以学科竞赛为导向的油气管道设计与管理课程改革实践

黄辉荣，梁平，王大庆，孟江，龙学渊

(重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331)

0 引言

在全球陆上油气运输中，70% 的石油和99% 的天然气通过管道输送。我国油气管道总里程长，涵盖了全国32 个省区市，形成了三纵四横、连通海外和覆盖全国的大型油气管网，成为我国国民经济发展和能源安全重要生命线。2019 年12 月，国家石油天然气管网集团有限公司的成立更是凸显了管道在国家经济发展和能源输送中的战略地位。随着工业4.0 和工业物联网等相关发展目标的提出，管道设计和在役管道的全面智能化提升，最终形成智慧管网势在必行。油气行业的高质量快速发展对油气管道的设计、施工、运行管理、优化调整等各个环节提出了更高的要求，也对油气管道输送各个相关岗位的管理者、技术人员、高校专业教师以及储运毕业生提出了更高的期望。

重庆科技学院油气储运工程专业，是主要面对培养油气集输、储存、输送及供配方面应用型人才的本科专业，在全国石油行业具有很高的行业认可度。油气管道设计与管理课程是油气储运工程专业核心课程之一，共64 学时。课程较全面地介绍了油气长输管道系统组成、工艺设计原理以及运行管理方法。通过各教学环节，使学生掌握油气管道设计和管理方面的基本概念、基本理论及其具体应用，能够充分认识技术经济在油气管道设计和管理中的重要地位，具备分析和解决油气管道设计、生产管理等问题的能力，毕业后能够在相关领域从事油气管道设计与管理工作[1]。

1 油气管道设计与管理课程问题

近年来，油气管道设计、运行理念的发展和变化对油气管道的设计、施工、运行管理、优化调整等各个环节提出了更高的要求，也对从事油气管道输送的岗位人员提出了更高的期望。目前油气管道设计与管理课程教学内容已不能满足油气管道行业发展的要求。

(1)油气管道行业最新的发展成果融入不足

在能源互联网背景下，加强人工智能、物联网、大数据等新技术的推广应用，实现油气管网领域设备设施、工艺流程的智能化升级，建立全面感知、自动控制、智能预测、优化决策的生产体系，是油气行业未来发展的必然趋势。目前，企业油气管道数字化智能化建设上已走在前列，如国家管网通过“移动端+云计算+大数据”的体系架构，集成项目全生命周期数据，实现中俄东线天然气管道从建设期到运营期的数字化、网络化、智能化管理；中石油融合可视化技术、大数据分析以及人工智能等，建了油气管道智慧运行平台，实现了管道及站场的智能控制。然而，当前油气管道设计与管理课程教学内容仍以工艺设计和运行管理方法为主，对数字化智能化成果融入较少，教学内容严重滞后[2]。这一方面导致教学与现场应用相互分离，学生很难打通知识与能力之间的界面障碍，制约了知识向能力的转化；另一方面，缺乏对行业需求、前沿研究热点及技术的理解和掌握，致使学生在走向工作岗位后很难快速适应工作环境，成长周期延长。

(2)对学生分析和解决问题能力的引导不够

学生利用所学知识和理论分析问题和解决问题的能力较差。如掌握了热油管道投产方式和适用条件，却不能根据给定条件合理选择热油管道的投产方式；掌握了热油管道运行特性，却不会根据条件进行分析等。分析原因在于，学生仅仅是记住了知识点，如何应用来分析工程问题还没有掌握，对工艺参数的意义理解不够；针对工程数据分析、取舍能力较差，造成计算结果不合理或者错误，从而造成工艺方案选取不合理。同时，教师在课堂教学中针对实例分析计算的内容讲解偏少，油气管道仿真软件在课程教学中的应用讲解不够，学生没有领会分析计算方法，对工程设计案例中关键工艺参数取值的边界条件和模型求解结果的合理性缺乏正确的判断，也不会进行计算结果的正确校核与分析。

(3)对学生学习过程的监督和考核不够

对学生学习过程的考核，主要分为实验考核以及平时作业考核两部分。其中，实验考核主要根据实验操作和实验报告确定。从实验过程和实验报告分析，还有相当一部分学生实验前预习不够，不知道实验的目的；实验过程不思考，不愿动手；对待实验课态度不端正，动手操作和对实验现象、实验数据分析的能力较差。对于平时作业考核，主要通过学生提交的工程设计报告确定。从工程设计报告来看，学生对油气管道工艺设计的能力偏弱，工艺设计步骤及设计思路不清，参数选取没有依据，对于设计规范的应用较差，设计报告重复率高，撰写不规范[3-5]。由于对学生学习过程的监督和考核不够，致使部分学生应付了事，不具备解决复杂工程问题的能力，在面对实际工程问题时无从下手。

上述问题反映到人才培养上，也体现到学生参加近几年举行的全国油气储运设计大赛、中国石油工程设计大赛等活动的实践作品上。说明学生对油气管道设计与管理实际问题的认识能力不足，分析问题的能力还较为欠缺；在进行油气管道设计时缺乏系统性的思维，对所编制的油气管道设计方案的合理性缺乏正确的判断，方案对比和优化考虑不完整；对油气管网模拟仿真软件不熟悉，计算效率低，错误率高；对油气管道输送的新工艺、新技术了解和认识不足，设计方案缺乏创新意识；团队成员间缺乏团队意识和协作精神。因此，探索建立以学科竞赛为导向的油气管道设计与管理课程教学模式，打牢学生的专业基础，提高学生的专业素养，提升学生的核心竞争力，对高素质应用型人才的培养具有重要意义。

2 油气管道设计与管理课程改革实践

2.1 将学科竞赛与课堂教学深度融合

油气管道设计与管理课程改革所依托的学科竞赛主要有两个，即中国石油工程设计大赛和全国油气储运工程设计大赛。两项赛事的题目均来源于实际工程案例，工程范围涉及陆上和海上、国内和国外油气田、原油及天然气等均有。竞赛均要求完成油气管道的相关方案设计。其中，中国石油工程设计大赛至今已举办12 届，全国油气储运工程设计大赛也已举办7 届，这为本课程的教学改革提供了丰富的案例源。通过中国石油工程设计大赛和全国油气储运工程设计大赛两项学科竞赛，可深入挖掘背后蕴含的油气田企业对油气管道设计与管理方面的新要求，了解相关技术人才在知识、素质和能力方面的要求，对标课程教学目标、课堂教学内容以及课程对应的毕业设计指标点，对比分析了管道设计与管理课程培养目标与企业需求的契合度，制定了课程教学改革总体实施方案[6-7]。

以中国石油工程设计大赛、全国油气储运设计大赛为载体，可系统梳理历届大赛赛题设计任务要求，以及油气管道设计与管理教学内容的相关性。针对本课程中天然气输送和原油输送两部分内容，分别优选30 余个具有代表性的、能贯穿其各章节内容的设计赛题作为教学案例，形成了课程教学案例库。对赛题各阶段的设计任务进行了分解，将其与课程各单元的教学内容作了一一对照，完成了对课程教学内容和学时分配的优化和完善，拟定了课程授课计划。

2.2 转变教学方式，以赛为练、以赛促学

以赛题为依托，引入相应的辅助设计软件的讲解，设计了贯穿天然气和原油管道输送各个工艺环节的案例仿真模拟模型，并将部分案例模型应用于课程教学中，培养学生转化复杂问题的思维，提升学生建模能力以及对计算结果分析与解读的能力以及培养学生系统思维和总体设计能力。同时，依据教学大纲和毕业要求指标点，重新梳理了课程实验项目和大作业的实施方案，完成了对实验项目、实验内容以及大作业内容的优化和完善。

改变以往教师讲授多、学生参与少的授课方式，实行分组式教学、三步走的策略。首先，教师依据赛题内容及设计任务讲授相应的基础理论和方法，由小组成员讨论拟定设计思路，完成方案设计；其次，通过小组间互评的方式，点评不同组作品的优缺点，考查学生对知识的理解和掌握程度，取长补短完善设计方案；最后，教师总结各小组作品，推荐最优设计方案，调动学生的积极性，让学生真正参与到课堂教学中，做课堂教学的主人，加深学生对油气管道知识的掌握和应用。

2.3 改进课程评价体系

学生是课程教学改革的主体，对学生产出效果的评价至关重要。因此，本课程通过关注学生课堂反应，开展课后交流，进行课堂练习，布置课后作业等多种形式掌握学生学习效果，对改革过程进行监控，对不合理的教学环节和方式及时调整和修改。同时，通过工程案例方案编制考核分析以及课程达成度分析等，对课程改革结果进行评价，根据评价结果适时调整课程改革方案。通过中国石油工程设计大赛、全国油气储运设计大赛等学科竞赛考查学生综合运用多模块知识解决复杂工程问题的能力，检验课程改革成效。建立毕业生和用人单位跟踪反馈机制，通过对毕业生和用人单位发放问卷调查、走访调研、电话咨询等形式征询毕业生和用人单位，对重构升级后的油气管道设计与管道课程教学内容与现场生产实践提出意见，了解课程能力培养与现场需求的契合度，以及完善后课程知识体系与油气管道建设需求之间的适应度等。此外，系统评价课程改革效果，助力课程改革目标的实现。

2.4 完成课程内容与资源建设及应用

课程教学资源对课程教学内容起着支撑作用。为此，课程围绕升级后的教学内容，开展课程教学资源建设。

(1)课程改革的关键是教师。因此课程以教学改革为契机，从专业背景、工程实践经历、科学研究方向、年龄结构等方面着手，建立了一支适应未来能源互联网发展趋势的课程教学团队，为课程改革目标的实现奠定基础。

(2) 大数据、人工智能、安全理论等的融入需进一步明确课程教学目标，优化课程模块，形成新的课程体系。因此，课程从学习课程目标化、教学内容具体化、课程内容模块化和知识评价日常化四个方面入手，修订课程教学大纲，更新课程教材，创新课堂教学模式等，实现对当前油气管道设计与管道课程教学内容的改造，培养出面向当前和未来的人才，支撑油气储运行业持续发展。

(3)学生是否具备运用多模块知识解决复杂工程问题的能力直接决定了课程教学改革的成败。为此，课程以中国石油工程设计大赛、全国油气储运设计大赛为载体，针对重构升级后的课程教学内容，系统梳理历届大赛赛题设计任务要求，优选具有代表性的、能贯穿其各章节内容的设计赛题作为教学案例。同时，与现场生产紧密对接，融合现场生产案例，建立针对不同教学模块的典型工程案例库，培养学生系统性思维以及运用多学科知识以及现代技术手段解决复杂工程问题的能力。课程案例库如表1 所示。

表1 课程案例库

3 课程改革成效

通过开展以学科竞赛为导向的油气管道设计与管理课程改革，课程教学内容系统化更加完善，教学效果有持续好转，学生的综合应用知识的能力得到了较大提升。在课程考核评价方面，课程考核采用考核基本知识、原理与考核综合应用能力并重的方式，加强过程考核。平时作业、测试和实验占总成绩的55%。其中作业中设计类大作业占10%，简单案例分析等占5%，在试卷考试过程中综合应用类题占卷面成绩的70%。这种成绩评定方式较好地体现了掌握知识和应用知识并重的考核，学生学习的自觉性和主动性显著加强。

在课程目标方面，通过开展课程目标达成情况分析，课程涉及的6 个目标都已达成，课程目标的平均评价值高出课程目标达成度期望值10% 以上，达到了0.72(课程目标达成度期望值为0.65)。在应用分析工程问题关键环节和关键参数这方面的达成情况方面提高尤为显著，比目标值高11.8%。对比3 年内的课程目标达成度发现，开展课程改革后，课程目标达成度为0.72，比未开展课程改革前的课程目标达成度0.67 和0.66，分别高出7.5%、9.1%。从学生的问卷调查来分析，发出105 份，收回100 份，都一致认为，达到课程的总体目标，能力有较好的提升，有86%的学生认为，在分析问题的能力上提升最大。

在学科竞赛方面，学生报名参加中国石油工程设计大赛、全国油气储运设计大赛的人数占到了班级总人数的58%，参赛人数显著增加。本科生在中国石油工程设计大赛、全国油气储运设计大赛中共计获得各级奖项52 项，获奖数量明显增长。其中，第十二届和十三届中国石油工程设计大赛获得团体银奖，第七届全国油气储运设计大赛获得全国一等奖的好成绩。这些成果都反映出学生解决工程问题的能力显著提高，课程改革成果逐步显现。

4 结语

针对油气管道设计与管理课程中的突出问题，以课程目标和课程对应的毕业要求指标点为目标导向，以中国石油工程设计大赛和全国油气储运设计大赛为引领，通过分析学科竞赛与油气管道设计与管理课程相契合，将学科竞赛与课堂教学深度融合；开展课程内容与资源建设及应用相结合，转变教学方式；改进课程评价体系，开展课程教学改革研究，探索建立了“学习、竞赛、应用”三位一体的油气管道设计与管理课程教学模式。课程改革实践对学生打牢专业基础，提高专业素养，提升竞争力有积极成效，对培养适应社会发展需要的科技创新型、工程实践型和团队协作型的高水平人才具有重要意义。