管網水壓圖實驗的網絡教學改革

趙美，臧建彬，蔡健，王曉東

（同濟大學機械與能源工程學院，上海 200092）

實驗教學不僅是理論知識的具象化，有助于提高學生對理論知識的理解，更是立足于培養學生綜合運用知識的能力和創新研究意識[1-2]，對培養學生的實踐能力有非常重要的意義。管網水壓圖實驗是針對建筑環境與能源應用工程專業開設的一個重要實驗[3-4]。通過實驗，讓學生更直觀地了解水壓圖的變化情況，鞏固理論課所學的基礎知識。學生通過實際操作，掌握供暖管網水力工況分析方法，可用于指導實際工程中熱水管網的水力工況調整[5]。

雖然在網絡信息化技術日新月異發展的推動下，高校教育不斷地進行改革，改變傳統的課堂實驗教學模式[6]。2020年以來，為了響應教育部“停課不停學”的號召，各大高校也紛紛制定相關政策，積極組織教師和學生開展在線網絡教學和學習[7]，但高校工科實驗教學仍面臨著前所未有的壓力。學生不能返校，無法進入實驗室，無法線下正常開展實驗，而實驗教學因需要借助實驗設備，且大部分實驗設備尚不具備遠程操作的能力，對網絡授課模式下的實驗教學質量帶來了挑戰。原有的管網水壓圖實驗臺設施老化不足，無法進行遠程教學。為此，依托實驗教學改革項目對管網水壓圖實驗裝置進行能力提升建設，開發建設可遠程控制和可視化的實驗平臺。并結合教學模式和教學方法的改革，以適應水壓圖實驗的線上教學，提高學生在實驗過程中的學習積極性，培養學生的創新思維。

一、管網水壓圖實驗教學現狀

目前，國內多數的高校實驗教學存在著實驗室資源有限，教學硬件設施老化[8]，實驗教學模式單一落后等問題，水壓圖實驗教學也存在著以上的問題。管網水壓圖能全面地反映熱力管網和用戶的壓力情況，通過水壓圖能很好地了解供熱系統調節過程中的壓力情況。當系統中出現故障時，水壓圖上就會出現相應的變化，從而可以采取必要的技術措施，保證系統的安全運行[9]。綜上，管網水壓圖是流體管網設計和運行工況分析的重要工具，因此是建筑環境與能源應用工程專業重要的專業基礎實驗課程。學生通過實驗掌握繪制水壓圖的基本要求、步驟和方法以及利用水壓圖分析系統壓力狀況。現有的管網水壓圖實驗臺相對老舊，影響線下實驗的效果，在當下無法開展線下實驗的情況下，現有實驗臺更無法滿足網絡實驗教學的需求。

（一）實驗教學設備設施老化

現有的管網水壓圖實驗臺雖然經典，但是設施相對老舊，對實驗結果會產生影響，進而影響到學生對實驗現象的觀察和實驗規律的總結分析。實驗臺實物圖見圖1，現有的管網水壓圖實驗采用自來水作為管網的循環水，沒有安裝凈化設施，運行一段時間以后，管網系統里就會存在雜質，導致管網局部阻力件堵塞，實驗初調節較難，引起壓力變化與理論不符的問題。由于管道采用銅管制作，學生無法直觀地觀察實驗過程中管網中水流動的情況，以及可能發生堵塞的部位，無法更好地對實驗現象進行分析和解決問題。此外，運行一段時間后，水里的雜質附著在測量壓力的玻璃管壁上，如圖可見玻璃管壁上已經附著一層雜質，測壓時影響學生進行讀數，實驗準確性難以保證。

圖1

管網水壓圖實驗過程中，為保證系統自用壓頭穩定，上水箱要保證水位恒定，就要不斷地有溢流水流出。目前實驗臺上僅安裝上水箱，沒有下水箱，水流未形成閉合回路，溢流水直接排放，造成了水資源的浪費。

（二）實驗平臺無法滿足線上教學需求

目前水壓圖實驗的實驗平臺通過管網系統模型和數據測量系統組成如圖2所示，下部代表雙管熱水管網，由一些銅管件和閥門連接而成，平放在實驗桌上。各管段的阻力由水閥調節。水由穩壓水箱（開口高位水箱）送入管網，沿供水干管及回水干管流入下水管道。自來水通過銅管向穩壓水箱供水，過量水溢流至下水道。

圖2

在供水干管與回水干管之間有7個用戶，編號B至H。圖2的上部表示一排14根測量各點壓力的垂直玻璃管，上端與大氣壓相通。每對玻璃管之間裝有一根木尺以便讀出各節點的壓力值。例如，用戶H的進口壓力由H1代表，出口壓力由H2代表，取木尺零點讀數的標高為測量壓力的基線。實驗過程中通過調節閥門的開度改變管網的水力工況，現有實驗臺上閥門都是手動調節的，必須現場進行實驗操作，無法實現遠程控制調節。實驗平臺上也沒有數據采集模塊，實驗數據只能現場讀取，無法進行數據的收集和處理。面對新冠疫情帶來的挑戰，學生無法正常進入實驗室做實驗，需要對實驗裝置和教學方法進行改造來滿足當下大學實驗教學的要求[10]。

（三）實驗教學模式單一

傳統的實驗教學模式、教學方法和手段單一[11]，往往是以教師為主、學生為輔，同時存在重理論和輕實踐的弊端[12]，不利于學生自主實驗和創新能力的培養。目前管網水壓圖實驗的開展通過實驗過程中呈現的現象和數據記錄總結實驗規律，從而幫助學生更好地理解課程中的相關基本原理。但在傳統的教學模式下，老師先按照實驗指導書的內容講解實驗要求、實驗內容和實驗步驟[13]，而實驗指導書上對實驗步驟介紹得非常詳細，學生按部就班完成實驗即可。沒有實驗前的預習，學生缺乏對實驗內容的思考，也無法開展創新實驗設計。在這種傳統教學模式下，學生只是被動地接受，綜合實驗能力和分析能力難以得到很好的提升[14]。

二、建設可遠程控制和可視化的實驗平臺

目前的管網水壓圖實驗裝置中模擬雙管熱水管網是用銅管制作的，無法從外面看到管道內水流動的情況，學生只能依靠實驗教師的講解和描述理解實驗過程中的水流動情況，實驗效果欠佳。通過本教改項目的建設，實驗裝置中采用亞克力材料制作成透明的管網，實驗過程中學生能更形象直觀地觀察到水流動的情況，加深學生對理論知識的理解和掌握，可以激發學生的實驗積極性[15]。同時因為可視化，學生可以及時發現和分析解決實驗過程中產生的問題。

將實驗裝置中用于調節阻力的閥門改成電動閥門，該電動閥門手電一體，既可以手動調節，又可以通過多種接線方式實現遠程控制，可反饋閥門開關狀態到智能控制單元實現實時監控，自動化遠程控制流體狀態，為實現網絡教學奠定基礎。此外，在實驗裝置中原有測壓玻璃管測壓的基礎上，增加壓力傳感器采集各點壓力情況并進行采集和傳輸，結合定制的軟件即可實現實驗的遠程控制和數字化。這樣，即使學生無法進入實驗室，也可以通過軟件界面的按鈕遠程控制閥門的開度，進而調整實驗工況，通過壓力傳感器采集的數據，進行分析和總結實驗，真正實現網絡實驗教學。

為調高學生在實驗過程中的學習積極性和創新思維，在實驗教學方法上一改傳統實驗教學以教師為主題，以課堂講授為中心的模式，借鑒“翻轉課堂”的理念，引入“云課堂”，探索管網水壓圖實驗的混合式教學改革。云課堂作為一種在線教學資源，集資源共享、在線學習、教學管理于一體[16]，可打破時空的限制，更具有高效性和開放性。通過本實驗教改項目的建設，實驗臺可實現遠程控制，那么管網水壓圖的課前—課中—課后的全過程教學活動均可在線開展，在及時疫情嚴重時學生無法進入實驗室的情況下仍然可以開展實驗教學。主要包含以下教學環節：

課前：根據實驗教學計劃，老師在云課堂網絡平臺上推送相關實驗教學材料（實驗指導書、實驗教學視頻，相關參考書目），發布實驗預習的任務。學生可以進行預習并分組進行討論，制定實驗方案。同時老師也可以跟蹤學生預習的情況，解答學生提出的問題并展開互動交流，確定課堂上的教學重點。

課中：教師通過現場演示實驗，結合實驗軟件操作平臺，對實驗原理、實驗裝置、實驗步驟等進行講解，學生根據實驗方案，可通過遠程控制和實驗軟件進行實驗操作。在實驗中，老師可以更好地掌握每個學生的實驗參與度，隨時跟學生進行交流互動，以便及時解決操作中出現的問題，從而取得更好的教學效果。

課后：學生及時完成實驗報告，并對實驗過程中出現的現象和問題進行整理和總結，也可在網絡平臺上對沒有掌握的知識點進行再次學習。老師起到督促作用，并進行答疑解惑。

通過實驗教學模式的改革，實驗老師主要起到啟發和引導的作用，更多的主動權交給學生，而且通過多元化、多媒體的教學手段，實驗過程也不再枯燥，進而激發學生參與實驗的主動性，激發學生的興趣和求知欲，培養學生的自主學習能力和動手能力。

三、結束語

通過對“管網水壓圖實驗”進行可視化實驗改造，讓學生能更好地、更直觀地掌握實驗原理和過程。并結合遠程控制和網絡教學平臺，解決了疫情當下，學生無法進入實驗室進行實驗的難題。通過云課堂的教學模式，合理安排全過程教學活動，借助多元化的教學手段創造良好的學習氛圍，充分調動學生的實驗積極性和主動性，使得線上實驗教學達到線下教學的效果。