自主开发实验教学仪器对教学质量影响研究与实践

张辛，王旱祥，兰文剑，车家琪，林学强，葛家旺

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛，266580）

非常规能源装备是我校机械设计制造及其自动化专业的一门重要专业课，是研究非常规油气开发、新能源发电技术与装备等方面的课程，有很强的应用性。目前实验室配备的教学仪器都比较老旧，且基本都是通用设备，没有非常规能源开采方面的专业教学仪器，学生无法通过实验，了解煤层气、天然气水合物等区别于常规油气的开采方法和特点。为了解决这些问题，教学团队设计、研发了一系列非常规能源开发专用实验平台，并在教学实践中，实践结果证明，自主开发实验教学仪器对于培养学生的专业思维、工程意识、实践和创新能力具有重要的意义，是推动学科建设、促进专业人才培养的有力举措。

1 自主研发实验教学仪器的必要性

工科专业特别是具有鲜明行业特色的专业，培养方案所设置的课程内容大多与现场生产联系密切，有着较强的实践性和工程性，实验环节的教学效果对学生专业技能和职业素养的培养有着较大影响。实验室设备作为高校专业课程实践教学的载体，其专业性和先进性是实验条件的综合体现，专用实验仪器的设计与研发，是实验教学改革的必要条件。自主开发实验教学平台，可以为新的实验教学工作做好准备，同时培养学生工程实践意识、团队合作精神及创新能力，达到教学和科研相结合的目的。

2 自主研发实验仪器方案

■ 2.1 涡流排水采气及煤层气排水采气系统实验教学平台

涡流排水采气及煤层气排水采气系统实验教学平台由模拟管柱系统、供气系统、供液系统、气液混合系统、气液分离系统、参数测试系统、数据采集处理系统、安全保护系统、涡流器模型及加煤粉装置等组成（见图1）。

图1 涡流排水采气及煤层气排水采气系统技术方案图

此教学平台可以根据培养要求完成不同的实验教学。模拟不同的参数作用下，相同涡流工具的流态变化情况，测量关键的实验数据，完成对涡流工具的适应性分析；模拟相同的参数作用下，不同的涡流工具物理参数对流态变化的影响，分析各种参数的影响能力；模拟在相同排采参数时，不同煤粉的沉降运动，对数据进行分析，从而安排排采最优方案；模拟煤层气油管内的流动，使现象更直观，可以为实验教学提供优质资源。

■ 2.2 油气田井下磨铣工具教学实验平台

在油气田井下作业过程中，由于各种因素，会发生井筒堵塞的现象，需要借助专业的磨铣工具消除井筒堵塞物，来保证作业的正常进行[1-3]。磨铣工具的工作机理是将硬质合金铺焊在基体表面，依靠硬质合金的物理特性破坏井筒内的堵塞物，从而解决井筒堵塞的问题[4-5]。

和正常条件下的机械磨铣加工不同，井下作业难度更大、危险系数更高。因此，磨铣工具要能满足高压力、高转矩的要求[6]，以适应复杂的作业环境，解决井筒堵塞的问题，恢复生产，提高经济效益[7]。为了使学生对油气田作业过程有更直观的认识，自主研发出油气田井下磨铣工具的实验教学设备，模拟井下磨铣工具破碎井内堵塞物的全过程，理论联系实践，增强学生创造能力[8-9]。

磨铣实验教学平台设计方案如图3所示，采用立式总体布局，保证实验室空间布局合理，满足实际作业情况。教学平台共包括五个模块，动力模块、传动模块、磨铣模块、电缸模块、测控模块。动力模块是实验平台运作的前提，传动模块是动力传递的关键，磨铣模块是实验平台的执行模块，有工作台和磨铣工具两部分，电缸模块有PLC控制器和电动缸两部分，测控模块由各种传感器组成，进行作业过程中工作参数的测量[10]。

图2 磨铣工具实验教学平台整体思路

图3 钻磨铣工具性能测试实验台设计方案

■ 2.3 机电控制综合实验教学平台

机电系统计算机控制是近几年机自专业和机械工程专业等开设的机械电子方向的专业课程，本课程的开设目的，旨在通过课程教学，将基本的电气控制、自动控制等知识与油气田开采工作相结合，使学生了解油气田开发装备中所应用到的控制原理与方法。由于课程高度专业性和石油特色化，亟需自主研发一套实验教学设备，以满足课程教学目的和育人需求。

机电控制系统包括传感器、运算单元、执行机构三大部分[11-13]。传感器是控制系统实现功能的前提，通过传感器实现被测量物理量与电信号之间的转换[14]。运算单元是控制系统的关键，不同类型的元件有不同的控制特点，常用的元件有计算机、继电器等。执行机构是控制系统的动力输出部分，实现其他类型能量到机械能的转变，比如液压马达、步进电动机等。

图4 机电控制系统基本构成

教学平台的设计以工业控制为标准，具有多个控制模块[15]。在此教学平台可以进行多种控制实验，借助不同的传感器实现对典型物理量的控制，比如温度、压力等。

在具备PLC编程、安全配线、组态、电气调试、管路搭建、变频调速、可控硅调压控制的同时，重点突出流体过程控制传感器的配线、信号转换、变送、采集、PID控制和组态控制的主要功能。

平台系统涵盖了扩散硅式液位变送器、PT100温度变送器、磁浮球液位开关等常用传感器，覆盖开关量、模拟量等两种信号类别。除此之外，系统还可扩展安全配线、多种实训模式切换功能。

机电控制综合教学平台可以进行控制实验，实现对各种参数的调控，但它的作用不仅仅局限与此。它把理论教学中涉及到的知识直观的展示出来，理论联系实践，真正的做到知识的学以致用。比如控制实验中涉及到的PLC编程以及各种设备的工作机理。

在教学过程中，加大对机电控制综合教学平台的开发和使用力度，可以实现课堂理论、实验教学、工程应用的三者结合，加深学生对控制过程的理解，显著提高学生PLC编制程序的能力，使学生对管路搭建以及电气调试有更深刻的认识。在完成教学的同时，提高学生的动手能力和科研意识。

3 自主开发实验教学平台的成效

■ 3.1 重构了实验教学内容，提高了实验教学效果

设计开发的一系列实验教学平台可以实现不同的功能和效果，既可以开设课程教学大纲中的必修实验环节，还可以进行开放性实验教学，为大学生创新计划项目、研究生承担科研项目等提供实验条件[16]。目前可以开出的教学实验项目有致密砂岩气/煤层气井底多相流状态实验、煤粉运移规律模拟实验、磨铣工作过程热场分布实验等数十项实验项目。可以培养学生的工程实践意识、团队合作精神及创新能力。

■ 3.2 科研融入教学，锻炼了教师教学科研水平

高校实验教学过程中，自行设计研发实验教学平台，需要实验老师对课程有非常透彻的理解，了解工程实际问题的解决方法和思路，能够将理论知识与工程实际相结合，这对于参与人员的理论水平有较大的提高[16-17]，既能提高学生的兴趣和积极性，又能够提高学生的创新思维和能力。

■ 3.3 实验室建设水平提高，发挥了周边辐射作用

近几年，我们课程群多采用自行设计、自行选型、自主定制加工、安装调试的模式，建成了适用于多门本科必修课程的多套实验教学系统，其中包括适用于交叉课程、交叉学科的实验教学系统，在一定程度上提高了实验室的建设水平[16,18]。

4 结束语

在新工科背景下，建设高水平、高质量的教学实验室，是人才培养和科研兴国的重要载体。自主设计研发实验教学系统，不仅可以解决教学急需设备，保证不同实验的开出率，同时，能够锻炼实验室技术人员的教学和科研水平，使理论知识与工程实际问题有机结合，在实验过程中，通过实验方案的设计与搭建，解决现场实际问题，能够持续吸引学生的兴趣和学习主动性，提高实验教学的效果，促进实验室的快速建设，对于实验教学改革、学生能力培养，有着积极的促进作用。