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石油工程虛擬仿真實驗教學實踐的論文
摘要：針對石油工程專業(yè)實踐教學面臨的實驗對象不可視、危險大、設備成本高、實驗效果差等問題，構建了“四結合、四模塊、三層次”的虛擬仿真實驗教學體系，豐富了石油工程專業(yè)的實驗教學內(nèi)容。通過虛擬仿真實驗與實際操作實驗的虛實結合、相互補充，促進學生與實驗內(nèi)容的交互性和參與性，全面提升學生的自主學習能力、創(chuàng)新能力，達到高層次人才培養(yǎng)的目標。
關鍵詞：虛擬仿真；實驗教學；教學改革
一石油工程虛擬仿真實驗教學必要性
石油工程技術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技術。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)實驗教學存在以下問題：1.油氣開發(fā)投資大、風險高、知識和技術密集。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、設備密集、危險性高等特點，常規(guī)實驗室設備難以完成。2.實驗設備價格昂貴，實驗儀器精密易損壞，維護成本高。受資金和場地的限制，實驗裝置數(shù)量有限，學生參與度低，缺乏深入的學習和實踐操作，不利于發(fā)揮學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，無法提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力。3.實驗項目傳統(tǒng)的實驗多，體現(xiàn)現(xiàn)代化技術的實驗少；驗證性實驗多，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、設計性能力、應用性能力創(chuàng)新型實驗少。4.受企業(yè)生產(chǎn)制度和安全方面的限制，學生在企業(yè)現(xiàn)場實習的時間和空間越來越小，難以達到預期效果。5.傳統(tǒng)的實驗教學無法實現(xiàn)優(yōu)質實驗資源開放共享[2]�；谝陨显�，針對實踐教學存在的不足，長江大學石油工程學院利用虛擬現(xiàn)實技術、仿真技術、多媒體技術、人機交互技術、網(wǎng)絡技術等與石油工程實際相結合，建立了面向自主學習的開放、互動式虛擬仿真實驗教學平臺，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能，具有完全、成本低、易于更新的優(yōu)點。通過虛擬仿真實驗與實際操作實驗的虛實結合、相互補充，促進學生與實驗內(nèi)容的交互性和參與性，全面提升學生的自主學習能力、創(chuàng)新能力，達到高層次人才培養(yǎng)的目標。
二石油工程虛擬仿真實驗教學平臺
�。ㄒ唬┙虒W體系
長江大學以全面提高高校學生自主創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質實驗教學資源為核心，通過與優(yōu)勢學科、特色專業(yè)相結合，以現(xiàn)代油氣開采過程為主線，通過四結合（理論教學與實驗教學相結合、基本訓練與能力培養(yǎng)相結合、校內(nèi)實驗與企業(yè)實踐相結合、科研成果與教學實踐相結合），著力構建滿足三個教學層次（基礎訓練、綜合設計和研究創(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虛擬仿真模塊）的虛擬仿真實驗教學體系。
（二）模塊構成
1.認識實踐及基礎訓練。專業(yè)課程的理論知識系統(tǒng)性不強，知識點多且零散，研究對象及涉及原理抽象難以直觀展示，學生缺乏理論知識整體構建能力。為解決這個問題，將理論教學中的重、難點知識，常用的鉆井、采油、集輸設備和工具，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、油氣集輸設備及運行機理、油氣滲流原理和實驗儀器設備的結構等演示型虛擬仿真動畫，提高實驗教學的直觀性、形象性，激發(fā)學生對實驗課的興趣，加深對專業(yè)基礎知識的理解，提高學習效率，讓學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個綜合設計和科研創(chuàng)新訓練類虛擬仿真實驗。井下作業(yè)模擬培訓系統(tǒng)、長輸管道虛擬仿真培訓系統(tǒng)、裂縫導流能力虛擬仿真、抽油機原理和泵效測定等虛擬仿真實驗項目，通過虛實結合，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。通過自行設計作業(yè)參數(shù)，反復操作實物，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，彌補生產(chǎn)實習中“只能有限制的看，絕對不能摸”的不足，提高學生的動手能力。基于虛擬仿真實驗平臺，學生能深入油藏內(nèi)部，觀察儲層參數(shù)、流體參數(shù)實時動態(tài)變化，進行油田開發(fā)動態(tài)分析、開發(fā)方案設計、鉆井工程設計、井身結構虛擬設計等綜合實踐，滿足學科競賽、創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新大賽等的需要，激發(fā)學生的科研興趣、啟發(fā)學生的科研思維，培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新能力。石油工程課程設計系統(tǒng)、石油工程畢業(yè)設計與生產(chǎn)現(xiàn)場實訓相結合，提高學生的操作能力和實踐能力。虛擬仿真操作教學環(huán)節(jié)系統(tǒng)、全面的虛擬仿真實踐訓練可大大提高學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習、課前預測等。平臺提供交互式練習、答疑、模擬測試、課件點播等功能，便于學生掌握實驗項目涉及的知識點、實驗原理、實驗流程及實驗操作等，檢查學生理論知識和應知應會的掌握情況，提高實驗效率。實驗中在功能上提供智能指導、過程監(jiān)控等。平臺可監(jiān)控學生的實驗過程，對學生在實驗過程中的不當操作進行智能化和人性化的指導。實驗后在功能上提供自動批改、成績分析和評價等。平臺記錄學生的實驗報告、實驗數(shù)據(jù)和結果，通過數(shù)據(jù)處理，利用教師預先錄入的批改規(guī)則進行分析，給出評價結果。石油工程虛擬仿真實驗教學中心有滿足課堂教學展示和驗證性實驗操作訓練，也有利用科研項目及成果轉化的系統(tǒng)軟件和儀器設備，開拓學生視野、提升知識結構，培養(yǎng)學生綜合設計和創(chuàng)新能力。
三虛擬仿真實驗教學成效
�。ㄒ唬┴S富實驗教學資源
通過發(fā)揮學校學科專業(yè)優(yōu)勢，利用企業(yè)開發(fā)實力和支持服務能力，充分整合學院信息化實驗教學資源，不斷轉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中心共構建了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，年平均實驗學生人數(shù)近1500人，年實驗人時數(shù)近30000（人時）。實驗開出率達100%，綜合性、設計性和創(chuàng)新性實驗比例達到86.2%，引導學生自主學習、研究探索和設計創(chuàng)新。
�。ǘ┱虾凸蚕韮�(yōu)質資源
虛擬仿真實驗教學中心本著“產(chǎn)、學、研”合作辦學理念，與多個油田企業(yè)建立校企聯(lián)合實驗室、實習基地，開展虛擬仿真實驗項目的開發(fā)與應用。為相關石油企業(yè)的職工技能培訓及應急處理實訓提供服務，承擔周邊兄弟院校實驗任務，作為社會公共教育共享資源，普及油氣鉆、采、輸?shù)娘L險及應急防范和逃生知識，起到了良好的示范和輻射作用。
�。ㄈ┨嵘龑I(yè)建設水平
虛擬仿真實驗教學中心依托石油工程專業(yè)國家級特色專業(yè)建設點、石油工程專業(yè)省級品牌專業(yè)建設、省級重點學科、省級油氣勘探教學示范中心、省部級重點實驗室、教育部重點實驗室等，通過虛實結合的實驗教學資源，支撐了三門省級精品課程，三門校級精品課程。
�。ㄋ模┰鰪妱�(chuàng)新實踐能力
石油工程虛擬仿真實驗教學中心重視培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力，已成為學生進行科學研究和實踐創(chuàng)新的基地。近三年來中心指導學生參加省級、國家級比賽獲獎80多項，獲批省校級、級、國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目30多項，獲得專利10多項，在國內(nèi)外學術期刊上發(fā)表論文130多篇。學生的工程綜合素質和創(chuàng)新能力得到提高。畢業(yè)生得到用人單位“綜合素質好、基礎扎實、動手能力強，具有很強的工程實踐能力和創(chuàng)新能力”的好評，相關專業(yè)大學生就業(yè)率一直保持在96%以上。
四結語
石油工程虛擬仿真實驗教學中心以培養(yǎng)學生工程實踐綜合素質和創(chuàng)新能力為核心，構建了高度仿真的虛擬實驗項目，建立了“四結合、四模塊、三層次”的教學體系。虛擬仿真實驗教學通過優(yōu)化整合實驗資源，工程實踐結合、科研成果轉化、學科前沿引入，拓展了實驗教學內(nèi)容的深度和廣度，推動了實驗教學改革與創(chuàng)新，培養(yǎng)了學生的實踐創(chuàng)新能力，提高了實驗教學質量。
參考文獻
[1]徐劍坤,習丹陽,馬文頂,等.采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學資源庫建設[J].教育現(xiàn)代化，2017(13):67-68.
[2]史壽樂.虛擬現(xiàn)實在教育中的應用[J].教育現(xiàn)代化，2017(32):205-206.
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