石油工程虛擬模擬實驗教學實踐論文
石油工程虛擬模擬實驗教學實踐論文
摘要：針對石油工程專業實踐教學面臨的實驗物件不可視、危險大、裝置成本高、實驗效果差等問題，構建了“四結合、四模組、三層次”的虛擬模擬實驗教學體系，豐富了石油工程專業的實驗教學內容。透過虛擬模擬實驗與實際操作實驗的虛實結合、相互補充，促進學生與實驗內容的互動性和參與性，全面提升學生的自主學習能力、創新能力，達到高層次人才培養的目標。
關鍵詞：虛擬模擬；實驗教學；教學改革
一石油工程虛擬模擬實驗教學必要性
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透過井筒開採到地面，經過地面管道和集輸站分配及處理的相關技術。工程作業的地面、氣候環境惡劣，地下流體處於不可視、不可及的高溫、高壓環境下，採用常規實驗教學存在以下問題：1.油氣開發投資大、風險高、知識和技術密集。油氣開採過程中涉及鑽、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模大、裝置密集、危險性高等特點，常規實驗室裝置難以完成。2.實驗裝置價格昂貴，實驗儀器精密易損壞，維護成本高。受資金和場地的限制，實驗裝置數量有限，學生參與度低，缺乏深入的學習和實踐操作，不利於發揮學生的主動性、積極性和創造性，無法提高學生的動手能力和創新能力。3.實驗專案傳統的實驗多，體現現代化技術的實驗少；驗證性實驗多，培養學生創新能力、設計效能力、應用效能力創新型實驗少。4.受企業生產製度和安全方面的限制，學生在企業現場實習的時間和空間越來越小，難以達到預期效果。5.傳統的實驗教學無法實現優質實驗資源開放共享[2]。基於以上原因，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實技術、模擬技術、多媒體技術、人機互動技術、網路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、互動式虛擬模擬實驗教學平臺，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，具有完全、成本低、易於更新的優點。透過虛擬模擬實驗與實際操作實驗的虛實結合、相互補充，促進學生與實驗內容的互動性和參與性，全面提升學生的自主學習能力、創新能力，達到高層次人才培養的目標。
二石油工程虛擬模擬實驗教學平臺
（一）教學體系
長江大學以全面提高高校學生自主創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，透過與優勢學科、特色專業相結合，以現代油氣開採過程為主線，透過四結合（理論教學與實驗教學相結合、基本訓練與能力培養相結合、校內實驗與企業實踐相結合、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、綜合設計和研究創新）要求的包含四大模組（鑽井工程、採油工程、油藏工程和油氣儲運虛擬模擬模組）的虛擬模擬實驗教學體系。
（二）模組構成
1.認識實踐及基礎訓練。專業課程的理論知識系統性不強，知識點多且零散，研究物件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，常用的鑽井、採油、集輸裝置和工具，施工過程和工藝等，製作成多媒體、影片和模擬動畫，輔以習題庫和實驗前小測試。共研發了118種典型的井下作業工具、油氣集輸裝置及執行機理、油氣滲流原理和實驗儀器裝置的結構等演示型虛擬模擬動畫，提高實驗教學的直觀性、形象性，激發學生對實驗課的興趣，加深對專業基礎知識的理解，提高學習效率，讓學生有更多時間參與實踐創新。2.虛擬模擬操作。四大虛擬模擬模組共研發了16個綜合設計和科研創新訓練類虛擬模擬實驗。井下作業模擬培訓系統、長輸管道虛擬模擬培訓系統、裂縫導流能力虛擬模擬、抽油機原理和泵效測定等虛擬模擬實驗專案，透過虛實結合，可產生與現場情況相似的視覺效果，配以逼真的現場聲音，給人身臨其境的感覺。透過自行設計作業引數，反覆操作實物，觀察模擬儀表引數變化，掌握作業系統的執行、控制技能，作業流程各環節的操作及常見事故判斷與處理的知識與技能，彌補生產實習中“只能有限制的看，絕對不能摸”的不足，提高學生的動手能力。基於虛擬模擬實驗平臺，學生能深入油藏內部，觀察儲層引數、流體引數實時動態變化，進行油田開發動態分析、開發方案設計、鑽井工程設計、井身結構虛擬設計等綜合實踐，滿足學科競賽、創業創新大賽等的需要，激發學生的科研興趣、啟發學生的科研思維，培養學生的科研創新能力。石油工程課程設計系統、石油工程畢業設計與生產現場實訓相結合，提高學生的.操作能力和實踐能力。虛擬模擬操作教學環節系統、全面的虛擬模擬實踐訓練可大大提高學生的動手能力和工程實踐技能，成為企業歡迎的人才。3.實踐技能考核。石油工程虛擬模擬教學平臺的考核體系包括實驗前、實驗中和實驗後三大板塊。實驗前在功能上提供知識輔助學習、課前預測等。平臺提供互動式練習、答疑、模擬測試、課件點播等功能，便於學生掌握實驗專案涉及的知識點、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慧指導、過程監控等。平臺可監控學生的實驗過程，對學生在實驗過程中的不當操作進行智慧化和人性化的指導。實驗後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、實驗資料和結果，透過資料處理，利用教師預先錄入的批改規則進行分析，給出評價結果。石油工程虛擬模擬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，也有利用科研專案及成果轉化的系統軟體和儀器裝置，開拓學生視野、提升知識結構，培養學生綜合設計和創新能力。
三虛擬模擬實驗教學成效
（一）豐富實驗教學資源
透過發揮學校學科專業優勢，利用企業開發實力和支援服務能力，充分整合學院資訊化實驗教學資源，不斷轉化科研成果為虛擬模擬實驗專案，拓寬實驗專案的深度和廣度，石油工程虛擬模擬實驗教學中心共構建了10門實驗課程，65個實驗專案，面向全校6個專業並對全校其他專業開放，年平均實驗學生人數近1500人，年實驗人時數近30000（人時）。實驗開出率達100%，綜合性、設計性和創新性實驗比例達到86.2%，引導學生自主學習、研究探索和設計創新。
（二）整合和共享優質資源
虛擬模擬實驗教學中心本著“產、學、研”合作辦學理念，與多個油田企業建立校企聯合實驗室、實習基地，開展虛擬模擬實驗專案的開發與應用。為相關石油企業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，普及油氣鑽、採、輸的風險及應急防範和逃生知識，起到了良好的示範和輻射作用。
（三）提升專業建設水平
虛擬模擬實驗教學中心依託石油工程專業國家級特色專業建設點、石油工程專業省級品牌專業建設、省級重點學科、省級油氣勘探教學示範中心、省部級重點實驗室、教育部重點實驗室等，透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。
（四）增強創新實踐能力
石油工程虛擬模擬實驗教學中心重視培養學生創新實踐能力，已成為學生進行科學研究和實踐創新的基地。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、國家級大學生創新創業訓練計劃專案30多項，獲得專利10多項，在國內外學術期刊上發表論文130多篇。學生的工程綜合素質和創新能力得到提高。畢業生得到用人單位“綜合素質好、基礎紮實、動手能力強，具有很強的工程實踐能力和創新能力”的好評，相關專業大學生就業率一直保持在96%以上。
四結語
石油工程虛擬模擬實驗教學中心以培養學生工程實踐綜合素質和創新能力為核心，構建了高度模擬的虛擬實驗專案，建立了“四結合、四模組、三層次”的教學體系。虛擬模擬實驗教學透過最佳化整合實驗資源，工程實踐結合、科研成果轉化、學科前沿引入，拓展了實驗教學內容的深度和廣度，推動了實驗教學改革與創新，培養了學生的實踐創新能力，提高了實驗教學質量。
參考文獻
[1]徐劍坤,習丹陽,馬文頂,等.採礦工程專業虛擬模擬實驗教學資源庫建設[J].教育現代化，2017(13):67-68.
[2]史壽樂.虛擬現實在教育中的應用[J].教育現代化，2017(32):205-206.