管网水压图实验的网络教学改革

赵美，臧建彬，蔡健，王晓东

（同济大学机械与能源工程学院，上海 200092）

实验教学不仅是理论知识的具象化，有助于提高学生对理论知识的理解，更是立足于培养学生综合运用知识的能力和创新研究意识[1-2]，对培养学生的实践能力有非常重要的意义。管网水压图实验是针对建筑环境与能源应用工程专业开设的一个重要实验[3-4]。通过实验，让学生更直观地了解水压图的变化情况，巩固理论课所学的基础知识。学生通过实际操作，掌握供暖管网水力工况分析方法，可用于指导实际工程中热水管网的水力工况调整[5]。

虽然在网络信息化技术日新月异发展的推动下，高校教育不断地进行改革，改变传统的课堂实验教学模式[6]。2020年以来，为了响应教育部“停课不停学”的号召，各大高校也纷纷制定相关政策，积极组织教师和学生开展在线网络教学和学习[7]，但高校工科实验教学仍面临着前所未有的压力。学生不能返校，无法进入实验室，无法线下正常开展实验，而实验教学因需要借助实验设备，且大部分实验设备尚不具备远程操作的能力，对网络授课模式下的实验教学质量带来了挑战。原有的管网水压图实验台设施老化不足，无法进行远程教学。为此，依托实验教学改革项目对管网水压图实验装置进行能力提升建设，开发建设可远程控制和可视化的实验平台。并结合教学模式和教学方法的改革，以适应水压图实验的线上教学，提高学生在实验过程中的学习积极性，培养学生的创新思维。

一、管网水压图实验教学现状

目前，国内多数的高校实验教学存在着实验室资源有限，教学硬件设施老化[8]，实验教学模式单一落后等问题，水压图实验教学也存在着以上的问题。管网水压图能全面地反映热力管网和用户的压力情况，通过水压图能很好地了解供热系统调节过程中的压力情况。当系统中出现故障时，水压图上就会出现相应的变化，从而可以采取必要的技术措施，保证系统的安全运行[9]。综上，管网水压图是流体管网设计和运行工况分析的重要工具，因此是建筑环境与能源应用工程专业重要的专业基础实验课程。学生通过实验掌握绘制水压图的基本要求、步骤和方法以及利用水压图分析系统压力状况。现有的管网水压图实验台相对老旧，影响线下实验的效果，在当下无法开展线下实验的情况下，现有实验台更无法满足网络实验教学的需求。

（一）实验教学设备设施老化

现有的管网水压图实验台虽然经典，但是设施相对老旧，对实验结果会产生影响，进而影响到学生对实验现象的观察和实验规律的总结分析。实验台实物图见图1，现有的管网水压图实验采用自来水作为管网的循环水，没有安装净化设施，运行一段时间以后，管网系统里就会存在杂质，导致管网局部阻力件堵塞，实验初调节较难，引起压力变化与理论不符的问题。由于管道采用铜管制作，学生无法直观地观察实验过程中管网中水流动的情况，以及可能发生堵塞的部位，无法更好地对实验现象进行分析和解决问题。此外，运行一段时间后，水里的杂质附着在测量压力的玻璃管壁上，如图可见玻璃管壁上已经附着一层杂质，测压时影响学生进行读数，实验准确性难以保证。

图1

管网水压图实验过程中，为保证系统自用压头稳定，上水箱要保证水位恒定，就要不断地有溢流水流出。目前实验台上仅安装上水箱，没有下水箱，水流未形成闭合回路，溢流水直接排放，造成了水资源的浪费。

（二）实验平台无法满足线上教学需求

目前水压图实验的实验平台通过管网系统模型和数据测量系统组成如图2所示，下部代表双管热水管网，由一些铜管件和阀门连接而成，平放在实验桌上。各管段的阻力由水阀调节。水由稳压水箱（开口高位水箱）送入管网，沿供水干管及回水干管流入下水管道。自来水通过铜管向稳压水箱供水，过量水溢流至下水道。

图2

在供水干管与回水干管之间有7个用户，编号B至H。图2的上部表示一排14根测量各点压力的垂直玻璃管，上端与大气压相通。每对玻璃管之间装有一根木尺以便读出各节点的压力值。例如，用户H的进口压力由H1代表，出口压力由H2代表，取木尺零点读数的标高为测量压力的基线。实验过程中通过调节阀门的开度改变管网的水力工况，现有实验台上阀门都是手动调节的，必须现场进行实验操作，无法实现远程控制调节。实验平台上也没有数据采集模块，实验数据只能现场读取，无法进行数据的收集和处理。面对新冠疫情带来的挑战，学生无法正常进入实验室做实验，需要对实验装置和教学方法进行改造来满足当下大学实验教学的要求[10]。

（三）实验教学模式单一

传统的实验教学模式、教学方法和手段单一[11]，往往是以教师为主、学生为辅，同时存在重理论和轻实践的弊端[12]，不利于学生自主实验和创新能力的培养。目前管网水压图实验的开展通过实验过程中呈现的现象和数据记录总结实验规律，从而帮助学生更好地理解课程中的相关基本原理。但在传统的教学模式下，老师先按照实验指导书的内容讲解实验要求、实验内容和实验步骤[13]，而实验指导书上对实验步骤介绍得非常详细，学生按部就班完成实验即可。没有实验前的预习，学生缺乏对实验内容的思考，也无法开展创新实验设计。在这种传统教学模式下，学生只是被动地接受，综合实验能力和分析能力难以得到很好的提升[14]。

二、建设可远程控制和可视化的实验平台

目前的管网水压图实验装置中模拟双管热水管网是用铜管制作的，无法从外面看到管道内水流动的情况，学生只能依靠实验教师的讲解和描述理解实验过程中的水流动情况，实验效果欠佳。通过本教改项目的建设，实验装置中采用亚克力材料制作成透明的管网，实验过程中学生能更形象直观地观察到水流动的情况，加深学生对理论知识的理解和掌握，可以激发学生的实验积极性[15]。同时因为可视化，学生可以及时发现和分析解决实验过程中产生的问题。

将实验装置中用于调节阻力的阀门改成电动阀门，该电动阀门手电一体，既可以手动调节，又可以通过多种接线方式实现远程控制，可反馈阀门开关状态到智能控制单元实现实时监控，自动化远程控制流体状态，为实现网络教学奠定基础。此外，在实验装置中原有测压玻璃管测压的基础上，增加压力传感器采集各点压力情况并进行采集和传输，结合定制的软件即可实现实验的远程控制和数字化。这样，即使学生无法进入实验室，也可以通过软件界面的按钮远程控制阀门的开度，进而调整实验工况，通过压力传感器采集的数据，进行分析和总结实验，真正实现网络实验教学。

为调高学生在实验过程中的学习积极性和创新思维，在实验教学方法上一改传统实验教学以教师为主题，以课堂讲授为中心的模式，借鉴“翻转课堂”的理念，引入“云课堂”，探索管网水压图实验的混合式教学改革。云课堂作为一种在线教学资源，集资源共享、在线学习、教学管理于一体[16]，可打破时空的限制，更具有高效性和开放性。通过本实验教改项目的建设，实验台可实现远程控制，那么管网水压图的课前—课中—课后的全过程教学活动均可在线开展，在及时疫情严重时学生无法进入实验室的情况下仍然可以开展实验教学。主要包含以下教学环节：

课前：根据实验教学计划，老师在云课堂网络平台上推送相关实验教学材料（实验指导书、实验教学视频，相关参考书目），发布实验预习的任务。学生可以进行预习并分组进行讨论，制定实验方案。同时老师也可以跟踪学生预习的情况，解答学生提出的问题并展开互动交流，确定课堂上的教学重点。

课中：教师通过现场演示实验，结合实验软件操作平台，对实验原理、实验装置、实验步骤等进行讲解，学生根据实验方案，可通过远程控制和实验软件进行实验操作。在实验中，老师可以更好地掌握每个学生的实验参与度，随时跟学生进行交流互动，以便及时解决操作中出现的问题，从而取得更好的教学效果。

课后：学生及时完成实验报告，并对实验过程中出现的现象和问题进行整理和总结，也可在网络平台上对没有掌握的知识点进行再次学习。老师起到督促作用，并进行答疑解惑。

通过实验教学模式的改革，实验老师主要起到启发和引导的作用，更多的主动权交给学生，而且通过多元化、多媒体的教学手段，实验过程也不再枯燥，进而激发学生参与实验的主动性，激发学生的兴趣和求知欲，培养学生的自主学习能力和动手能力。

三、结束语

通过对“管网水压图实验”进行可视化实验改造，让学生能更好地、更直观地掌握实验原理和过程。并结合远程控制和网络教学平台，解决了疫情当下，学生无法进入实验室进行实验的难题。通过云课堂的教学模式，合理安排全过程教学活动，借助多元化的教学手段创造良好的学习氛围，充分调动学生的实验积极性和主动性，使得线上实验教学达到线下教学的效果。