液體管道輸送課程群的實驗教學改革探究

閻鳳元 劉凱 張蒙麗

【摘要】結合國家對全方位、高層次人才培養的需要，針對液體管道輸送所設學科多且復雜，與液體管道輸送相關的實驗教學內容分散，且現有的實驗教學模式存在一些不容忽視的問題，提出了整合優化各課程的關聯與協同作用，制定綜合性實驗教學計劃，分層次遞進式安排課內課外實驗項目，加強科研項目向教學實驗轉化，并鼓勵學生參加創新創業項目及學科競賽，實驗設備依托國家級虛擬仿真實驗中心，虛實結合，硬件設備與仿真軟件互為補充，綜合培養學生分析、創新、解決工程實際問題的能力，提升了專業實驗教學質量。

【關鍵詞】實驗教學 整合優化 虛實結合 分層遞進式

一、引言

《輸油管道設計與管理》課程是油氣儲運工程專業的一門主干課程，主要培養學生液體管道設計和運行管理的相關知識技能，該課程以輸油管道工程設計和運行管理為主線，闡述輸油管道的基本原理、工藝技術和設計計算方法，以及運行特點和管理原則。該課程理論與工程實際緊密結合，強調多學科知識在實踐中的綜合理解和應用。在當前的本科生培養方案中，與液體管道輸送相關的實驗教學較為分散，一般安排在課程內實驗、相關選修課程實驗、仿真實訓等各個環節中，造成教學實驗中原理性和驗證性實驗較多，設計性和綜合性實驗較少。同時由于管道技術發展迅速，實驗設計跟不上技術發展，導致教學實驗與實際工程應用脫節嚴重，這是學生綜合實踐能力培養的短板，也影響了專業人才培養的質量。

中國石油大學（北京）油氣儲運工程系的教學團隊一直致力于實踐教學相關課題的研究，不斷完善校內實踐教學設施，在教學體系、內容、模式、方法等方面做了諸多改進。為進一步提高專業教學水平，油氣儲運工程系的教學團隊將根據學生培養方案的要求，探索輸油管道系列課程之間的聯系，綜合各學科學識，研究新的綜合性課程實驗教學體系，提出更具系統性和完整性的實驗項目，使其具有更為明確的工程背景和創新性，對提高學生綜合分析解決相關問題及實踐創新能力的培養也更有價值。

二、實驗教學現存的問題

油氣儲運工程專業具有多學科交叉、在石油行業中覆蓋面最廣、直接面向工程領域等特點。《輸油管道設計與管理》課程作為主干課程，為必修專業基礎學科，而涉及專業方向較強、與工程實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、原油流變學及應用、儀表檢測與管道SCADA系統、輸油管道優化等，這些課程安排在不同學年，學生每學年只能選修部分課程，使得各個課程的實驗、實踐環節被分開講授，導致實驗教學內容缺乏統一性和系統性，知識體系的綜合應用效果得不到足夠的發揮，不利于提升學生綜合分析、解決工程問題及創新的能力。

（1）在以前單一課程教學中，存在著實驗內容和項目相對單一，設計性和綜合性實驗較少，難度也不大；實驗課程之間無關聯，實驗內容的安排沒有考慮到相關課程的前后銜接等問題。

（2）課內實驗時間少、管道綜合性實驗少。在課內實驗有限的學時內，基礎性和簡單的綜合性實驗較多，能夠自主發揮的設計性、創新性及長輸管道整體運行實驗較少，知識和技能比較碎片化，不系統。由于實驗隨課程走，也造成了實驗體系被割裂，分散在各個學期。

（3）課程實驗教學內容不能及時更新，學生自主創新發揮余地少，與工程技術發展聯系不夠緊密，各種新材料、新工藝、新技術在設計中體現較少，不能為學生進一步的科研和就業提供優勢。

（4）缺少對實踐環節有效的評價機制。實踐環節應隨技術的發展不斷更新，對教學質量的評價監控沒有科學的方法，無法整體提升實踐環節的教學水平。

根據上述實踐教學中存在的問題，今后的實踐教學應依托專業實驗室和虛擬仿真實驗中心，優化現有課程群的實驗實踐環節，搭建綜合性實驗實踐平臺，力求涵蓋相關知識和技能，以鍛煉學生的綜合設計分析復雜工程問題的能力，提高學生在社會和行業中的競爭力。

三、教學改革內容

1.整合優化各課程的關聯與協同作用，制定綜合的實驗教學計劃

根據教學目標對輸油管道系列課程的實驗項目進行重構和系統優化，將實驗內容放在課程群整體教學大綱中考慮，建設輸油管道課程群的系統實驗教學環境，通過對輸油管道設計與管理、儀表檢測與管道SCADA系統、原油流變學及應用、輸油管道水擊分析與控制、仿真實訓等專業課程知識關聯程度的分析，制定課程順序及實驗內容。首先根據教學團隊研討的結果調整了各課程的上課時間，使學生按照一定的知識邏輯順序學習各門課程，將涉及管道設備的課程放在前面，通過輸油管道設計與管理課程進行綜合學習，將管道輸送的具體問題分析課程放在后面，組成了遞進式的學習模式。

2.虛實結合，硬件設備與仿真軟件互為補充，提高實驗教學質量

專業實驗主要通過實驗設備、仿真計算、實物模擬工程站場運行等方式培養學生的實踐動手能力。由此，實驗室自行設計并建設了長輸管道運行模擬控制中心、站場可操作半仿真實物模型及小型模擬實驗裝置，涵蓋長距離原油管道仿真系統、長距離成品油管道仿真系統，通過界面圖形和數值仿真計算軟件對接，實現“真實”模擬管道水力系統及控制操作，該系統不僅能模擬站場操作、管道正常運行工況，還能模擬管道水擊、泄漏和誤操作等事故工況，并且能模擬事故應對處理的效果等。學生可以通過仿真軟件計算管道系統的水力、熱力情況，通過實物實驗設備進行控制操作。這些仿真設施極大的彌補了現場實習能看不能動的缺陷，使學生不僅能動手操作，而且能看到現場看不到的管道內運行情況的瞬態變化，實現一加一大于二的效果。同時，我校這些自主開發的軟件和設備已推廣到其他院校，得到了一致好評。

3.分層次安排課內課外實驗項目，遞進式培養學生實踐創新能力

輸油管道設計與管理課程群涉及多門專業課程，工程性較強，但主要針對課程要求制定，使得課內實驗學時少。對本門課程來說，兼顧了基礎性和綜合性，但與輸油管道工程實際的結合不夠。針對這一情況，在兼顧課程教學目標及整體實踐體系要求、實驗室硬件基礎上，大力開發設計型實驗、綜合型實驗，研究探索型實驗作為補充，完善實驗課程體系，同時部分實驗項目作為選修實驗、開放實驗，鼓勵學生在課余時間段完成，做到不同課程實驗相結合、實驗與工程設計相結合、校內實驗與校外實習相結合、課程實驗與競賽創新相結合，系統提高學生實踐創新能力。

4.致力于將科研項目轉化為教學內容，培養與時俱進的合格工程人才

中國石油大學（北京）油氣儲運專業有非常優秀的教學科研團隊，也非常注重科研成果向教學課程的轉化。將科研課題中代表性的內容與實驗教學過程中的重要知識相聯系并應用于實驗教學，即鍛煉了學生的實踐創新能力，又激發了學習興趣。近年來，專業教學科研團隊已轉化了多項科研項目，開發了管道瞬態模擬計算軟件LPS、長輸管道密閉輸送實驗裝置、成品油庫運行管理軟件、典型站場模擬等多個實驗設備和軟件，并在此基礎上開發了綜合性和創新性實驗項目。同時，為學生參加各種專業競賽和參與科研提供支持。教學結果表明這些以科研為基礎的實驗內容對培養解決復雜工程問題的優秀人才具有積極的推動作用。

5.依托大學生創新及學科競賽，培養學生綜合分析、創新、解決工程實際問題的能力

教師在選題、設計、實驗等方面適度引導，鼓勵學生充分利用實驗室的各項資源，自主選擇專業課題進行設計并實踐，組織學生參與科研項目和創新性實驗及設備開發等活動。目前，本專業學生超過三分之二都參加過國家、省級及學校組織的“大學生創新創業類實驗計劃項目”，其中部分取得了優異的成績。專業性競賽是學生將課堂理論知識和現場工程實踐相結合的重要平臺。近年來，為激發學生的能動性和創造性，鼓勵學生參加“石油工程設計大賽”“油氣儲運工程設計大賽”等專業競賽，賽題均來源于工程實際。通過對題目的分析和設計可以考察學生對所學課程的理論知識掌握的深度和廣度，以及對工程現場和系統工藝等相關知識學習認知的能力，同時將競賽作為創新實驗項目的重要補充，教師提供指導，實驗室提供模擬計算工具等，以此鍛煉學生解決復雜工程問題的能力。

四、改革效果

通過液體管道輸送課程群的實驗教學改革，優化調整實驗教學體系，更新實驗教學內容，用多種方式增加綜合創新性實驗項目，培養學生分析解決實際工程問題的能力，對傳統實驗教學進行深化改革，在實際中取得了良好的教學效果。3年來，在本科生培養上，除必修及選修實驗課程外，每年均有部分學生參與相關科研項目及創新課題研究，為就業和繼續深入科研打基礎。全國石油工程設計大賽我校學生三年共獲得一等獎7項、二等獎5項、三等獎41項的優異成績。在已開展兩屆的油氣儲運工程設計大賽也有所斬獲，并在2017年獲得優秀組織團隊獎。

五、結語

隨著學科的分化與綜合，課程之間的聯系愈加緊密。課程群可以完善知識創新體系，形成協同關系，有效利用教學資源，提高學生的學習效率。通過對液體管道輸送課程群的實驗教學改革，整合實驗資源，優化實驗內容，形成了分層遞進式的綜合實驗教學體系，提高了設計性、綜合性和創新性實驗的比例，多渠道、多方面鍛煉了學生解決實際工程問題的能力。實驗教學改革為學生進一步深入專業領域的研究和就業提供了堅實的支撐，獲得了良好的教學效果。

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