管道工艺设计课程工程实践场所的构建与应用

江国业，胡艳娇

摘要：针对工程教育的现状，分析了构建工程场所的必要性。根据管道工艺设计课程的特点，提出在现有实践环节的基础上用仿真软件作为工程实践的主要组成部分。分析了仿真软件的基本结构及其在CDIO工程教育各环节中的作用。介绍了管道工艺设计课程一体化教学的教学组织。

关键词：管道；工艺设计；工程实践场所；仿真；CDIO

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）10-0178-02

一、构建工程实践场所的必要性

传统工程教育偏重于理论教学，而忽视工程实践训练，这就造成了如下两种情况：

一是教师为了保证教学内容的系统性和完整性，受制于教材以及参考教材的章节安排和内容组织，缺乏工程实践训练，或者工程训练与理论教学脱节，不能实现联动。整个教学有照本宣科之嫌，学生学习枯燥乏味，提不起兴趣，教学效果差。

二是一个专业的各门课程多局限于工程上的某一环节，没形成一个整体，与实际脱轨，无法获得实战经验。学生学完课程后不能胜任相关工程在整个生命期内的工作，培养出的是工程师半成品，与企业的需求和期望差距较大。

人们已经逐渐认识到，工程教育的目标是培养学生能够在现代团队的环境下，构思—设计—实施—运行具有高附加值的复杂工程产品、过程和系统[1]。要想学生理解构思—设计—实施—运行的工程背景，他们必须融入围绕C、D、I、O组织的实践场所[2]。它可以是新建的楼房或使用功能经过重新定位的其他实验室和房间，能够支持简单及复杂的个人或项目小组进行构思—设计—实施—运行的全过程[3]。这样的场所无非企业的实习或项目操练、校内实验等。在CDIO教学模式下，企业深度参与教学过程，以实际工程项目为训练平台和工程教育环境，但实际操作中具有接收能力和意愿的企业数量不足以满足学生实践的需要。为了提高学生的实践能力，同行做了有益的探索[4-6]，建立室内环道实验室，管道控制系统和调度仿真系统。传统实验室基本上是围绕一个学科学习特定的能力或希望学生在项目中充当比较被动的角色，主要以演示实验为主，没有为构思、设计以及团队建设提供足够支持。传统实验室有局限性，无法直接替代工程实践场所，建设校内工程实践场所非常必要[7-8]。

二、管道工艺设计课程工程实践场所的构建与应用

（一）管道工艺工程实践场所的构建

在CDIO教学模式中，教师提出需求，学生构思（C），生成设计方案（D），然后做成产品（I），并运行和维护（O）。CDIO方法来源于机械工程、汽车、航空及电力工程[1]，所以这种思路对机电类学科非常适合。一个管道工程需要经历规划、设计、建设（实施）和运行四个阶段的生命周期。但设计结果很难做成实体产品，动辄几百上千公里的管道在室内加以建造和运行显然是不现实的，无法体现建设环节，亦无法对自己设计的方案进行检验。一般意义的工程实践场所不能满足教学要求。通常情况下，企业界用国际通用软件对设计方案进行测试后再进行施工建设，并用软件进行运行优化。这些软件很多地方不符合中国用户的使用习惯，部分功能与中国工程不匹配，并且依赖进口，价格高昂。显然，不可能每一个专业或课程都能及时获得或获得足够的经费支持[9]，购置此类软件。

在整合室内环道实验室的基础上，开发管道仿真软件用于教学，与学生工作后的设计和运行的环境和模式一致，可以检验设计结果的合理性。这是构建管道工艺设计课程工程实践场所的一条可行途径。有了管道仿真软件之后，学生可以计的有效性和可靠性，亦可以学习管道操作方法，积累管理在软件平台上搭建自己设计的管道，通过测试分析检验设经验，使学生获取工程项目整个生命周期的经验和实践能力。这样就构成完整的CDIO教学过程。

（二）仿真软件的应用

以静态仿真和动态仿真为核心模块的仿真软件，在D-I-O三个环节中起重要作用，如图1所示。仿真软件可以完成管道设计计算、虚拟管道搭建、失效性分析、适应性分析与应急反应操作。学生通过工程可行性研究，确定管道设计数据，完成工艺设计后，用仿真软件搭建与初步的设计结果相符的虚拟管道，利用静态仿真和动态仿真模块对设计结果进行适应性分析和失效分析，验证设计的准确性和合理性，并将结果反馈给设计部分；可利用仿真软件完成调度计划编制与应急反应培训。

部分软件界面如下：

（三）教学组织

一般管道工艺课程的实践手段包括室内环道实验、企业实习、上机实验、课程设计和软件仿真等。课堂教学和实践环节按照一体化理念分三阶段实施。

1.企业实习阶段：

到管道站场参观学习，或者参与项目，对输气管道建立感性认识。

2.课堂教学与工艺设计阶段：

理论教学与工艺设计同步进行。期间需要通过环道实验了解管道特点和运行规律，通过上机实验，编制辅助设计程序，确定部分设计参数。设计结果导入仿真软件评价测试，并制定该管道的调度方案和应急反应方案。

3.拓展研究阶段：

对学习过程中发现的自己感兴趣的问题，通过环道实验、自编程序和仿真软件研究解决。

这样，依照CDIO模式从整体安排教学内容，在有限资源下补足C、D、I、O各环节的教学资源，尤其是解决工程实践场所问题，在CDIO四个层面上进行整合应用，构成完整的CDIO教学过程，对学生获得工程项目整个生命周期的经验和实践能力不无裨益。

参考文献：

[1]Edward F.Crawley，等，编.重新认识工程教育[M].顾佩华，沈民奋，陆小华，译.北京：高等教育出版社，2009.

[2]陈文杰，任立军，张林，杨锋.新加坡理工学院基于CDIO模式的项目教学改革[J].职业技术教育，2009，（35）：91-93.

[3]査建中，何永汕.中国工程教育改革三大战略[M].北京理工大学出版社，2009.

[4]陈婧，梁法春.输气管模拟实验系统开发[J].实验室科学，2010，（01）：87-89.

[5]王明阳，于达.输气管道仿真教学系统的研发[J].实验室研究与探索，2006，（06）：650-652，656.

[6]熊辉.仿真技术在输气管道调度管理、培训中的应用[J].石油工业技术监督，2005，（05）：75-77.

[7]李顺汀.校内教学实习基地是培养工程实践能力的重要场所[J].江苏高教，1991，（03）：55-57.

[8]陆顺寿，曹其新.新颖的创新实践场所——“实学创新工坊”建设[J].实验室研究与探索，2012，（02）：98-100，121.

[9]王旃.基于约束条件的CDIO渐进部署模式研究[J].高等工程教育研究，2009，（5）：44-47.

基金项目：中国民航大学教育教学研究课题《有限资源下输气管道CDIO工程实践场所的构建与应用》，中国民航大学本科专业综合改革项目（2013）。endprint

摘要：针对工程教育的现状，分析了构建工程场所的必要性。根据管道工艺设计课程的特点，提出在现有实践环节的基础上用仿真软件作为工程实践的主要组成部分。分析了仿真软件的基本结构及其在CDIO工程教育各环节中的作用。介绍了管道工艺设计课程一体化教学的教学组织。

关键词：管道；工艺设计；工程实践场所；仿真；CDIO

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）10-0178-02

一、构建工程实践场所的必要性

传统工程教育偏重于理论教学，而忽视工程实践训练，这就造成了如下两种情况：

一是教师为了保证教学内容的系统性和完整性，受制于教材以及参考教材的章节安排和内容组织，缺乏工程实践训练，或者工程训练与理论教学脱节，不能实现联动。整个教学有照本宣科之嫌，学生学习枯燥乏味，提不起兴趣，教学效果差。

二是一个专业的各门课程多局限于工程上的某一环节，没形成一个整体，与实际脱轨，无法获得实战经验。学生学完课程后不能胜任相关工程在整个生命期内的工作，培养出的是工程师半成品，与企业的需求和期望差距较大。

人们已经逐渐认识到，工程教育的目标是培养学生能够在现代团队的环境下，构思—设计—实施—运行具有高附加值的复杂工程产品、过程和系统[1]。要想学生理解构思—设计—实施—运行的工程背景，他们必须融入围绕C、D、I、O组织的实践场所[2]。它可以是新建的楼房或使用功能经过重新定位的其他实验室和房间，能够支持简单及复杂的个人或项目小组进行构思—设计—实施—运行的全过程[3]。这样的场所无非企业的实习或项目操练、校内实验等。在CDIO教学模式下，企业深度参与教学过程，以实际工程项目为训练平台和工程教育环境，但实际操作中具有接收能力和意愿的企业数量不足以满足学生实践的需要。为了提高学生的实践能力，同行做了有益的探索[4-6]，建立室内环道实验室，管道控制系统和调度仿真系统。传统实验室基本上是围绕一个学科学习特定的能力或希望学生在项目中充当比较被动的角色，主要以演示实验为主，没有为构思、设计以及团队建设提供足够支持。传统实验室有局限性，无法直接替代工程实践场所，建设校内工程实践场所非常必要[7-8]。

二、管道工艺设计课程工程实践场所的构建与应用

（一）管道工艺工程实践场所的构建

在CDIO教学模式中，教师提出需求，学生构思（C），生成设计方案（D），然后做成产品（I），并运行和维护（O）。CDIO方法来源于机械工程、汽车、航空及电力工程[1]，所以这种思路对机电类学科非常适合。一个管道工程需要经历规划、设计、建设（实施）和运行四个阶段的生命周期。但设计结果很难做成实体产品，动辄几百上千公里的管道在室内加以建造和运行显然是不现实的，无法体现建设环节，亦无法对自己设计的方案进行检验。一般意义的工程实践场所不能满足教学要求。通常情况下，企业界用国际通用软件对设计方案进行测试后再进行施工建设，并用软件进行运行优化。这些软件很多地方不符合中国用户的使用习惯，部分功能与中国工程不匹配，并且依赖进口，价格高昂。显然，不可能每一个专业或课程都能及时获得或获得足够的经费支持[9]，购置此类软件。

在整合室内环道实验室的基础上，开发管道仿真软件用于教学，与学生工作后的设计和运行的环境和模式一致，可以检验设计结果的合理性。这是构建管道工艺设计课程工程实践场所的一条可行途径。有了管道仿真软件之后，学生可以计的有效性和可靠性，亦可以学习管道操作方法，积累管理在软件平台上搭建自己设计的管道，通过测试分析检验设经验，使学生获取工程项目整个生命周期的经验和实践能力。这样就构成完整的CDIO教学过程。

（二）仿真软件的应用

以静态仿真和动态仿真为核心模块的仿真软件，在D-I-O三个环节中起重要作用，如图1所示。仿真软件可以完成管道设计计算、虚拟管道搭建、失效性分析、适应性分析与应急反应操作。学生通过工程可行性研究，确定管道设计数据，完成工艺设计后，用仿真软件搭建与初步的设计结果相符的虚拟管道，利用静态仿真和动态仿真模块对设计结果进行适应性分析和失效分析，验证设计的准确性和合理性，并将结果反馈给设计部分；可利用仿真软件完成调度计划编制与应急反应培训。

部分软件界面如下：

（三）教学组织

一般管道工艺课程的实践手段包括室内环道实验、企业实习、上机实验、课程设计和软件仿真等。课堂教学和实践环节按照一体化理念分三阶段实施。

1.企业实习阶段：

到管道站场参观学习，或者参与项目，对输气管道建立感性认识。

2.课堂教学与工艺设计阶段：

理论教学与工艺设计同步进行。期间需要通过环道实验了解管道特点和运行规律，通过上机实验，编制辅助设计程序，确定部分设计参数。设计结果导入仿真软件评价测试，并制定该管道的调度方案和应急反应方案。

3.拓展研究阶段：

对学习过程中发现的自己感兴趣的问题，通过环道实验、自编程序和仿真软件研究解决。

这样，依照CDIO模式从整体安排教学内容，在有限资源下补足C、D、I、O各环节的教学资源，尤其是解决工程实践场所问题，在CDIO四个层面上进行整合应用，构成完整的CDIO教学过程，对学生获得工程项目整个生命周期的经验和实践能力不无裨益。

参考文献：

[1]Edward F.Crawley，等，编.重新认识工程教育[M].顾佩华，沈民奋，陆小华，译.北京：高等教育出版社，2009.

[2]陈文杰，任立军，张林，杨锋.新加坡理工学院基于CDIO模式的项目教学改革[J].职业技术教育，2009，（35）：91-93.

[3]査建中，何永汕.中国工程教育改革三大战略[M].北京理工大学出版社，2009.

[4]陈婧，梁法春.输气管模拟实验系统开发[J].实验室科学，2010，（01）：87-89.

[5]王明阳，于达.输气管道仿真教学系统的研发[J].实验室研究与探索，2006，（06）：650-652，656.

[6]熊辉.仿真技术在输气管道调度管理、培训中的应用[J].石油工业技术监督，2005，（05）：75-77.

[7]李顺汀.校内教学实习基地是培养工程实践能力的重要场所[J].江苏高教，1991，（03）：55-57.

[8]陆顺寿，曹其新.新颖的创新实践场所——“实学创新工坊”建设[J].实验室研究与探索，2012，（02）：98-100，121.

[9]王旃.基于约束条件的CDIO渐进部署模式研究[J].高等工程教育研究，2009，（5）：44-47.

基金项目：中国民航大学教育教学研究课题《有限资源下输气管道CDIO工程实践场所的构建与应用》，中国民航大学本科专业综合改革项目（2013）。endprint

摘要：针对工程教育的现状，分析了构建工程场所的必要性。根据管道工艺设计课程的特点，提出在现有实践环节的基础上用仿真软件作为工程实践的主要组成部分。分析了仿真软件的基本结构及其在CDIO工程教育各环节中的作用。介绍了管道工艺设计课程一体化教学的教学组织。

关键词：管道；工艺设计；工程实践场所；仿真；CDIO

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）10-0178-02

一、构建工程实践场所的必要性

传统工程教育偏重于理论教学，而忽视工程实践训练，这就造成了如下两种情况：

一是教师为了保证教学内容的系统性和完整性，受制于教材以及参考教材的章节安排和内容组织，缺乏工程实践训练，或者工程训练与理论教学脱节，不能实现联动。整个教学有照本宣科之嫌，学生学习枯燥乏味，提不起兴趣，教学效果差。

二是一个专业的各门课程多局限于工程上的某一环节，没形成一个整体，与实际脱轨，无法获得实战经验。学生学完课程后不能胜任相关工程在整个生命期内的工作，培养出的是工程师半成品，与企业的需求和期望差距较大。

人们已经逐渐认识到，工程教育的目标是培养学生能够在现代团队的环境下，构思—设计—实施—运行具有高附加值的复杂工程产品、过程和系统[1]。要想学生理解构思—设计—实施—运行的工程背景，他们必须融入围绕C、D、I、O组织的实践场所[2]。它可以是新建的楼房或使用功能经过重新定位的其他实验室和房间，能够支持简单及复杂的个人或项目小组进行构思—设计—实施—运行的全过程[3]。这样的场所无非企业的实习或项目操练、校内实验等。在CDIO教学模式下，企业深度参与教学过程，以实际工程项目为训练平台和工程教育环境，但实际操作中具有接收能力和意愿的企业数量不足以满足学生实践的需要。为了提高学生的实践能力，同行做了有益的探索[4-6]，建立室内环道实验室，管道控制系统和调度仿真系统。传统实验室基本上是围绕一个学科学习特定的能力或希望学生在项目中充当比较被动的角色，主要以演示实验为主，没有为构思、设计以及团队建设提供足够支持。传统实验室有局限性，无法直接替代工程实践场所，建设校内工程实践场所非常必要[7-8]。

二、管道工艺设计课程工程实践场所的构建与应用

（一）管道工艺工程实践场所的构建

在CDIO教学模式中，教师提出需求，学生构思（C），生成设计方案（D），然后做成产品（I），并运行和维护（O）。CDIO方法来源于机械工程、汽车、航空及电力工程[1]，所以这种思路对机电类学科非常适合。一个管道工程需要经历规划、设计、建设（实施）和运行四个阶段的生命周期。但设计结果很难做成实体产品，动辄几百上千公里的管道在室内加以建造和运行显然是不现实的，无法体现建设环节，亦无法对自己设计的方案进行检验。一般意义的工程实践场所不能满足教学要求。通常情况下，企业界用国际通用软件对设计方案进行测试后再进行施工建设，并用软件进行运行优化。这些软件很多地方不符合中国用户的使用习惯，部分功能与中国工程不匹配，并且依赖进口，价格高昂。显然，不可能每一个专业或课程都能及时获得或获得足够的经费支持[9]，购置此类软件。

在整合室内环道实验室的基础上，开发管道仿真软件用于教学，与学生工作后的设计和运行的环境和模式一致，可以检验设计结果的合理性。这是构建管道工艺设计课程工程实践场所的一条可行途径。有了管道仿真软件之后，学生可以计的有效性和可靠性，亦可以学习管道操作方法，积累管理在软件平台上搭建自己设计的管道，通过测试分析检验设经验，使学生获取工程项目整个生命周期的经验和实践能力。这样就构成完整的CDIO教学过程。

（二）仿真软件的应用

以静态仿真和动态仿真为核心模块的仿真软件，在D-I-O三个环节中起重要作用，如图1所示。仿真软件可以完成管道设计计算、虚拟管道搭建、失效性分析、适应性分析与应急反应操作。学生通过工程可行性研究，确定管道设计数据，完成工艺设计后，用仿真软件搭建与初步的设计结果相符的虚拟管道，利用静态仿真和动态仿真模块对设计结果进行适应性分析和失效分析，验证设计的准确性和合理性，并将结果反馈给设计部分；可利用仿真软件完成调度计划编制与应急反应培训。

部分软件界面如下：

（三）教学组织

一般管道工艺课程的实践手段包括室内环道实验、企业实习、上机实验、课程设计和软件仿真等。课堂教学和实践环节按照一体化理念分三阶段实施。

1.企业实习阶段：

到管道站场参观学习，或者参与项目，对输气管道建立感性认识。

2.课堂教学与工艺设计阶段：

理论教学与工艺设计同步进行。期间需要通过环道实验了解管道特点和运行规律，通过上机实验，编制辅助设计程序，确定部分设计参数。设计结果导入仿真软件评价测试，并制定该管道的调度方案和应急反应方案。

3.拓展研究阶段：

对学习过程中发现的自己感兴趣的问题，通过环道实验、自编程序和仿真软件研究解决。

这样，依照CDIO模式从整体安排教学内容，在有限资源下补足C、D、I、O各环节的教学资源，尤其是解决工程实践场所问题，在CDIO四个层面上进行整合应用，构成完整的CDIO教学过程，对学生获得工程项目整个生命周期的经验和实践能力不无裨益。

参考文献：

[1]Edward F.Crawley，等，编.重新认识工程教育[M].顾佩华，沈民奋，陆小华，译.北京：高等教育出版社，2009.

[2]陈文杰，任立军，张林，杨锋.新加坡理工学院基于CDIO模式的项目教学改革[J].职业技术教育，2009，（35）：91-93.

[3]査建中，何永汕.中国工程教育改革三大战略[M].北京理工大学出版社，2009.

[4]陈婧，梁法春.输气管模拟实验系统开发[J].实验室科学，2010，（01）：87-89.

[5]王明阳，于达.输气管道仿真教学系统的研发[J].实验室研究与探索，2006，（06）：650-652，656.

[6]熊辉.仿真技术在输气管道调度管理、培训中的应用[J].石油工业技术监督，2005，（05）：75-77.

[7]李顺汀.校内教学实习基地是培养工程实践能力的重要场所[J].江苏高教，1991，（03）：55-57.

[8]陆顺寿，曹其新.新颖的创新实践场所——“实学创新工坊”建设[J].实验室研究与探索，2012，（02）：98-100，121.

[9]王旃.基于约束条件的CDIO渐进部署模式研究[J].高等工程教育研究，2009，（5）：44-47.

基金项目：中国民航大学教育教学研究课题《有限资源下输气管道CDIO工程实践场所的构建与应用》，中国民航大学本科专业综合改革项目（2013）。endprint