陳 婧， 梁法春， 曹學(xué)文， 張樹文

(中國石油大學(xué) 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

培養(yǎng)大學(xué)生的自主創(chuàng)新能力是21世紀(jì)高校人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容，實驗教學(xué)是教學(xué)體系的重要一環(huán)。而實驗室則是實驗教學(xué)的主要平臺，在培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和實踐能力方面具有重要作用。中國石油大學(xué)(華東)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)為國家重點(diǎn)學(xué)科，經(jīng)過50余年實踐探索，儲運(yùn)教研室不斷更新教育理念、完善教學(xué)體系、自主研發(fā)實驗系統(tǒng)、探索教育教學(xué)方法，油氣儲運(yùn)實驗室取得巨大進(jìn)展。2012年，油氣儲運(yùn)國家實驗教學(xué)示范中心成功獲批。但實驗室建設(shè)尚存在重硬件投入、輕軟件建設(shè)，實驗方案拓展性差，管理和維護(hù)成本高等問題。本文將“云計算”引入實驗教學(xué)，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)“云實驗室”,師生可在云端自主設(shè)計實驗方案，處理實驗數(shù)據(jù)，取得了良好的教學(xué)效果。

1 國家級教學(xué)示范中心建設(shè)現(xiàn)狀及存在問題

2005年教育部啟動了國家級實驗教學(xué)示范中心的評審工作, 2007年國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)納入“十一五”本科教學(xué)質(zhì)量工程規(guī)劃[1]。我國實驗教學(xué)示范中心建設(shè)取得了重要進(jìn)展，各具特色的實驗中心相繼建成,充分發(fā)揮了引領(lǐng)、輻射和示范作用[2-5]。但教學(xué)示范中心建設(shè)過程中尚存在如下問題。

(1) 重硬件投入、輕軟件建設(shè)。為提高自身的競爭力，引進(jìn)了大量先進(jìn)儀器和設(shè)備。由于設(shè)備精密復(fù)雜，操作人員培訓(xùn)滯后，空置率高，無法在本科教學(xué)中發(fā)揮作用，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。同時，忽略了軟實力建設(shè)，軟件資源建設(shè)投入不足，盜版軟件廣泛存在。

(2) 資源利用效率低，存在“信息孤島”現(xiàn)象。各院系的實驗室基于自身需要采用不同運(yùn)行和管理平臺，使得各實驗室之間的信息溝通不暢，不能真正實現(xiàn)教學(xué)軟件資源共享，導(dǎo)致“信息孤島”現(xiàn)象的產(chǎn)生[6]。

(3) 實驗室效能未充分發(fā)掘。受實體實驗室本身規(guī)模、經(jīng)濟(jì)成本以及安全方面的制約，只能在一定參數(shù)范圍內(nèi)開展實驗測試，學(xué)生的發(fā)揮空間受到限制。同時，實驗室不可能隨時開放，對于復(fù)雜實驗系統(tǒng)，學(xué)生對實驗設(shè)備與工藝流程不熟悉，無法進(jìn)行有效預(yù)習(xí)，只能在教師指導(dǎo)下被動實驗，嚴(yán)重影響自主性和創(chuàng)新性的發(fā)揮。

(4) 管理和維護(hù)成本高。國家教學(xué)實驗示范中心設(shè)備龐雜，隨著學(xué)生規(guī)模的日益龐大，分組學(xué)生人數(shù)多，安全管理風(fēng)險大，教師實驗教學(xué)工作量日益增加。

“云計算”現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活各領(lǐng)域，其優(yōu)越性在于通過“云計算”平臺構(gòu)建可以網(wǎng)絡(luò)“云實驗室”，在網(wǎng)上建立虛擬實驗課堂，從而為解決當(dāng)前國家教學(xué)示范中心存在的問題提供了技術(shù)支撐。

2 云計算技術(shù)優(yōu)勢及對教育教學(xué)的影響

2.1 何為“云計算”

云計算(Cloud Computing)是繼1980年大型計算機(jī)到客戶端-服務(wù)器的大轉(zhuǎn)變之后的又一種巨變，是網(wǎng)格計算(Grid Computing )、分布式計算(Distributed Computing)、并行計算(Parallel Computing)、效用計算(UtilityComputing)、網(wǎng)絡(luò)存儲(Network Storage Technologies)、虛擬化(Virtualization)、負(fù)載均衡(Load Balance)等傳統(tǒng)計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物[7]。云計算的目標(biāo)是把所有的東西都放到網(wǎng)絡(luò)上，云就是網(wǎng)絡(luò)，計算機(jī)硬件、軟件、服務(wù)器、計算和應(yīng)用作為一種公共設(shè)施提供給公眾用戶，人們能夠像使用水、電、煤氣和電話那樣獲得云服務(wù)。

2.2 云計算在教學(xué)中的應(yīng)用

近年來，云計算技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)實踐方面也引起了廣泛關(guān)注[8-13]。早在2006年云計算創(chuàng)始者之一的Google就在美國啟動了Google 101計劃，旨在通過高校培養(yǎng)云計算人才。美國華盛頓大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)、斯坦福大學(xué)、麻省理工大學(xué)、卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)、馬里蘭大學(xué)先后加入該計劃，并設(shè)立云計算相關(guān)專業(yè)[14]。在我國2008年中國教育技術(shù)協(xié)會年會上，上海師范大學(xué)黎加厚教授首次提出“云計算輔助教學(xué)CCAI”以及“云計算輔助教育(CCBE)概念”，旨在將“云計算”引入到教育教學(xué)環(huán)節(jié)[15]。

2.3 云計算的特點(diǎn)

(1) 開放性和便捷性。傳統(tǒng)實驗室只能提供學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)進(jìn)行實驗操作，而基于云計算的實驗室通過網(wǎng)絡(luò)提供虛擬化服務(wù)，用戶不受時間和地點(diǎn)的限制，也不受訪問平臺和系統(tǒng)的制約，學(xué)生可以在任何時間、地點(diǎn)通過筆記本或者手機(jī)，登錄網(wǎng)絡(luò)開展云實驗，完成實驗內(nèi)容，將實驗數(shù)據(jù)存放在云中[16]。

(2) 交互性。學(xué)生可以通過云進(jìn)行交流合作，共同完成實驗任務(wù)，提高團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。教師則可通過云平臺，對學(xué)生的實驗進(jìn)行全程指導(dǎo)。在此期間可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生的興趣和需求，并加以引導(dǎo)和促進(jìn)，從而架起教師-學(xué)生互動交流橋梁。

(3) 共享性和可擴(kuò)展性。軟件的升級和維護(hù)、版本的授權(quán)也都由云端統(tǒng)一管理，可根據(jù)用戶需求動態(tài)的分配資源,優(yōu)化云端云實驗室資源配置，調(diào)整終端允許用戶數(shù)量，提高資源使用效率，從而為教學(xué)資源的最大化共享和靈活擴(kuò)展提供有效的解決方案。

(4) 高可靠性。在云計算中，開放學(xué)生的數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器端，而應(yīng)用程序在服務(wù)器端運(yùn)行。采用分布式節(jié)點(diǎn)來構(gòu)成云，由于其特殊的容錯布局，單個人的計算機(jī)或移動終端發(fā)生病毒入侵，出現(xiàn)故障或崩潰，也不會影響遠(yuǎn)程實驗和個人相關(guān)數(shù)據(jù)。

(5) 經(jīng)濟(jì)性。用戶只需小硬盤、小內(nèi)存的計算機(jī)，采用Google、百度等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商提供的免費(fèi)在線軟件，即可構(gòu)建云平臺。同時，采用云計算對軟件資源進(jìn)行整合，可消除信息孤島，大大節(jié)省軟件資源重復(fù)投入。

3 油氣多相混輸“云實驗室”的構(gòu)建

3.1 云實驗室構(gòu)建

以中國石油大學(xué)(華東)油氣儲運(yùn)實驗室兩相流云實驗室為例，對云實驗室的構(gòu)建做一介紹。由于多相流動的復(fù)雜性和隨機(jī)性，在教學(xué)實踐中，氣-液混輸一直是教學(xué)的難點(diǎn)。在常規(guī)的實驗室教學(xué)中無法對集輸管道直徑、實驗介質(zhì)、管道傾角、氣液輸量等參數(shù)進(jìn)行隨意調(diào)整，管截面上氣液分布特征也無法觀察和測量，嚴(yán)重影響了學(xué)生對氣液兩相流知識的深入理解。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)已經(jīng)不能滿足新形勢下教學(xué)需要，為此將云計算引入實驗教學(xué)，建立油氣儲運(yùn)云實驗室，作為硬件實驗系統(tǒng)的重要補(bǔ)充。圖1為油氣管道流動模擬云實驗室工作過程示意圖。教師和學(xué)生通過請求進(jìn)入云端，利用云端虛擬實驗裝置，設(shè)置實驗流程，分析存儲實驗數(shù)據(jù)。管理人員負(fù)責(zé)供登錄入口，對油氣儲運(yùn)師生分配帳號和權(quán)限，保障云端系統(tǒng)的安全和正常運(yùn)行。

3.2 “云實驗室”組成

如圖2所示，氣液兩相流模擬實驗系統(tǒng)由動力輸送裝置、流量調(diào)節(jié)裝置、氣液混合裝置、實驗測試管段、氣液分離裝置以及儲液裝置等組成。所有設(shè)備、儀表以及管件采用組態(tài)軟件生成。氣體經(jīng)壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入單相氣體管路，通過氣體流量調(diào)節(jié)閥和氣體旁通閥可調(diào)節(jié)氣體流量，氣量大小通過漩渦氣體流量計測量和顯示。來自儲液池的水通過泵輸送至單相液體管路，液體流量由質(zhì)量流量計測量和顯示，并可通過調(diào)節(jié)閥和液體旁通閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制液體流量。氣、液相在氣液混合器混合后經(jīng)過充分發(fā)展段進(jìn)入測試管段。測試段終點(diǎn)與氣液分離器相連，氣液混合物在離心力和重力作用下完成氣液分離。氣相從分離器頂部排出，液相則返回水箱循環(huán)。

圖2 氣液兩相流云實驗室系統(tǒng)組成

3.3 云實驗室功能

用戶在實驗仿真系統(tǒng)上設(shè)置好管路尺寸、結(jié)構(gòu)、氣液介質(zhì)性質(zhì)和氣液流量等條件后，應(yīng)用安裝在云端的氣液兩相流動計算軟件，快速獲得壓力、持液率、流型的關(guān)鍵流動參數(shù)。通過虛擬重構(gòu)技術(shù)繪制氣液兩相流仿真圖像。根據(jù)模擬結(jié)果，在實驗仿真系統(tǒng)實時顯示數(shù)據(jù)，自動生成實驗報告。

不同流型下兩相流流動和傳熱特性也不相同，常見的氣液兩相流流型主要有分層流、段塞流、泡狀流、環(huán)狀流、霧狀流等[17]。圖3為實驗仿真提供流型快照。仿真系統(tǒng)還可直觀生動地動態(tài)顯示兩相流氣液分布和壓力、持液率等參數(shù)的波動狀態(tài)，從而增加學(xué)生對氣液兩相流基本流動特性的直觀認(rèn)識。

(a) 長氣泡流

(b) 段塞流

(c) 分層光滑流

(d) 分層波浪流

在模擬實驗過程中，實驗管路的管徑、上下起伏狀態(tài)，以及實驗介質(zhì)和氣液流量均可隨意設(shè)置和調(diào)節(jié)。從而可以考察管路結(jié)構(gòu)、氣液流量、介質(zhì)物性等參數(shù)對氣液混輸流動特性的影響，突破了傳統(tǒng)實驗室教學(xué)的局限，擴(kuò)寬了實驗范圍，極大增強(qiáng)了實驗的靈活性。

4 云實驗室特點(diǎn)和應(yīng)用效果

(1) 革新傳統(tǒng)教學(xué)模式。云實驗平臺將有助于搭建學(xué)生自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)，用戶在任何時間、任何地點(diǎn)，只需要一個能夠上網(wǎng)的設(shè)備，個人PC、手機(jī)都可登錄云服務(wù)平臺，進(jìn)入“云”里漫游，開展云實驗。

(2) 自主設(shè)計和開展實驗。將傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式以網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生可根據(jù)興趣，自主安排和設(shè)計實驗；通過在實驗課前開展仿真實驗，可提前熟悉實驗設(shè)備、實驗流程，改變過去學(xué)生在教師指導(dǎo)下按照規(guī)定步驟開展實驗的機(jī)器式學(xué)習(xí)模式，提高實驗效率和質(zhì)量。

(3) 全方位展示實驗結(jié)果。由于傳統(tǒng)實驗室中自身的局限，氣液兩相流動中氣液分布等細(xì)節(jié)信息無法直觀呈現(xiàn)，而虛擬仿真系統(tǒng)能夠用三維視角全方位展示實驗細(xì)節(jié)，形象直觀。與傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式相比，虛擬實驗系統(tǒng)功能更完善，更加靈活、直觀、生動。

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)的實驗室教學(xué)已經(jīng)無法滿足網(wǎng)絡(luò)化、信息化時代的教學(xué)要求。在油氣儲運(yùn)國家級教學(xué)實驗中心的建設(shè)中，開展了“云實驗室”的建設(shè)和教學(xué)實踐。將傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式以網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，擺脫了實驗環(huán)節(jié)的時間和空間限制。教學(xué)實踐表明，改變了傳統(tǒng)的根據(jù)教師指導(dǎo)，按照規(guī)定步驟開展的被動實驗教學(xué)模式。學(xué)生可根據(jù)興趣，自主安排和設(shè)計實驗，根據(jù)仿真模擬結(jié)果驗證理論分析，從而學(xué)習(xí)自主性、積極性和創(chuàng)新性得到很大提升。

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