管道工藝設計課程工程實踐場所的構建與應用

江國業，胡艷嬌

摘要：針對工程教育的現狀，分析了構建工程場所的必要性。根據管道工藝設計課程的特點，提出在現有實踐環節的基礎上用仿真軟件作為工程實踐的主要組成部分。分析了仿真軟件的基本結構及其在CDIO工程教育各環節中的作用。介紹了管道工藝設計課程一體化教學的教學組織。

關鍵詞：管道；工藝設計；工程實踐場所；仿真；CDIO

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0178-02

一、構建工程實踐場所的必要性

傳統工程教育偏重于理論教學，而忽視工程實踐訓練，這就造成了如下兩種情況：

一是教師為了保證教學內容的系統性和完整性，受制于教材以及參考教材的章節安排和內容組織，缺乏工程實踐訓練，或者工程訓練與理論教學脫節，不能實現聯動。整個教學有照本宣科之嫌，學生學習枯燥乏味，提不起興趣，教學效果差。

二是一個專業的各門課程多局限于工程上的某一環節，沒形成一個整體，與實際脫軌，無法獲得實戰經驗。學生學完課程后不能勝任相關工程在整個生命期內的工作，培養出的是工程師半成品，與企業的需求和期望差距較大。

人們已經逐漸認識到，工程教育的目標是培養學生能夠在現代團隊的環境下，構思—設計—實施—運行具有高附加值的復雜工程產品、過程和系統[1]。要想學生理解構思—設計—實施—運行的工程背景，他們必須融入圍繞C、D、I、O組織的實踐場所[2]。它可以是新建的樓房或使用功能經過重新定位的其他實驗室和房間，能夠支持簡單及復雜的個人或項目小組進行構思—設計—實施—運行的全過程[3]。這樣的場所無非企業的實習或項目操練、校內實驗等。在CDIO教學模式下，企業深度參與教學過程，以實際工程項目為訓練平臺和工程教育環境，但實際操作中具有接收能力和意愿的企業數量不足以滿足學生實踐的需要。為了提高學生的實踐能力，同行做了有益的探索[4-6]，建立室內環道實驗室，管道控制系統和調度仿真系統。傳統實驗室基本上是圍繞一個學科學習特定的能力或希望學生在項目中充當比較被動的角色，主要以演示實驗為主，沒有為構思、設計以及團隊建設提供足夠支持。傳統實驗室有局限性，無法直接替代工程實踐場所，建設校內工程實踐場所非常必要[7-8]。

二、管道工藝設計課程工程實踐場所的構建與應用

（一）管道工藝工程實踐場所的構建

在CDIO教學模式中，教師提出需求，學生構思（C），生成設計方案（D），然后做成產品（I），并運行和維護（O）。CDIO方法來源于機械工程、汽車、航空及電力工程[1]，所以這種思路對機電類學科非常適合。一個管道工程需要經歷規劃、設計、建設（實施）和運行四個階段的生命周期。但設計結果很難做成實體產品，動輒幾百上千公里的管道在室內加以建造和運行顯然是不現實的，無法體現建設環節，亦無法對自己設計的方案進行檢驗。一般意義的工程實踐場所不能滿足教學要求。通常情況下，企業界用國際通用軟件對設計方案進行測試后再進行施工建設，并用軟件進行運行優化。這些軟件很多地方不符合中國用戶的使用習慣，部分功能與中國工程不匹配，并且依賴進口，價格高昂。顯然，不可能每一個專業或課程都能及時獲得或獲得足夠的經費支持[9]，購置此類軟件。

在整合室內環道實驗室的基礎上，開發管道仿真軟件用于教學，與學生工作后的設計和運行的環境和模式一致，可以檢驗設計結果的合理性。這是構建管道工藝設計課程工程實踐場所的一條可行途徑。有了管道仿真軟件之后，學生可以計的有效性和可靠性，亦可以學習管道操作方法，積累管理在軟件平臺上搭建自己設計的管道，通過測試分析檢驗設經驗，使學生獲取工程項目整個生命周期的經驗和實踐能力。這樣就構成完整的CDIO教學過程。

（二）仿真軟件的應用

以靜態仿真和動態仿真為核心模塊的仿真軟件，在D-I-O三個環節中起重要作用，如圖1所示。仿真軟件可以完成管道設計計算、虛擬管道搭建、失效性分析、適應性分析與應急反應操作。學生通過工程可行性研究，確定管道設計數據，完成工藝設計后，用仿真軟件搭建與初步的設計結果相符的虛擬管道，利用靜態仿真和動態仿真模塊對設計結果進行適應性分析和失效分析，驗證設計的準確性和合理性，并將結果反饋給設計部分；可利用仿真軟件完成調度計劃編制與應急反應培訓。

部分軟件界面如下：

（三）教學組織

一般管道工藝課程的實踐手段包括室內環道實驗、企業實習、上機實驗、課程設計和軟件仿真等。課堂教學和實踐環節按照一體化理念分三階段實施。

1.企業實習階段：

到管道站場參觀學習，或者參與項目，對輸氣管道建立感性認識。

2.課堂教學與工藝設計階段：

理論教學與工藝設計同步進行。期間需要通過環道實驗了解管道特點和運行規律，通過上機實驗，編制輔助設計程序，確定部分設計參數。設計結果導入仿真軟件評價測試，并制定該管道的調度方案和應急反應方案。

3.拓展研究階段：

對學習過程中發現的自己感興趣的問題，通過環道實驗、自編程序和仿真軟件研究解決。

這樣，依照CDIO模式從整體安排教學內容，在有限資源下補足C、D、I、O各環節的教學資源，尤其是解決工程實踐場所問題，在CDIO四個層面上進行整合應用，構成完整的CDIO教學過程，對學生獲得工程項目整個生命周期的經驗和實踐能力不無裨益。

參考文獻：

[1]Edward F.Crawley，等，編.重新認識工程教育[M].顧佩華，沈民奮，陸小華，譯.北京：高等教育出版社，2009.

[2]陳文杰，任立軍，張林，楊鋒.新加坡理工學院基于CDIO模式的項目教學改革[J].職業技術教育，2009，（35）：91-93.

[3]査建中，何永汕.中國工程教育改革三大戰略[M].北京理工大學出版社，2009.

[4]陳婧，梁法春.輸氣管模擬實驗系統開發[J].實驗室科學，2010，（01）：87-89.

[5]王明陽，于達.輸氣管道仿真教學系統的研發[J].實驗室研究與探索，2006，（06）：650-652，656.

[6]熊輝.仿真技術在輸氣管道調度管理、培訓中的應用[J].石油工業技術監督，2005，（05）：75-77.

[7]李順汀.校內教學實習基地是培養工程實踐能力的重要場所[J].江蘇高教，1991，（03）：55-57.

[8]陸順壽，曹其新.新穎的創新實踐場所——“實學創新工坊”建設[J].實驗室研究與探索，2012，（02）：98-100，121.

[9]王旃.基于約束條件的CDIO漸進部署模式研究[J].高等工程教育研究，2009，（5）：44-47.

基金項目：中國民航大學教育教學研究課題《有限資源下輸氣管道CDIO工程實踐場所的構建與應用》，中國民航大學本科專業綜合改革項目（2013）。endprint

摘要：針對工程教育的現狀，分析了構建工程場所的必要性。根據管道工藝設計課程的特點，提出在現有實踐環節的基礎上用仿真軟件作為工程實踐的主要組成部分。分析了仿真軟件的基本結構及其在CDIO工程教育各環節中的作用。介紹了管道工藝設計課程一體化教學的教學組織。

關鍵詞：管道；工藝設計；工程實踐場所；仿真；CDIO

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0178-02

一、構建工程實踐場所的必要性

傳統工程教育偏重于理論教學，而忽視工程實踐訓練，這就造成了如下兩種情況：

一是教師為了保證教學內容的系統性和完整性，受制于教材以及參考教材的章節安排和內容組織，缺乏工程實踐訓練，或者工程訓練與理論教學脫節，不能實現聯動。整個教學有照本宣科之嫌，學生學習枯燥乏味，提不起興趣，教學效果差。

二是一個專業的各門課程多局限于工程上的某一環節，沒形成一個整體，與實際脫軌，無法獲得實戰經驗。學生學完課程后不能勝任相關工程在整個生命期內的工作，培養出的是工程師半成品，與企業的需求和期望差距較大。

人們已經逐漸認識到，工程教育的目標是培養學生能夠在現代團隊的環境下，構思—設計—實施—運行具有高附加值的復雜工程產品、過程和系統[1]。要想學生理解構思—設計—實施—運行的工程背景，他們必須融入圍繞C、D、I、O組織的實踐場所[2]。它可以是新建的樓房或使用功能經過重新定位的其他實驗室和房間，能夠支持簡單及復雜的個人或項目小組進行構思—設計—實施—運行的全過程[3]。這樣的場所無非企業的實習或項目操練、校內實驗等。在CDIO教學模式下，企業深度參與教學過程，以實際工程項目為訓練平臺和工程教育環境，但實際操作中具有接收能力和意愿的企業數量不足以滿足學生實踐的需要。為了提高學生的實踐能力，同行做了有益的探索[4-6]，建立室內環道實驗室，管道控制系統和調度仿真系統。傳統實驗室基本上是圍繞一個學科學習特定的能力或希望學生在項目中充當比較被動的角色，主要以演示實驗為主，沒有為構思、設計以及團隊建設提供足夠支持。傳統實驗室有局限性，無法直接替代工程實踐場所，建設校內工程實踐場所非常必要[7-8]。

二、管道工藝設計課程工程實踐場所的構建與應用

（一）管道工藝工程實踐場所的構建

在CDIO教學模式中，教師提出需求，學生構思（C），生成設計方案（D），然后做成產品（I），并運行和維護（O）。CDIO方法來源于機械工程、汽車、航空及電力工程[1]，所以這種思路對機電類學科非常適合。一個管道工程需要經歷規劃、設計、建設（實施）和運行四個階段的生命周期。但設計結果很難做成實體產品，動輒幾百上千公里的管道在室內加以建造和運行顯然是不現實的，無法體現建設環節，亦無法對自己設計的方案進行檢驗。一般意義的工程實踐場所不能滿足教學要求。通常情況下，企業界用國際通用軟件對設計方案進行測試后再進行施工建設，并用軟件進行運行優化。這些軟件很多地方不符合中國用戶的使用習慣，部分功能與中國工程不匹配，并且依賴進口，價格高昂。顯然，不可能每一個專業或課程都能及時獲得或獲得足夠的經費支持[9]，購置此類軟件。

在整合室內環道實驗室的基礎上，開發管道仿真軟件用于教學，與學生工作后的設計和運行的環境和模式一致，可以檢驗設計結果的合理性。這是構建管道工藝設計課程工程實踐場所的一條可行途徑。有了管道仿真軟件之后，學生可以計的有效性和可靠性，亦可以學習管道操作方法，積累管理在軟件平臺上搭建自己設計的管道，通過測試分析檢驗設經驗，使學生獲取工程項目整個生命周期的經驗和實踐能力。這樣就構成完整的CDIO教學過程。

（二）仿真軟件的應用

以靜態仿真和動態仿真為核心模塊的仿真軟件，在D-I-O三個環節中起重要作用，如圖1所示。仿真軟件可以完成管道設計計算、虛擬管道搭建、失效性分析、適應性分析與應急反應操作。學生通過工程可行性研究，確定管道設計數據，完成工藝設計后，用仿真軟件搭建與初步的設計結果相符的虛擬管道，利用靜態仿真和動態仿真模塊對設計結果進行適應性分析和失效分析，驗證設計的準確性和合理性，并將結果反饋給設計部分；可利用仿真軟件完成調度計劃編制與應急反應培訓。

部分軟件界面如下：

（三）教學組織

一般管道工藝課程的實踐手段包括室內環道實驗、企業實習、上機實驗、課程設計和軟件仿真等。課堂教學和實踐環節按照一體化理念分三階段實施。

1.企業實習階段：

到管道站場參觀學習，或者參與項目，對輸氣管道建立感性認識。

2.課堂教學與工藝設計階段：

理論教學與工藝設計同步進行。期間需要通過環道實驗了解管道特點和運行規律，通過上機實驗，編制輔助設計程序，確定部分設計參數。設計結果導入仿真軟件評價測試，并制定該管道的調度方案和應急反應方案。

3.拓展研究階段：

對學習過程中發現的自己感興趣的問題，通過環道實驗、自編程序和仿真軟件研究解決。

這樣，依照CDIO模式從整體安排教學內容，在有限資源下補足C、D、I、O各環節的教學資源，尤其是解決工程實踐場所問題，在CDIO四個層面上進行整合應用，構成完整的CDIO教學過程，對學生獲得工程項目整個生命周期的經驗和實踐能力不無裨益。

參考文獻：

[1]Edward F.Crawley，等，編.重新認識工程教育[M].顧佩華，沈民奮，陸小華，譯.北京：高等教育出版社，2009.

[2]陳文杰，任立軍，張林，楊鋒.新加坡理工學院基于CDIO模式的項目教學改革[J].職業技術教育，2009，（35）：91-93.

[3]査建中，何永汕.中國工程教育改革三大戰略[M].北京理工大學出版社，2009.

[4]陳婧，梁法春.輸氣管模擬實驗系統開發[J].實驗室科學，2010，（01）：87-89.

[5]王明陽，于達.輸氣管道仿真教學系統的研發[J].實驗室研究與探索，2006，（06）：650-652，656.

[6]熊輝.仿真技術在輸氣管道調度管理、培訓中的應用[J].石油工業技術監督，2005，（05）：75-77.

[7]李順汀.校內教學實習基地是培養工程實踐能力的重要場所[J].江蘇高教，1991，（03）：55-57.

[8]陸順壽，曹其新.新穎的創新實踐場所——“實學創新工坊”建設[J].實驗室研究與探索，2012，（02）：98-100，121.

[9]王旃.基于約束條件的CDIO漸進部署模式研究[J].高等工程教育研究，2009，（5）：44-47.

基金項目：中國民航大學教育教學研究課題《有限資源下輸氣管道CDIO工程實踐場所的構建與應用》，中國民航大學本科專業綜合改革項目（2013）。endprint

摘要：針對工程教育的現狀，分析了構建工程場所的必要性。根據管道工藝設計課程的特點，提出在現有實踐環節的基礎上用仿真軟件作為工程實踐的主要組成部分。分析了仿真軟件的基本結構及其在CDIO工程教育各環節中的作用。介紹了管道工藝設計課程一體化教學的教學組織。

關鍵詞：管道；工藝設計；工程實踐場所；仿真；CDIO

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）10-0178-02

一、構建工程實踐場所的必要性

傳統工程教育偏重于理論教學，而忽視工程實踐訓練，這就造成了如下兩種情況：

一是教師為了保證教學內容的系統性和完整性，受制于教材以及參考教材的章節安排和內容組織，缺乏工程實踐訓練，或者工程訓練與理論教學脫節，不能實現聯動。整個教學有照本宣科之嫌，學生學習枯燥乏味，提不起興趣，教學效果差。

二是一個專業的各門課程多局限于工程上的某一環節，沒形成一個整體，與實際脫軌，無法獲得實戰經驗。學生學完課程后不能勝任相關工程在整個生命期內的工作，培養出的是工程師半成品，與企業的需求和期望差距較大。

人們已經逐漸認識到，工程教育的目標是培養學生能夠在現代團隊的環境下，構思—設計—實施—運行具有高附加值的復雜工程產品、過程和系統[1]。要想學生理解構思—設計—實施—運行的工程背景，他們必須融入圍繞C、D、I、O組織的實踐場所[2]。它可以是新建的樓房或使用功能經過重新定位的其他實驗室和房間，能夠支持簡單及復雜的個人或項目小組進行構思—設計—實施—運行的全過程[3]。這樣的場所無非企業的實習或項目操練、校內實驗等。在CDIO教學模式下，企業深度參與教學過程，以實際工程項目為訓練平臺和工程教育環境，但實際操作中具有接收能力和意愿的企業數量不足以滿足學生實踐的需要。為了提高學生的實踐能力，同行做了有益的探索[4-6]，建立室內環道實驗室，管道控制系統和調度仿真系統。傳統實驗室基本上是圍繞一個學科學習特定的能力或希望學生在項目中充當比較被動的角色，主要以演示實驗為主，沒有為構思、設計以及團隊建設提供足夠支持。傳統實驗室有局限性，無法直接替代工程實踐場所，建設校內工程實踐場所非常必要[7-8]。

二、管道工藝設計課程工程實踐場所的構建與應用

（一）管道工藝工程實踐場所的構建

在CDIO教學模式中，教師提出需求，學生構思（C），生成設計方案（D），然后做成產品（I），并運行和維護（O）。CDIO方法來源于機械工程、汽車、航空及電力工程[1]，所以這種思路對機電類學科非常適合。一個管道工程需要經歷規劃、設計、建設（實施）和運行四個階段的生命周期。但設計結果很難做成實體產品，動輒幾百上千公里的管道在室內加以建造和運行顯然是不現實的，無法體現建設環節，亦無法對自己設計的方案進行檢驗。一般意義的工程實踐場所不能滿足教學要求。通常情況下，企業界用國際通用軟件對設計方案進行測試后再進行施工建設，并用軟件進行運行優化。這些軟件很多地方不符合中國用戶的使用習慣，部分功能與中國工程不匹配，并且依賴進口，價格高昂。顯然，不可能每一個專業或課程都能及時獲得或獲得足夠的經費支持[9]，購置此類軟件。

在整合室內環道實驗室的基礎上，開發管道仿真軟件用于教學，與學生工作后的設計和運行的環境和模式一致，可以檢驗設計結果的合理性。這是構建管道工藝設計課程工程實踐場所的一條可行途徑。有了管道仿真軟件之后，學生可以計的有效性和可靠性，亦可以學習管道操作方法，積累管理在軟件平臺上搭建自己設計的管道，通過測試分析檢驗設經驗，使學生獲取工程項目整個生命周期的經驗和實踐能力。這樣就構成完整的CDIO教學過程。

（二）仿真軟件的應用

以靜態仿真和動態仿真為核心模塊的仿真軟件，在D-I-O三個環節中起重要作用，如圖1所示。仿真軟件可以完成管道設計計算、虛擬管道搭建、失效性分析、適應性分析與應急反應操作。學生通過工程可行性研究，確定管道設計數據，完成工藝設計后，用仿真軟件搭建與初步的設計結果相符的虛擬管道，利用靜態仿真和動態仿真模塊對設計結果進行適應性分析和失效分析，驗證設計的準確性和合理性，并將結果反饋給設計部分；可利用仿真軟件完成調度計劃編制與應急反應培訓。

部分軟件界面如下：

（三）教學組織

一般管道工藝課程的實踐手段包括室內環道實驗、企業實習、上機實驗、課程設計和軟件仿真等。課堂教學和實踐環節按照一體化理念分三階段實施。

1.企業實習階段：

到管道站場參觀學習，或者參與項目，對輸氣管道建立感性認識。

2.課堂教學與工藝設計階段：

理論教學與工藝設計同步進行。期間需要通過環道實驗了解管道特點和運行規律，通過上機實驗，編制輔助設計程序，確定部分設計參數。設計結果導入仿真軟件評價測試，并制定該管道的調度方案和應急反應方案。

3.拓展研究階段：

對學習過程中發現的自己感興趣的問題，通過環道實驗、自編程序和仿真軟件研究解決。

這樣，依照CDIO模式從整體安排教學內容，在有限資源下補足C、D、I、O各環節的教學資源，尤其是解決工程實踐場所問題，在CDIO四個層面上進行整合應用，構成完整的CDIO教學過程，對學生獲得工程項目整個生命周期的經驗和實踐能力不無裨益。

參考文獻：

[1]Edward F.Crawley，等，編.重新認識工程教育[M].顧佩華，沈民奮，陸小華，譯.北京：高等教育出版社，2009.

[2]陳文杰，任立軍，張林，楊鋒.新加坡理工學院基于CDIO模式的項目教學改革[J].職業技術教育，2009，（35）：91-93.

[3]査建中，何永汕.中國工程教育改革三大戰略[M].北京理工大學出版社，2009.

[4]陳婧，梁法春.輸氣管模擬實驗系統開發[J].實驗室科學，2010，（01）：87-89.

[5]王明陽，于達.輸氣管道仿真教學系統的研發[J].實驗室研究與探索，2006，（06）：650-652，656.

[6]熊輝.仿真技術在輸氣管道調度管理、培訓中的應用[J].石油工業技術監督，2005，（05）：75-77.

[7]李順汀.校內教學實習基地是培養工程實踐能力的重要場所[J].江蘇高教，1991，（03）：55-57.

[8]陸順壽，曹其新.新穎的創新實踐場所——“實學創新工坊”建設[J].實驗室研究與探索，2012，（02）：98-100，121.

[9]王旃.基于約束條件的CDIO漸進部署模式研究[J].高等工程教育研究，2009，（5）：44-47.

基金項目：中國民航大學教育教學研究課題《有限資源下輸氣管道CDIO工程實踐場所的構建與應用》，中國民航大學本科專業綜合改革項目（2013）。endprint