自主開發實驗教學儀器對教學質量影響研究與實踐

張辛，王旱祥，蘭文劍，車家琪，林學強，葛家旺

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島，266580）

非常規能源裝備是我校機械設計制造及其自動化專業的一門重要專業課，是研究非常規油氣開發、新能源發電技術與裝備等方面的課程，有很強的應用性。目前實驗室配備的教學儀器都比較老舊，且基本都是通用設備，沒有非常規能源開采方面的專業教學儀器，學生無法通過實驗，了解煤層氣、天然氣水合物等區別于常規油氣的開采方法和特點。為了解決這些問題，教學團隊設計、研發了一系列非常規能源開發專用實驗平臺，并在教學實踐中，實踐結果證明，自主開發實驗教學儀器對于培養學生的專業思維、工程意識、實踐和創新能力具有重要的意義，是推動學科建設、促進專業人才培養的有力舉措。

1 自主研發實驗教學儀器的必要性

工科專業特別是具有鮮明行業特色的專業，培養方案所設置的課程內容大多與現場生產聯系密切，有著較強的實踐性和工程性，實驗環節的教學效果對學生專業技能和職業素養的培養有著較大影響。實驗室設備作為高校專業課程實踐教學的載體，其專業性和先進性是實驗條件的綜合體現，專用實驗儀器的設計與研發，是實驗教學改革的必要條件。自主開發實驗教學平臺，可以為新的實驗教學工作做好準備，同時培養學生工程實踐意識、團隊合作精神及創新能力，達到教學和科研相結合的目的。

2 自主研發實驗儀器方案

■ 2.1 渦流排水采氣及煤層氣排水采氣系統實驗教學平臺

渦流排水采氣及煤層氣排水采氣系統實驗教學平臺由模擬管柱系統、供氣系統、供液系統、氣液混合系統、氣液分離系統、參數測試系統、數據采集處理系統、安全保護系統、渦流器模型及加煤粉裝置等組成（見圖1）。

圖1 渦流排水采氣及煤層氣排水采氣系統技術方案圖

此教學平臺可以根據培養要求完成不同的實驗教學。模擬不同的參數作用下，相同渦流工具的流態變化情況，測量關鍵的實驗數據，完成對渦流工具的適應性分析；模擬相同的參數作用下，不同的渦流工具物理參數對流態變化的影響，分析各種參數的影響能力；模擬在相同排采參數時，不同煤粉的沉降運動，對數據進行分析，從而安排排采最優方案；模擬煤層氣油管內的流動，使現象更直觀，可以為實驗教學提供優質資源。

■ 2.2 油氣田井下磨銑工具教學實驗平臺

在油氣田井下作業過程中，由于各種因素，會發生井筒堵塞的現象，需要借助專業的磨銑工具消除井筒堵塞物，來保證作業的正常進行[1-3]。磨銑工具的工作機理是將硬質合金鋪焊在基體表面，依靠硬質合金的物理特性破壞井筒內的堵塞物，從而解決井筒堵塞的問題[4-5]。

和正常條件下的機械磨銑加工不同，井下作業難度更大、危險系數更高。因此，磨銑工具要能滿足高壓力、高轉矩的要求[6]，以適應復雜的作業環境，解決井筒堵塞的問題，恢復生產，提高經濟效益[7]。為了使學生對油氣田作業過程有更直觀的認識，自主研發出油氣田井下磨銑工具的實驗教學設備，模擬井下磨銑工具破碎井內堵塞物的全過程，理論聯系實踐，增強學生創造能力[8-9]。

磨銑實驗教學平臺設計方案如圖3所示，采用立式總體布局，保證實驗室空間布局合理，滿足實際作業情況。教學平臺共包括五個模塊，動力模塊、傳動模塊、磨銑模塊、電缸模塊、測控模塊。動力模塊是實驗平臺運作的前提，傳動模塊是動力傳遞的關鍵，磨銑模塊是實驗平臺的執行模塊，有工作臺和磨銑工具兩部分，電缸模塊有PLC控制器和電動缸兩部分，測控模塊由各種傳感器組成，進行作業過程中工作參數的測量[10]。

圖2 磨銑工具實驗教學平臺整體思路

圖3 鉆磨銑工具性能測試實驗臺設計方案

■ 2.3 機電控制綜合實驗教學平臺

機電系統計算機控制是近幾年機自專業和機械工程專業等開設的機械電子方向的專業課程，本課程的開設目的，旨在通過課程教學，將基本的電氣控制、自動控制等知識與油氣田開采工作相結合，使學生了解油氣田開發裝備中所應用到的控制原理與方法。由于課程高度專業性和石油特色化，亟需自主研發一套實驗教學設備，以滿足課程教學目的和育人需求。

機電控制系統包括傳感器、運算單元、執行機構三大部分[11-13]。傳感器是控制系統實現功能的前提，通過傳感器實現被測量物理量與電信號之間的轉換[14]。運算單元是控制系統的關鍵，不同類型的元件有不同的控制特點，常用的元件有計算機、繼電器等。執行機構是控制系統的動力輸出部分，實現其他類型能量到機械能的轉變，比如液壓馬達、步進電動機等。

圖4 機電控制系統基本構成

教學平臺的設計以工業控制為標準，具有多個控制模塊[15]。在此教學平臺可以進行多種控制實驗，借助不同的傳感器實現對典型物理量的控制，比如溫度、壓力等。

在具備PLC編程、安全配線、組態、電氣調試、管路搭建、變頻調速、可控硅調壓控制的同時，重點突出流體過程控制傳感器的配線、信號轉換、變送、采集、PID控制和組態控制的主要功能。

平臺系統涵蓋了擴散硅式液位變送器、PT100溫度變送器、磁浮球液位開關等常用傳感器，覆蓋開關量、模擬量等兩種信號類別。除此之外，系統還可擴展安全配線、多種實訓模式切換功能。

機電控制綜合教學平臺可以進行控制實驗，實現對各種參數的調控，但它的作用不僅僅局限與此。它把理論教學中涉及到的知識直觀的展示出來，理論聯系實踐，真正的做到知識的學以致用。比如控制實驗中涉及到的PLC編程以及各種設備的工作機理。

在教學過程中，加大對機電控制綜合教學平臺的開發和使用力度，可以實現課堂理論、實驗教學、工程應用的三者結合，加深學生對控制過程的理解，顯著提高學生PLC編制程序的能力，使學生對管路搭建以及電氣調試有更深刻的認識。在完成教學的同時，提高學生的動手能力和科研意識。

3 自主開發實驗教學平臺的成效

■ 3.1 重構了實驗教學內容，提高了實驗教學效果

設計開發的一系列實驗教學平臺可以實現不同的功能和效果，既可以開設課程教學大綱中的必修實驗環節，還可以進行開放性實驗教學，為大學生創新計劃項目、研究生承擔科研項目等提供實驗條件[16]。目前可以開出的教學實驗項目有致密砂巖氣/煤層氣井底多相流狀態實驗、煤粉運移規律模擬實驗、磨銑工作過程熱場分布實驗等數十項實驗項目。可以培養學生的工程實踐意識、團隊合作精神及創新能力。

■ 3.2 科研融入教學，鍛煉了教師教學科研水平

高校實驗教學過程中，自行設計研發實驗教學平臺，需要實驗老師對課程有非常透徹的理解，了解工程實際問題的解決方法和思路，能夠將理論知識與工程實際相結合，這對于參與人員的理論水平有較大的提高[16-17]，既能提高學生的興趣和積極性，又能夠提高學生的創新思維和能力。

■ 3.3 實驗室建設水平提高，發揮了周邊輻射作用

近幾年，我們課程群多采用自行設計、自行選型、自主定制加工、安裝調試的模式，建成了適用于多門本科必修課程的多套實驗教學系統，其中包括適用于交叉課程、交叉學科的實驗教學系統，在一定程度上提高了實驗室的建設水平[16,18]。

4 結束語

在新工科背景下，建設高水平、高質量的教學實驗室，是人才培養和科研興國的重要載體。自主設計研發實驗教學系統，不僅可以解決教學急需設備，保證不同實驗的開出率，同時，能夠鍛煉實驗室技術人員的教學和科研水平，使理論知識與工程實際問題有機結合，在實驗過程中，通過實驗方案的設計與搭建，解決現場實際問題，能夠持續吸引學生的興趣和學習主動性，提高實驗教學的效果，促進實驗室的快速建設，對于實驗教學改革、學生能力培養，有著積極的促進作用。