石油工程虛擬仿真實驗教學(xué)實踐

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摘要：針對石油工程專業(yè)實踐教學(xué)面臨的實驗對象不可視、危險大、設(shè)備成本高、實驗效果差等問題，構(gòu)建了“四結(jié)合、四模塊、三層次”的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，豐富了石油工程專業(yè)的實驗教學(xué)內(nèi)容。通過虛擬仿真實驗與實際操作實驗的虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充，促進(jìn)學(xué)生與實驗內(nèi)容的交互性和參與性，全面提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力，達(dá)到高層次人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實驗教學(xué)；教學(xué)改革

一石油工程虛擬仿真實驗教學(xué)必要性

石油工程技術(shù)是解決如何將地下幾百至近萬米深的地層中的油氣通過井筒開采到地面，經(jīng)過地面管道和集輸站分配及處理的相關(guān)技術(shù)。工程作業(yè)的地面、氣候環(huán)境惡劣，地下流體處于不可視、不可及的高溫、高壓環(huán)境下，采用常規(guī)實驗教學(xué)存在以下問題：1.油氣開發(fā)投資大、風(fēng)險高、知識和技術(shù)密集。油氣開采過程中涉及鉆、完井工程，地層改造工程，油氣集輸工程，油氣易燃、易爆、高毒性等，大部分實驗和工程實踐因規(guī)模大、設(shè)備密集、危險性高等特點(diǎn)，常規(guī)實驗室設(shè)備難以完成。2.實驗設(shè)備價格昂貴，實驗儀器精密易損壞，維護(hù)成本高。受資金和場地的限制，實驗裝置數(shù)量有限，學(xué)生參與度低，缺乏深入的學(xué)習(xí)和實踐操作，不利于發(fā)揮學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，無法提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。3.實驗項目傳統(tǒng)的實驗多，體現(xiàn)現(xiàn)代化技術(shù)的實驗少；驗證性實驗多，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、設(shè)計性能力、應(yīng)用性能力創(chuàng)新型實驗少。4.受企業(yè)生產(chǎn)制度和安全方面的限制，學(xué)生在企業(yè)現(xiàn)場實習(xí)的時間和空間越來越小，難以達(dá)到預(yù)期效果。5.傳統(tǒng)的實驗教學(xué)無法實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實驗資源開放共享[2]?；谝陨显?，針對實踐教學(xué)存在的不足，長江大學(xué)石油工程學(xué)院利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等與石油工程實際相結(jié)合，建立了面向自主學(xué)習(xí)的開放、互動式虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，具有完全、成本低、易于更新的優(yōu)點(diǎn)。通過虛擬仿真實驗與實際操作實驗的虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充，促進(jìn)學(xué)生與實驗內(nèi)容的交互性和參與性，全面提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力，達(dá)到高層次人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

二石油工程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

（一）教學(xué)體系

長江大學(xué)以全面提高高校學(xué)生自主創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，通過與優(yōu)勢學(xué)科、特色專業(yè)相結(jié)合，以現(xiàn)代油氣開采過程為主線，通過四結(jié)合（理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合、基本訓(xùn)練與能力培養(yǎng)相結(jié)合、校內(nèi)實驗與企業(yè)實踐相結(jié)合、科研成果與教學(xué)實踐相結(jié)合），著力構(gòu)建滿足三個教學(xué)層次（基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合設(shè)計和研究創(chuàng)新）要求的包含四大模塊（鉆井工程、采油工程、油藏工程和油氣儲運(yùn)虛擬仿真模塊）的虛擬仿真實驗教學(xué)體系。

（二）模塊構(gòu)成

1.認(rèn)識實踐及基礎(chǔ)訓(xùn)練。專業(yè)課程的理論知識系統(tǒng)性不強(qiáng)，知識點(diǎn)多且零散，研究對象及涉及原理抽象難以直觀展示，學(xué)生缺乏理論知識整體構(gòu)建能力。為解決這個問題，將理論教學(xué)中的重、難點(diǎn)知識，常用的鉆井、采油、集輸設(shè)備和工具，施工過程和工藝等，制作成多媒體、視頻和仿真動畫，輔以習(xí)題庫和實驗前小測試。共研發(fā)了118種典型的井下作業(yè)工具、油氣集輸設(shè)備及運(yùn)行機(jī)理、油氣滲流原理和實驗儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)等演示型虛擬仿真動畫，提高實驗教學(xué)的直觀性、形象性，激發(fā)學(xué)生對實驗課的興趣，加深對專業(yè)基礎(chǔ)知識的理解，提高學(xué)習(xí)效率，讓學(xué)生有更多時間參與實踐創(chuàng)新。2.虛擬仿真操作。四大虛擬仿真模塊共研發(fā)了16個綜合設(shè)計和科研創(chuàng)新訓(xùn)練類虛擬仿真實驗。井下作業(yè)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)、長輸管道虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、裂縫導(dǎo)流能力虛擬仿真、抽油機(jī)原理和泵效測定等虛擬仿真實驗項目，通過虛實結(jié)合，可產(chǎn)生與現(xiàn)場情況相似的視覺效果，配以逼真的現(xiàn)場聲音，給人身臨其境的感覺。通過自行設(shè)計作業(yè)參數(shù)，反復(fù)操作實物，觀察仿真儀表參數(shù)變化，掌握作業(yè)系統(tǒng)的運(yùn)行、控制技能，作業(yè)流程各環(huán)節(jié)的操作及常見事故判斷與處理的知識與技能，彌補(bǔ)生產(chǎn)實習(xí)中“只能有限制的看，絕對不能摸”的不足，提高學(xué)生的動手能力?；谔摂M仿真實驗平臺，學(xué)生能深入油藏內(nèi)部，觀察儲層參數(shù)、流體參數(shù)實時動態(tài)變化，進(jìn)行油田開發(fā)動態(tài)分析、開發(fā)方案設(shè)計、鉆井工程設(shè)計、井身結(jié)構(gòu)虛擬設(shè)計等綜合實踐，滿足學(xué)科競賽、創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新大賽等的需要，激發(fā)學(xué)生的科研興趣、啟發(fā)學(xué)生的科研思維，培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。石油工程課程設(shè)計系統(tǒng)、石油工程畢業(yè)設(shè)計與生產(chǎn)現(xiàn)場實訓(xùn)相結(jié)合，提高學(xué)生的操作能力和實踐能力。虛擬仿真操作教學(xué)環(huán)節(jié)系統(tǒng)、全面的虛擬仿真實踐訓(xùn)練可大大提高學(xué)生的動手能力和工程實踐技能，成為企業(yè)歡迎的人才。3.實踐技能考核。石油工程虛擬仿真教學(xué)平臺的考核體系包括實驗前、實驗中和實驗后三大板塊。實驗前在功能上提供知識輔助學(xué)習(xí)、課前預(yù)測等。平臺提供交互式練習(xí)、答疑、模擬測試、課件點(diǎn)播等功能，便于學(xué)生掌握實驗項目涉及的知識點(diǎn)、實驗原理、實驗流程及實驗操作等，檢查學(xué)生理論知識和應(yīng)知應(yīng)會的掌握情況，提高實驗效率。實驗中在功能上提供智能指導(dǎo)、過程監(jiān)控等。平臺可監(jiān)控學(xué)生的實驗過程，對學(xué)生在實驗過程中的不當(dāng)操作進(jìn)行智能化和人性化的指導(dǎo)。實驗后在功能上提供自動批改、成績分析和評價等。平臺記錄學(xué)生的實驗報告、實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，通過數(shù)據(jù)處理，利用教師預(yù)先錄入的批改規(guī)則進(jìn)行分析，給出評價結(jié)果。石油工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心有滿足課堂教學(xué)展示和驗證性實驗操作訓(xùn)練，也有利用科研項目及成果轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)軟件和儀器設(shè)備，開拓學(xué)生視野、提升知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力。

三虛擬仿真實驗教學(xué)成效

（一）豐富實驗教學(xué)資源

通過發(fā)揮學(xué)校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，利用企業(yè)開發(fā)實力和支持服務(wù)能力，充分整合學(xué)院信息化實驗教學(xué)資源，不斷轉(zhuǎn)化科研成果為虛擬仿真實驗項目，拓寬實驗項目的深度和廣度，石油工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心共構(gòu)建了10門實驗課程，65個實驗項目，面向全校6個專業(yè)并對全校其他專業(yè)開放，年平均實驗學(xué)生人數(shù)近1500人，年實驗人時數(shù)近30000（人•時）。實驗開出率達(dá)100%，綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗比例達(dá)到86.2%，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究探索和設(shè)計創(chuàng)新。

（二）整合和共享優(yōu)質(zhì)資源

虛擬仿真實驗教學(xué)中心本著“產(chǎn)、學(xué)、研”合作辦學(xué)理念，與多個油田企業(yè)建立校企聯(lián)合實驗室、實習(xí)基地，開展虛擬仿真實驗項目的開發(fā)與應(yīng)用。為相關(guān)石油企業(yè)的職工技能培訓(xùn)及應(yīng)急處理實訓(xùn)提供服務(wù)，承擔(dān)周邊兄弟院校實驗任務(wù)，作為社會公共教育共享資源，普及油氣鉆、采、輸?shù)娘L(fēng)險及應(yīng)急防范和逃生知識，起到了良好的示范和輻射作用。

（三）提升專業(yè)建設(shè)水平

虛擬仿真實驗教學(xué)中心依托石油工程專業(yè)國家級特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)、石油工程專業(yè)省級品牌專業(yè)建設(shè)、省級重點(diǎn)學(xué)科、省級油氣勘探教學(xué)示范中心、省部級重點(diǎn)實驗室、教育部重點(diǎn)實驗室等，通過虛實結(jié)合的實驗教學(xué)資源，支撐了三門省級精品課程，三門校級精品課程。

（四）增強(qiáng)創(chuàng)新實踐能力

石油工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心重視培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力，已成為學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究和實踐創(chuàng)新的基地。近三年來中心指導(dǎo)學(xué)生參加省級、國家級比賽獲獎80多項，獲批省校級、級、國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目30多項，獲得專利10多項，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上130多篇。學(xué)生的工程綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力得到提高。畢業(yè)生得到用人單位“綜合素質(zhì)好、基礎(chǔ)扎實、動手能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的工程實踐能力和創(chuàng)新能力”的好評，相關(guān)專業(yè)大學(xué)生就業(yè)率一直保持在96%以上。

四結(jié)語

石油工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心以培養(yǎng)學(xué)生工程實踐綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力為核心，構(gòu)建了高度仿真的虛擬實驗項目，建立了“四結(jié)合、四模塊、三層次”的教學(xué)體系。虛擬仿真實驗教學(xué)通過優(yōu)化整合實驗資源，工程實踐結(jié)合、科研成果轉(zhuǎn)化、學(xué)科前沿引入，拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，推動了實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新，培養(yǎng)了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]徐劍坤,習(xí)丹陽,馬文頂,等.采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)資源庫建設(shè)[J].教育現(xiàn)代化，2017(13):67-68.

[2]史壽樂.虛擬現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2017(32):205-206.

作者：鄭愛玲 單位：長江大學(xué)石油工程學(xué)院