信息孤島”現象的產生[6]。

(3) 實驗室效能未充分發掘。受實體實驗室本身規模、經濟成本以及安全方面的制約，只能在一定參數范圍內開展實驗測試，學生的發揮空間受到限制。同時，實驗室不可能隨時開放，對于復雜實驗系統，學生對實驗設備與工藝流程不熟悉，無法進行有效預習，只能在教師指導下被動實驗，嚴重影響自主性和創新性的發揮。

(4) 管理和維護成本高。國家教學實驗示范中心設備龐雜，隨著學生規模的日益龐大，分組學生人數多，安全管理風險大，教師實驗教學工作量日益增加。

“云計算”現已廣泛應用于社會生產生活各領域，其優越性在于通過“云計算”平臺構建可以網絡“云實驗室”，在網上建立虛擬實驗課堂，從而為解決當前國家教學示范中心存在的問題提供了技術支撐。

2 云計算技術優勢及對教育教學的影響

2.1 何為“云計算”

云計算(Cloud Computing)是繼1980年大型計算機到客戶端-服務器的大轉變之后的又一種巨變，是網格計算(Grid Computing )、分布式計算(Distributed Computing)、并行計算(Parallel Computing)、效用計算(UtilityComputing)、網絡存儲(Network Storage Technologies)、虛擬化(Virtualization)、負載均衡(Load Balance)等傳統計算機和網絡技術發展融合的產物[7]。云計算的目標是把所有的東西都放到網絡上，云就是網絡，計算機硬件、軟件、服務器、計算和應用作為一種公共設施提供給公眾用戶，人們能夠像使用水、電、煤氣和電話那樣獲得云服務。

2.2 云計算在教學中的應用

近年來，云計算技術應用于教學實踐方面也引起了廣泛關注[8-13]。早在2006年云計算創始者之一的Google就在美國啟動了Google 101計劃，旨在通過高校培養云計算人才。美國華盛頓大學、加利福尼亞大學、斯坦福大學、麻省理工大學、卡內基-梅隆大學、馬里蘭大學先后加入該計劃，并設立云計算相關專業[14]。在我國2008年中國教育技術協會年會上，上海師范大學黎加厚教授首次提出“云計算輔助教學CCAI”以及“云計算輔助教育(CCBE)概念”，旨在將“云計算”引入到教育教學環節[15]。

2.3 云計算的特點

(1) 開放性和便捷性。傳統實驗室只能提供學生在規定時間內進行實驗操作，而基于云計算的實驗室通過網絡提供虛擬化服務，用戶不受時間和地點的限制，也不受訪問平臺和系統的制約，學生可以在任何時間、地點通過筆記本或者手機，登錄網絡開展云實驗，完成實驗內容，將實驗數據存放在云中[16]。

(2) 交互性。學生可以通過云進行交流合作，共同完成實驗任務，提高團結協作精神。教師則可通過云平臺，對學生的實驗進行全程指導。在此期間可以發現學生的興趣和需求，并加以引導和促進，從而架起教師-學生互動交流橋梁。

(3) 共享性和可擴展性。軟件的升級和維護、版本的授權也都由云端統一管理，可根據用戶需求動態的分配資源,優化云端云實驗室資源配置，調整終端允許用戶數量，提高資源使用效率，從而為教學資源的最大化共享和靈活擴展提供有效的解決方案。

(4) 高可靠性。在云計算中，開放學生的數據存儲在服務器端，而應用程序在服務器端運行。采用分布式節點來構成云，由于其特殊的容錯布局，單個人的計算機或移動終端發生病毒入侵，出現故障或崩潰，也不會影響遠程實驗和個人相關數據。

(5) 經濟性。用戶只需小硬盤、小內存的計算機，采用Google、百度等網絡服務商提供的免費在線軟件，即可構建云平臺。同時，采用云計算對軟件資源進行整合，可消除信息孤島，大大節省軟件資源重復投入。

3 油氣多相混輸“云實驗室”的構建

3.1 云實驗室構建

以中國石油大學(華東)油氣儲運實驗室兩相流云實驗室為例，對云實驗室的構建做一介紹。由于多相流動的復雜性和隨機性，在教學實踐中，氣-液混輸一直是教學的難點。在常規的實驗室教學中無法對集輸管道直徑、實驗介質、管道傾角、氣液輸量等參數進行隨意調整，管截面上氣液分布特征也無法觀察和測量，嚴重影響了學生對氣液兩相流知識的深入理解。傳統的實驗教學已經不能滿足新形勢下教學需要，為此將云計算引入實驗教學，建立油氣儲運云實驗室，作為硬件實驗系統的重要補充。圖1為油氣管道流動模擬云實驗室工作過程示意圖。教師和學生通過請求進入云端，利用云端虛擬實驗裝置，設置實驗流程，分析存儲實驗數據。管理人員負責供登錄入口，對油氣儲運師生分配帳號和權限，保障云端系統的安全和正常運行。

3.2 “云實驗室”組成

如圖2所示，氣液兩相流模擬實驗系統由動力輸送裝置、流量調節裝置、氣液混合裝置、實驗測試管段、氣液分離裝置以及儲液裝置等組成。所有設備、儀表以及管件采用組態軟件生成。氣體經壓縮機增壓后進入單相氣體管路，通過氣體流量調節閥和氣體旁通閥可調節氣體流量，氣量大小通過漩渦氣體流量計測量和顯示。來自儲液池的水通過泵輸送至單相液體管路，液體流量由質量流量計測量和顯示，并可通過調節閥和液體旁通閥進行調節控制液體流量。氣、液相在氣液混合器混合后經過充分發展段進入測試管段。測試段終點與氣液分離器相連，氣液混合物在離心力和重力作用下完成氣液分離。氣相從分離器頂部排出，液相則返回水箱循環。

圖2 氣液兩相流云實驗室系統組成

3.3 云實驗室功能

用戶在實驗仿真系統上設置好管路尺寸、結構、氣液介質性質和氣液流量等條件后，應用安裝在云端的氣液兩相流動計算軟件，快速獲得壓力、持液率、流型的關鍵流動參數。通過虛擬重構技術繪制氣液兩相流仿真圖像。根據模擬結果，在實驗仿真系統實時顯示數據，自動生成實驗報告。

不同流型下兩相流流動和傳熱特性也不相同，常見的氣液兩相流流型主要有分層流、段塞流、泡狀流、環狀流、霧狀流等[17]。圖3為實驗仿真提供流型快照。仿真系統還可直觀生動地動態顯示兩相流氣液分布和壓力、持液率等參數的波動狀態，從而增加學生對氣液兩相流基本流動特性的直觀認識。

(a) 長氣泡流

(b) 段塞流

(c) 分層光滑流

(d) 分層波浪流

在模擬實驗過程中，實驗管路的管徑、上下起伏狀態，以及實驗介質和氣液流量均可隨意設置和調節。從而可以考察管路結構、氣液流量、介質物性等參數對氣液混輸流動特性的影響，突破了傳統實驗室教學的局限，擴寬了實驗范圍，極大增強了實驗的靈活性。

4 云實驗室特點和應用效果

(1) 革新傳統教學模式。云實驗平臺將有助于搭建學生自主學習系統，用戶在任何時間、任何地點，只需要一個能夠上網的設備，個人PC、手機都可登錄云服務平臺，進入“云”里漫游，開展云實驗。

(2) 自主設計和開展實驗。將傳統的實驗教學模式以網絡化、虛擬化的形式呈現在學生面前，學生可根據興趣，自主安排和設計實驗；通過在實驗課前開展仿真實驗，可提前熟悉實驗設備、實驗流程，改變過去學生在教師指導下按照規定步驟開展實驗的機器式學習模式，提高實驗效率和質量。

(3) 全方位展示實驗結果。由于傳統實驗室中自身的局限，氣液兩相流動中氣液分布等細節信息無法直觀呈現，而虛擬仿真系統能夠用三維視角全方位展示實驗細節，形象直觀。與傳統實驗教學模式相比，虛擬實驗系統功能更完善，更加靈活、直觀、生動。

5 結 語

傳統的實驗室教學已經無法滿足網絡化、信息化時代的教學要求。在油氣儲運國家級教學實驗中心的建設中，開展了“云實驗室”的建設和教學實踐。將傳統的實驗教學模式以網絡化、虛擬化的形式呈現在學生面前，擺脫了實驗環節的時間和空間限制。教學實踐表明，改變了傳統的根據教師指導，按照規定步驟開展的被動實驗教學模式。學生可根據興趣，自主安排和設計實驗，根據仿真模擬結果驗證理論分析，從而學習自主性、積極性和創新性得到很大提升。

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