以學(xué)科競賽為導(dǎo)向的油氣管道設(shè)計與管理課程改革實踐

黃輝榮，梁平，王大慶，孟江，龍學(xué)淵

(重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331)

0 引言

在全球陸上油氣運輸中，70% 的石油和99% 的天然氣通過管道輸送。我國油氣管道總里程長，涵蓋了全國32 個省區(qū)市，形成了三縱四橫、連通海外和覆蓋全國的大型油氣管網(wǎng)，成為我國國民經(jīng)濟發(fā)展和能源安全重要生命線。2019 年12 月，國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司的成立更是凸顯了管道在國家經(jīng)濟發(fā)展和能源輸送中的戰(zhàn)略地位。隨著工業(yè)4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)發(fā)展目標(biāo)的提出，管道設(shè)計和在役管道的全面智能化提升，最終形成智慧管網(wǎng)勢在必行。油氣行業(yè)的高質(zhì)量快速發(fā)展對油氣管道的設(shè)計、施工、運行管理、優(yōu)化調(diào)整等各個環(huán)節(jié)提出了更高的要求，也對油氣管道輸送各個相關(guān)崗位的管理者、技術(shù)人員、高校專業(yè)教師以及儲運畢業(yè)生提出了更高的期望。

重慶科技學(xué)院油氣儲運工程專業(yè)，是主要面對培養(yǎng)油氣集輸、儲存、輸送及供配方面應(yīng)用型人才的本科專業(yè)，在全國石油行業(yè)具有很高的行業(yè)認(rèn)可度。油氣管道設(shè)計與管理課程是油氣儲運工程專業(yè)核心課程之一，共64 學(xué)時。課程較全面地介紹了油氣長輸管道系統(tǒng)組成、工藝設(shè)計原理以及運行管理方法。通過各教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握油氣管道設(shè)計和管理方面的基本概念、基本理論及其具體應(yīng)用，能夠充分認(rèn)識技術(shù)經(jīng)濟在油氣管道設(shè)計和管理中的重要地位，具備分析和解決油氣管道設(shè)計、生產(chǎn)管理等問題的能力，畢業(yè)后能夠在相關(guān)領(lǐng)域從事油氣管道設(shè)計與管理工作[1]。

1 油氣管道設(shè)計與管理課程問題

近年來，油氣管道設(shè)計、運行理念的發(fā)展和變化對油氣管道的設(shè)計、施工、運行管理、優(yōu)化調(diào)整等各個環(huán)節(jié)提出了更高的要求，也對從事油氣管道輸送的崗位人員提出了更高的期望。目前油氣管道設(shè)計與管理課程教學(xué)內(nèi)容已不能滿足油氣管道行業(yè)發(fā)展的要求。

(1)油氣管道行業(yè)最新的發(fā)展成果融入不足

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，加強人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的推廣應(yīng)用，實現(xiàn)油氣管網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備設(shè)施、工藝流程的智能化升級，建立全面感知、自動控制、智能預(yù)測、優(yōu)化決策的生產(chǎn)體系，是油氣行業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。目前，企業(yè)油氣管道數(shù)字化智能化建設(shè)上已走在前列，如國家管網(wǎng)通過“移動端+云計算+大數(shù)據(jù)”的體系架構(gòu)，集成項目全生命周期數(shù)據(jù)，實現(xiàn)中俄東線天然氣管道從建設(shè)期到運營期的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理；中石油融合可視化技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析以及人工智能等，建了油氣管道智慧運行平臺，實現(xiàn)了管道及站場的智能控制。然而，當(dāng)前油氣管道設(shè)計與管理課程教學(xué)內(nèi)容仍以工藝設(shè)計和運行管理方法為主，對數(shù)字化智能化成果融入較少，教學(xué)內(nèi)容嚴(yán)重滯后[2]。這一方面導(dǎo)致教學(xué)與現(xiàn)場應(yīng)用相互分離，學(xué)生很難打通知識與能力之間的界面障礙，制約了知識向能力的轉(zhuǎn)化；另一方面，缺乏對行業(yè)需求、前沿研究熱點及技術(shù)的理解和掌握，致使學(xué)生在走向工作崗位后很難快速適應(yīng)工作環(huán)境，成長周期延長。

(2)對學(xué)生分析和解決問題能力的引導(dǎo)不夠

學(xué)生利用所學(xué)知識和理論分析問題和解決問題的能力較差。如掌握了熱油管道投產(chǎn)方式和適用條件，卻不能根據(jù)給定條件合理選擇熱油管道的投產(chǎn)方式；掌握了熱油管道運行特性，卻不會根據(jù)條件進行分析等。分析原因在于，學(xué)生僅僅是記住了知識點，如何應(yīng)用來分析工程問題還沒有掌握，對工藝參數(shù)的意義理解不夠；針對工程數(shù)據(jù)分析、取舍能力較差，造成計算結(jié)果不合理或者錯誤，從而造成工藝方案選取不合理。同時，教師在課堂教學(xué)中針對實例分析計算的內(nèi)容講解偏少，油氣管道仿真軟件在課程教學(xué)中的應(yīng)用講解不夠，學(xué)生沒有領(lǐng)會分析計算方法，對工程設(shè)計案例中關(guān)鍵工藝參數(shù)取值的邊界條件和模型求解結(jié)果的合理性缺乏正確的判斷，也不會進行計算結(jié)果的正確校核與分析。

(3)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)督和考核不夠

對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核，主要分為實驗考核以及平時作業(yè)考核兩部分。其中，實驗考核主要根據(jù)實驗操作和實驗報告確定。從實驗過程和實驗報告分析，還有相當(dāng)一部分學(xué)生實驗前預(yù)習(xí)不夠，不知道實驗的目的；實驗過程不思考，不愿動手；對待實驗課態(tài)度不端正，動手操作和對實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)分析的能力較差。對于平時作業(yè)考核，主要通過學(xué)生提交的工程設(shè)計報告確定。從工程設(shè)計報告來看，學(xué)生對油氣管道工藝設(shè)計的能力偏弱，工藝設(shè)計步驟及設(shè)計思路不清，參數(shù)選取沒有依據(jù)，對于設(shè)計規(guī)范的應(yīng)用較差，設(shè)計報告重復(fù)率高，撰寫不規(guī)范[3-5]。由于對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)督和考核不夠，致使部分學(xué)生應(yīng)付了事，不具備解決復(fù)雜工程問題的能力，在面對實際工程問題時無從下手。

上述問題反映到人才培養(yǎng)上，也體現(xiàn)到學(xué)生參加近幾年舉行的全國油氣儲運設(shè)計大賽、中國石油工程設(shè)計大賽等活動的實踐作品上。說明學(xué)生對油氣管道設(shè)計與管理實際問題的認(rèn)識能力不足，分析問題的能力還較為欠缺；在進行油氣管道設(shè)計時缺乏系統(tǒng)性的思維，對所編制的油氣管道設(shè)計方案的合理性缺乏正確的判斷，方案對比和優(yōu)化考慮不完整；對油氣管網(wǎng)模擬仿真軟件不熟悉，計算效率低，錯誤率高；對油氣管道輸送的新工藝、新技術(shù)了解和認(rèn)識不足，設(shè)計方案缺乏創(chuàng)新意識；團隊成員間缺乏團隊意識和協(xié)作精神。因此，探索建立以學(xué)科競賽為導(dǎo)向的油氣管道設(shè)計與管理課程教學(xué)模式，打牢學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)，提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，提升學(xué)生的核心競爭力，對高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)具有重要意義。

2 油氣管道設(shè)計與管理課程改革實踐

2.1 將學(xué)科競賽與課堂教學(xué)深度融合

油氣管道設(shè)計與管理課程改革所依托的學(xué)科競賽主要有兩個，即中國石油工程設(shè)計大賽和全國油氣儲運工程設(shè)計大賽。兩項賽事的題目均來源于實際工程案例，工程范圍涉及陸上和海上、國內(nèi)和國外油氣田、原油及天然氣等均有。競賽均要求完成油氣管道的相關(guān)方案設(shè)計。其中，中國石油工程設(shè)計大賽至今已舉辦12 屆，全國油氣儲運工程設(shè)計大賽也已舉辦7 屆，這為本課程的教學(xué)改革提供了豐富的案例源。通過中國石油工程設(shè)計大賽和全國油氣儲運工程設(shè)計大賽兩項學(xué)科競賽，可深入挖掘背后蘊含的油氣田企業(yè)對油氣管道設(shè)計與管理方面的新要求，了解相關(guān)技術(shù)人才在知識、素質(zhì)和能力方面的要求，對標(biāo)課程教學(xué)目標(biāo)、課堂教學(xué)內(nèi)容以及課程對應(yīng)的畢業(yè)設(shè)計指標(biāo)點，對比分析了管道設(shè)計與管理課程培養(yǎng)目標(biāo)與企業(yè)需求的契合度，制定了課程教學(xué)改革總體實施方案[6-7]。

以中國石油工程設(shè)計大賽、全國油氣儲運設(shè)計大賽為載體，可系統(tǒng)梳理歷屆大賽賽題設(shè)計任務(wù)要求，以及油氣管道設(shè)計與管理教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)性。針對本課程中天然氣輸送和原油輸送兩部分內(nèi)容，分別優(yōu)選30 余個具有代表性的、能貫穿其各章節(jié)內(nèi)容的設(shè)計賽題作為教學(xué)案例，形成了課程教學(xué)案例庫。對賽題各階段的設(shè)計任務(wù)進行了分解，將其與課程各單元的教學(xué)內(nèi)容作了一一對照，完成了對課程教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時分配的優(yōu)化和完善，擬定了課程授課計劃。

2.2 轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，以賽為練、以賽促學(xué)

以賽題為依托，引入相應(yīng)的輔助設(shè)計軟件的講解，設(shè)計了貫穿天然氣和原油管道輸送各個工藝環(huán)節(jié)的案例仿真模擬模型，并將部分案例模型應(yīng)用于課程教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生轉(zhuǎn)化復(fù)雜問題的思維，提升學(xué)生建模能力以及對計算結(jié)果分析與解讀的能力以及培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維和總體設(shè)計能力。同時，依據(jù)教學(xué)大綱和畢業(yè)要求指標(biāo)點，重新梳理了課程實驗項目和大作業(yè)的實施方案，完成了對實驗項目、實驗內(nèi)容以及大作業(yè)內(nèi)容的優(yōu)化和完善。

改變以往教師講授多、學(xué)生參與少的授課方式，實行分組式教學(xué)、三步走的策略。首先，教師依據(jù)賽題內(nèi)容及設(shè)計任務(wù)講授相應(yīng)的基礎(chǔ)理論和方法，由小組成員討論擬定設(shè)計思路，完成方案設(shè)計；其次，通過小組間互評的方式，點評不同組作品的優(yōu)缺點，考查學(xué)生對知識的理解和掌握程度，取長補短完善設(shè)計方案；最后，教師總結(jié)各小組作品，推薦最優(yōu)設(shè)計方案，調(diào)動學(xué)生的積極性，讓學(xué)生真正參與到課堂教學(xué)中，做課堂教學(xué)的主人，加深學(xué)生對油氣管道知識的掌握和應(yīng)用。

2.3 改進課程評價體系

學(xué)生是課程教學(xué)改革的主體，對學(xué)生產(chǎn)出效果的評價至關(guān)重要。因此，本課程通過關(guān)注學(xué)生課堂反應(yīng)，開展課后交流，進行課堂練習(xí)，布置課后作業(yè)等多種形式掌握學(xué)生學(xué)習(xí)效果，對改革過程進行監(jiān)控，對不合理的教學(xué)環(huán)節(jié)和方式及時調(diào)整和修改。同時，通過工程案例方案編制考核分析以及課程達成度分析等，對課程改革結(jié)果進行評價，根據(jù)評價結(jié)果適時調(diào)整課程改革方案。通過中國石油工程設(shè)計大賽、全國油氣儲運設(shè)計大賽等學(xué)科競賽考查學(xué)生綜合運用多模塊知識解決復(fù)雜工程問題的能力，檢驗課程改革成效。建立畢業(yè)生和用人單位跟蹤反饋機制，通過對畢業(yè)生和用人單位發(fā)放問卷調(diào)查、走訪調(diào)研、電話咨詢等形式征詢畢業(yè)生和用人單位，對重構(gòu)升級后的油氣管道設(shè)計與管道課程教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)場生產(chǎn)實踐提出意見，了解課程能力培養(yǎng)與現(xiàn)場需求的契合度，以及完善后課程知識體系與油氣管道建設(shè)需求之間的適應(yīng)度等。此外，系統(tǒng)評價課程改革效果，助力課程改革目標(biāo)的實現(xiàn)。

2.4 完成課程內(nèi)容與資源建設(shè)及應(yīng)用

課程教學(xué)資源對課程教學(xué)內(nèi)容起著支撐作用。為此，課程圍繞升級后的教學(xué)內(nèi)容，開展課程教學(xué)資源建設(shè)。

(1)課程改革的關(guān)鍵是教師。因此課程以教學(xué)改革為契機，從專業(yè)背景、工程實踐經(jīng)歷、科學(xué)研究方向、年齡結(jié)構(gòu)等方面著手，建立了一支適應(yīng)未來能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢的課程教學(xué)團隊，為課程改革目標(biāo)的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

(2) 大數(shù)據(jù)、人工智能、安全理論等的融入需進一步明確課程教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化課程模塊，形成新的課程體系。因此，課程從學(xué)習(xí)課程目標(biāo)化、教學(xué)內(nèi)容具體化、課程內(nèi)容模塊化和知識評價日常化四個方面入手，修訂課程教學(xué)大綱，更新課程教材，創(chuàng)新課堂教學(xué)模式等，實現(xiàn)對當(dāng)前油氣管道設(shè)計與管道課程教學(xué)內(nèi)容的改造，培養(yǎng)出面向當(dāng)前和未來的人才，支撐油氣儲運行業(yè)持續(xù)發(fā)展。

(3)學(xué)生是否具備運用多模塊知識解決復(fù)雜工程問題的能力直接決定了課程教學(xué)改革的成敗。為此，課程以中國石油工程設(shè)計大賽、全國油氣儲運設(shè)計大賽為載體，針對重構(gòu)升級后的課程教學(xué)內(nèi)容，系統(tǒng)梳理歷屆大賽賽題設(shè)計任務(wù)要求，優(yōu)選具有代表性的、能貫穿其各章節(jié)內(nèi)容的設(shè)計賽題作為教學(xué)案例。同時，與現(xiàn)場生產(chǎn)緊密對接，融合現(xiàn)場生產(chǎn)案例，建立針對不同教學(xué)模塊的典型工程案例庫，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性思維以及運用多學(xué)科知識以及現(xiàn)代技術(shù)手段解決復(fù)雜工程問題的能力。課程案例庫如表1 所示。

表1 課程案例庫

3 課程改革成效

通過開展以學(xué)科競賽為導(dǎo)向的油氣管道設(shè)計與管理課程改革，課程教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化更加完善，教學(xué)效果有持續(xù)好轉(zhuǎn)，學(xué)生的綜合應(yīng)用知識的能力得到了較大提升。在課程考核評價方面，課程考核采用考核基本知識、原理與考核綜合應(yīng)用能力并重的方式，加強過程考核。平時作業(yè)、測試和實驗占總成績的55%。其中作業(yè)中設(shè)計類大作業(yè)占10%，簡單案例分析等占5%，在試卷考試過程中綜合應(yīng)用類題占卷面成績的70%。這種成績評定方式較好地體現(xiàn)了掌握知識和應(yīng)用知識并重的考核，學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性和主動性顯著加強。

在課程目標(biāo)方面，通過開展課程目標(biāo)達成情況分析，課程涉及的6 個目標(biāo)都已達成，課程目標(biāo)的平均評價值高出課程目標(biāo)達成度期望值10% 以上，達到了0.72(課程目標(biāo)達成度期望值為0.65)。在應(yīng)用分析工程問題關(guān)鍵環(huán)節(jié)和關(guān)鍵參數(shù)這方面的達成情況方面提高尤為顯著，比目標(biāo)值高11.8%。對比3 年內(nèi)的課程目標(biāo)達成度發(fā)現(xiàn)，開展課程改革后，課程目標(biāo)達成度為0.72，比未開展課程改革前的課程目標(biāo)達成度0.67 和0.66，分別高出7.5%、9.1%。從學(xué)生的問卷調(diào)查來分析，發(fā)出105 份，收回100 份，都一致認(rèn)為，達到課程的總體目標(biāo)，能力有較好的提升，有86%的學(xué)生認(rèn)為，在分析問題的能力上提升最大。

在學(xué)科競賽方面，學(xué)生報名參加中國石油工程設(shè)計大賽、全國油氣儲運設(shè)計大賽的人數(shù)占到了班級總?cè)藬?shù)的58%，參賽人數(shù)顯著增加。本科生在中國石油工程設(shè)計大賽、全國油氣儲運設(shè)計大賽中共計獲得各級獎項52 項，獲獎數(shù)量明顯增長。其中，第十二屆和十三屆中國石油工程設(shè)計大賽獲得團體銀獎，第七屆全國油氣儲運設(shè)計大賽獲得全國一等獎的好成績。這些成果都反映出學(xué)生解決工程問題的能力顯著提高，課程改革成果逐步顯現(xiàn)。

4 結(jié)語

針對油氣管道設(shè)計與管理課程中的突出問題，以課程目標(biāo)和課程對應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)點為目標(biāo)導(dǎo)向，以中國石油工程設(shè)計大賽和全國油氣儲運設(shè)計大賽為引領(lǐng)，通過分析學(xué)科競賽與油氣管道設(shè)計與管理課程相契合，將學(xué)科競賽與課堂教學(xué)深度融合；開展課程內(nèi)容與資源建設(shè)及應(yīng)用相結(jié)合，轉(zhuǎn)變教學(xué)方式；改進課程評價體系，開展課程教學(xué)改革研究，探索建立了“學(xué)習(xí)、競賽、應(yīng)用”三位一體的油氣管道設(shè)計與管理課程教學(xué)模式。課程改革實踐對學(xué)生打牢專業(yè)基礎(chǔ)，提高專業(yè)素養(yǎng)，提升競爭力有積極成效，對培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展需要的科技創(chuàng)新型、工程實踐型和團隊協(xié)作型的高水平人才具有重要意義。