液体管道输送课程群的实验教学改革探究

阎凤元 刘凯 张蒙丽

【摘要】结合国家对全方位、高层次人才培养的需要，针对液体管道输送所设学科多且复杂，与液体管道输送相关的实验教学内容分散，且现有的实验教学模式存在一些不容忽视的问题，提出了整合优化各课程的关联与协同作用，制定综合性实验教学计划，分层次递进式安排课内课外实验项目，加强科研项目向教学实验转化，并鼓励学生参加创新创业项目及学科竞赛，实验设备依托国家级虚拟仿真实验中心，虚实结合，硬件设备与仿真软件互为补充，综合培养学生分析、创新、解决工程实际问题的能力，提升了专业实验教学质量。

【关键词】实验教学 整合优化 虚实结合 分层递进式

一、引言

《输油管道设计与管理》课程是油气储运工程专业的一门主干课程，主要培养学生液体管道设计和运行管理的相关知识技能，该课程以输油管道工程设计和运行管理为主线，阐述输油管道的基本原理、工艺技术和设计计算方法，以及运行特点和管理原则。该课程理论与工程实际紧密结合，强调多学科知识在实践中的综合理解和应用。在当前的本科生培养方案中，与液体管道输送相关的实验教学较为分散，一般安排在课程内实验、相关选修课程实验、仿真实训等各个环节中，造成教学实验中原理性和验证性实验较多，设计性和综合性实验较少。同时由于管道技术发展迅速，实验设计跟不上技术发展，导致教学实验与实际工程应用脱节严重，这是学生综合实践能力培养的短板，也影响了专业人才培养的质量。

中国石油大学（北京）油气储运工程系的教学团队一直致力于实践教学相关课题的研究，不断完善校内实践教学设施，在教学体系、内容、模式、方法等方面做了诸多改进。为进一步提高专业教学水平，油气储运工程系的教学团队将根据学生培养方案的要求，探索输油管道系列课程之间的联系，综合各学科学识，研究新的综合性课程实验教学体系，提出更具系统性和完整性的实验项目，使其具有更为明确的工程背景和创新性，对提高学生综合分析解决相关问题及实践创新能力的培养也更有价值。

二、实验教学现存的问题

油气储运工程专业具有多学科交叉、在石油行业中覆盖面最广、直接面向工程领域等特点。《输油管道设计与管理》课程作为主干课程，为必修专业基础学科，而涉及专业方向较强、与工程实际更为贴近的课程多为选修课程，如输油管道水击分析与控制、原油流变学及应用、仪表检测与管道SCADA系统、输油管道优化等，这些课程安排在不同学年，学生每学年只能选修部分课程，使得各个课程的实验、实践环节被分开讲授，导致实验教学内容缺乏统一性和系统性，知识体系的综合应用效果得不到足够的发挥，不利于提升学生综合分析、解决工程问题及创新的能力。

（1）在以前单一课程教学中，存在着实验内容和项目相对单一，设计性和综合性实验较少，难度也不大；实验课程之间无关联，实验内容的安排没有考虑到相关课程的前后衔接等问题。

（2）课内实验时间少、管道综合性实验少。在课内实验有限的学时内，基础性和简单的综合性实验较多，能够自主发挥的设计性、创新性及长输管道整体运行实验较少，知识和技能比较碎片化，不系统。由于实验随课程走，也造成了實验体系被割裂，分散在各个学期。

（3）课程实验教学内容不能及时更新，学生自主创新发挥余地少，与工程技术发展联系不够紧密，各种新材料、新工艺、新技术在设计中体现较少，不能为学生进一步的科研和就业提供优势。

（4）缺少对实践环节有效的评价机制。实践环节应随技术的发展不断更新，对教学质量的评价监控没有科学的方法，无法整体提升实践环节的教学水平。

根据上述实践教学中存在的问题，今后的实践教学应依托专业实验室和虚拟仿真实验中心，优化现有课程群的实验实践环节，搭建综合性实验实践平台，力求涵盖相关知识和技能，以锻炼学生的综合设计分析复杂工程问题的能力，提高学生在社会和行业中的竞争力。

三、教学改革内容

1.整合优化各课程的关联与协同作用，制定综合的实验教学计划

根据教学目标对输油管道系列课程的实验项目进行重构和系统优化，将实验内容放在课程群整体教学大纲中考虑，建设输油管道课程群的系统实验教学环境，通过对输油管道设计与管理、仪表检测与管道SCADA系统、原油流变学及应用、输油管道水击分析与控制、仿真实训等专业课程知识关联程度的分析，制定课程顺序及实验内容。首先根据教学团队研讨的结果调整了各课程的上课时间，使学生按照一定的知识逻辑顺序学习各门课程，将涉及管道设备的课程放在前面，通过输油管道设计与管理课程进行综合学习，将管道输送的具体问题分析课程放在后面，组成了递进式的学习模式。

2.虚实结合，硬件设备与仿真软件互为补充，提高实验教学质量

专业实验主要通过实验设备、仿真计算、实物模拟工程站场运行等方式培养学生的实践动手能力。由此，实验室自行设计并建设了长输管道运行模拟控制中心、站场可操作半仿真实物模型及小型模拟实验装置，涵盖长距离原油管道仿真系统、长距离成品油管道仿真系统，通过界面图形和数值仿真计算软件对接，实现“真实”模拟管道水力系统及控制操作，该系统不仅能模拟站场操作、管道正常运行工况，还能模拟管道水击、泄漏和误操作等事故工况，并且能模拟事故应对处理的效果等。学生可以通过仿真软件计算管道系统的水力、热力情况，通过实物实验设备进行控制操作。这些仿真设施极大的弥补了现场实习能看不能动的缺陷，使学生不仅能动手操作，而且能看到现场看不到的管道内运行情况的瞬态变化，实现一加一大于二的效果。同时，我校这些自主开发的软件和设备已推广到其他院校，得到了一致好评。

3.分层次安排课内课外实验项目，递进式培养学生实践创新能力

输油管道设计与管理课程群涉及多门专业课程，工程性较强，但主要针对课程要求制定，使得课内实验学时少。对本门课程来说，兼顾了基础性和综合性，但与输油管道工程实际的结合不够。针对这一情况，在兼顾课程教学目标及整体实践体系要求、实验室硬件基础上，大力开发设计型实验、综合型实验，研究探索型实验作为补充，完善实验课程体系，同时部分实验项目作为选修实验、开放实验，鼓励学生在课余时间段完成，做到不同课程实验相结合、实验与工程设计相结合、校内实验与校外实习相结合、课程实验与竞赛创新相结合，系统提高学生实践创新能力。

4.致力于将科研项目转化为教学内容，培养与时俱进的合格工程人才

中国石油大学（北京）油气储运专业有非常优秀的教学科研团队，也非常注重科研成果向教学课程的转化。将科研课题中代表性的内容与实验教学过程中的重要知识相联系并应用于实验教学，即锻炼了学生的实践创新能力，又激发了学习兴趣。近年来，专业教学科研团队已转化了多项科研项目，开发了管道瞬态模拟计算软件LPS、长输管道密闭输送实验装置、成品油库运行管理软件、典型站场模拟等多个实验设备和软件，并在此基础上开发了综合性和创新性实验项目。同时，为学生参加各种专业竞赛和参与科研提供支持。教学结果表明这些以科研为基础的实验内容对培养解决复杂工程问题的优秀人才具有积极的推动作用。

5.依托大学生创新及学科竞赛，培养学生综合分析、创新、解决工程实际问题的能力

教师在选题、设计、实验等方面适度引导，鼓励学生充分利用实验室的各项资源，自主选择专业课题进行设计并实践，组织学生参与科研项目和创新性实验及设备开发等活动。目前，本专业学生超过三分之二都参加过国家、省级及学校组织的“大学生创新创业类实验计划项目”，其中部分取得了优异的成绩。专业性竞赛是学生将课堂理论知识和现场工程實践相结合的重要平台。近年来，为激发学生的能动性和创造性，鼓励学生参加“石油工程设计大赛”“油气储运工程设计大赛”等专业竞赛，赛题均来源于工程实际。通过对题目的分析和设计可以考察学生对所学课程的理论知识掌握的深度和广度，以及对工程现场和系统工艺等相关知识学习认知的能力，同时将竞赛作为创新实验项目的重要补充，教师提供指导，实验室提供模拟计算工具等，以此锻炼学生解决复杂工程问题的能力。

四、改革效果

通过液体管道输送课程群的实验教学改革，优化调整实验教学体系，更新实验教学内容，用多种方式增加综合创新性实验项目，培养学生分析解决实际工程问题的能力，对传统实验教学进行深化改革，在实际中取得了良好的教学效果。3年来，在本科生培养上，除必修及选修实验课程外，每年均有部分学生参与相关科研项目及创新课题研究，为就业和继续深入科研打基础。全国石油工程设计大赛我校学生三年共获得一等奖7项、二等奖5项、三等奖41项的优异成绩。在已开展两届的油气储运工程设计大赛也有所斩获，并在2017年获得优秀组织团队奖。

五、结语

随着学科的分化与综合，课程之间的联系愈加紧密。课程群可以完善知识创新体系，形成协同关系，有效利用教学资源，提高学生的学习效率。通过对液体管道输送课程群的实验教学改革，整合实验资源，优化实验内容，形成了分层递进式的综合实验教学体系，提高了设计性、综合性和创新性实验的比例，多渠道、多方面锻炼了学生解决实际工程问题的能力。实验教学改革为学生进一步深入专业领域的研究和就业提供了坚实的支撑，获得了良好的教学效果。

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