新工科教育背景下虚实结合压力容器安全检测系列实验课程建设与探讨——以东北石油大学为例

新工科教育背景下虚实结合压力容器安全检测
系列实验课程建设与探讨
——以东北石油大学为例丁宇奇
马云阔蒋鹏
（东北石油大学
黑龙江·大庆
163318）
中图分类号：G642.3
文献标识码：A
DOI：10.16871/ki.kjwha.2021.11.035
基金项目：2020年度黑龙江省高等学校教改工程项目“国家一流‘过程装备’专业新工科人才培养模式改革与实践”（项目编号：SJ⁃GY20200103）；2020年度黑龙江省高等学校教改工程项目“过程装备与控制工程专业基于创新创业教育的实践课程体系改革研究”（项目编号：SJGY20200123）。

作者简介：丁宇奇（1982—），男，黑龙江肇东人，博士，教授，主要从事石油石化机械装备力学分析、油气储运装备强度评定与优化分析的教学和科研工作；马云阔（1968—），男，山东临朐人，博士，教授，主要从事高等教育与经济发展研究工作；蒋鹏（1981—），男，河南洛阳人，博士，副教授，主要从事金属、非金属材料损伤声发射特性分析的教学和科研工作。

2021年第31期总第547期
No.31,2021Sum
No.547
The Science Education Article Collects
摘要东北石油大学的过程装备与控制工程是国家一流专业建设点，如何从国家一流专业建设点的建设要求出发，结合新工科教育背景的相关要求，打造一流的实验课程是本专业建设的主要目标之一。

为此，文章以虚实结合的压力容器安全检测实验课程为例，介绍了新工科教育模式下的课程改革思想和方法。

通过虚实结合的实验课程建设与改革，一方面通过真实实验操作过程锻炼了学生的动手能力，另一方面让学生感受压力容器高压爆破的场景、了解压力容器高压爆破过程，培养了学生应用现代技术解决实际问题的综合能力。

关键词
新工科；一流专业；虚实结合；实验课程
The Construction and Discussion of the Series Experiment Course of Safety Testing of Pressure Vessel Combining Virtuality and Reality under the Background of New Engi⁃neering Education:Taking Northeast Petroleum Universi⁃ty as an Example //DING Yuqi,MA Yunkuo,JIANG Peng Abstract The process equipment and control engineering of Northeast Petroleum University is a national first-class specialty construction point.One of the main goals of the specialty con‐struction is how to build a first-class experimental course based on the requirements of the national first-class specialty con‐struction point and the related requirements of the new engi‐neering education background.Therefore,this paper introduces the thought and method of curriculum reform under the new en‐gineering education mode from the example of pressure vessel
safety testing experiment course combining virtuality and reality.Through the construction and reform of the experimental course combining virtuality and reality,on the one hand,the practical ability of students is trained through the real experimental op‐eration process;on the other hand,students are allowed to feel the scene of pressure vessel high-pressure blasting and under‐stand the process of pressure vessel high-pressure blasting,and the comprehensive ability of students to solve practical problems with modern technology is cultivated.
Key words new engineering;first-class specialty;virtuality-re‐ality combination;experimental course
1新工科背景下实验课程改革的必要性和意义
目前大学生普遍存在创新精神与创新能力不足的情况，新工科的内涵应在于提高学生的适应变化能力与工程创新能力，要从以知识为先真正转向以能力为要。

因此，迫切需要更新教育理念、改善教育环境、优化教育设施、变革教育模式，提升大学生的创新素养[1-3]。

在教学模式和方法上要遵循“充分利用包括网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术，营造多元化的教学模式”等基本要求[4]。

传统实验课程主要依靠教师在课堂的实验原理解说及实验过程、步骤操作，学生根据授课教师的演示步骤，“照葫芦画瓢”地完成实验过程并进行数据的采集和实验报告的撰写，这种模式从根本上来讲还是以教师为主的授课模式。

结合新工科教育理念，高校教师采用理论和实践相结合的方法，
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教改教法
对实验课程进行了相应的改革。

乐小燕[5]等基于新工科背景，在教学模式和方法上进行了改革和创新，结合智慧化教学方法和手段设计了更加合理的教学内容和授课形式。

叶靖莹[6-8]等依托虚拟仿真技术和物理仿真技术手段，克服了传统实验手段方法单一、教学内容局限、教学模式落后的弊端，发挥了虚拟现实等技术的优势，弥补了现有实验教学过程中的不足和欠缺。

通过上述手段的实施，引导学生主动学习、主动实践，鼓励学生悟道、问道、寻道，启发学生求是、求真、求业，在此过程中产生更大的疑惑、焕发更大的激情，让学生更好地成就自己。

2虚实结合压力容器安全检测系列实验课程改革
的目的
压力容器安全检测系列实验课程，是过程装备与控制工程专业学生进行过程装备类课程学习的一个重要的实践性教学环节。

通过实验课程的学习，使学生较全面、系统地学习与过程装备安全相关的测试技术，掌握与过程装备制造、定期检验和运行状态参数测试相关的基本技能和方法。

主要课程内容包括压力容器的高压爆破实验、外压容器的失稳实验和压力容器的应力测试实验，其最终教学目的是：（1）要求学生掌握压力容器应力测试常用仪器、测试方法和数据处理方法；（2）要求学生掌握压力容器内压爆破和外压失稳的失效机理及破坏特征。

但从整个实验过程来看，该系列实验课程仅仅通过实验设备对压力容器在承受内压和外压后进行测试，并不能有效观测整个实验过程中的实验现象。

因此，需要采用先进的教学手段和方法，如虚实结合的现代仿真技术手段，对整个实验过程进行监测和观察，最终融通虚拟和现实两个空间，构建以学习者为中心的工程教育生态。

3为提高学生动手能力的压力容器安全检测系列实验课程设计
限于篇幅，本文主要以容器的高压爆破实验为例，说明采用虚实结合实验手段的实验课程的建设情况。

爆破实验一般采用液压爆破，爆破释放的能量虽较气爆少但仍然存在一定的危险性，所以需要有充分的安全保护措施，以保证人身、设备安全。

压力容器爆破实验曲线与材料的拉伸实验曲线相似。

在容器爆破过程中，大体经历三个阶段。

第一阶段为弹性变形阶段。

容器的应力或变形随着实验压力的增加而呈正比例增加。

第二阶段为屈服变形阶段。

容器内壁开始屈服，随着压力增加，屈服区域逐渐向外壁扩展，直至容器整个截面全部屈服为止。

对不同材料的屈服段长短不一，对低碳钢屈服段较为明显，对高强度钢则不明显。

第三阶段为塑性强化与爆破阶段。

当压力达到屈服压力之后，容器虽然发生了明显的塑性变化，但是不立即爆破。

这就是塑性材料屈服后的“应变硬化”现象，而使容器仍然能承受一定的压力。

压力继续增加，容器过度变形直至爆破。

4为提高学生创新能力的压力容器安全检测系列
实验课程设计
4.1以虚拟仿真为手段开展实验的必要性和实用性
本实验将培养具有解决专业问题能力和创新应用型专业人才作为目标，选取柱形承压容器进行高压爆破虚拟实验，利用虚拟仿真等技术营造了实验认知、实验练习、实验考核、实验分析等环境，再现了柱形承压容器高压爆破的场景与数据分析过程。

第一，实验得出的数据正确且全面。

本实验课程系统有数值仿真系统，此系统可以实现对高压爆破试件的数值模拟分析工作，包括以下六个功能：结构参数和材料参数输入以及建立有限元模型；基于有限元法的数值计算；基于理论公式计算；数值计算结果与理论公式计算结果比较；应力场、位移场云图及应力场、位移场动画输出；试件数值计算过程中最大应力以及最大位移输出。

与实体实验相比，本虚拟实验不仅可以得到精确的数据，而且可以节省人工计算的时间。

第二，保障实验安全。

高压爆破实验过程存在一定危险性，会花费较长的时间。

本实验采取虚拟高压爆破的方式，避免使用人员在操作失误时出现安全事故，保护使用人员的人身安全。

4.2以虚拟仿真为手段的实验先进性
本实验综合运用化工学、力学、信息技术科学等多学科的研究成果，利用三维建模等手段，将实验场景还原。

学生通过键盘和鼠标在虚拟环境中操作，亲临实境体验实验过程，实现人机互动。

通过数值仿真系统，学生对高压爆破试件进行数值模拟分析工作，得到有效结论。

4.3以虚拟仿真为手段的实验核心仿真要素
本实验系统包括高压爆破虚拟仿真实验和数值仿真系统两个模块（如图1所示）。

高压爆破虚拟仿真实验系统主要是模拟仿真实物的实验过程。

数值仿真系统主要是通过数值计算的方法，计算出试件的真实爆破压力并通过动画
方式展现真实的压力容器破坏过程。

图1虚拟仿真实验界面
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教改教法
高压爆破虚拟仿真实验模块包括认知模式、练习模式、考核模式。

认知模式主要让学生学习测试方法、原理、目的、器材、步骤。

学生在练习模式中，依据平台的提示操作，实验结束后拖动模型进行观察；在考核模式下，学生多次操作错误会高亮提示，操作结束后输入个人信息，保存报告。

数值仿真模块包括高压爆破实验数据、计算结果输出、退出系统。

在输入试件信息后，点击加压进入数值计算窗口，发现出错可随即停止数值计算，修改错误，重新开始数值计算。

后处理过程包括两部分。

第一部分是理论结果查看，分别得到福贝尔和史文森公式计算的爆破压力；第二部分是高压爆破实验结果查看，数值计算主界面窗口中有数值计算结果菜单和图片计算结果菜单，在数值计算结果菜单点击对应按钮可以在对应文本框内显示对应结果，在图片计算结果菜单中可以得到试件变形动画及变形图（如图2所示）。

通过上述基于虚拟仿真和数值仿真的高压爆破实验过程，学生可熟练掌握整个实验过程要领，并能够观察到爆破试件在实验过程中的变形以至破坏过程，提高学生对先进教学手段的认识，激发学生的学习兴趣。

5结语
虚实相结合的实验课程建设与改革，一方面通过真实实验操作过程锻炼了学生动手能力，另一方面从真实的实验环境出发，利用三维仿真技术，重现了柱形承压容器高压爆破的过程，重点展现了高压爆破虚拟仿真实验与数值仿真系统。

学生通过本实验课程，不仅可以了解实验操作步骤，在实际操作过程中避免因错误操作引起的安全隐患，而且可以利用仿真程序中的爆破压力与理论计算进行比较，对爆破试件的性能进行初步了解。

同时，容器高压爆破虚拟仿真实验以学生为主导，学生通过实验操作，可以提高对实验的兴趣并增强操作技能。

指导教师教授实验知识与实验步骤，在整个实验过程中全程对学生进行引导，理论融合实践，让学生感受压力容器高压爆破的场景、了解压力容器高压爆破过程、掌握数据分析方法。

在实验中，教师采取提问、讨论等方式激发学生思考，培养学生解决实际问题的综合能力。

参考文献
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张效瑞图2数值仿真实验系统模块——试件变形动画及变形图界面
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