石油工程虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)實(shí)踐論文
摘要：針對石油工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)面臨的實(shí)驗對象不可視、危險大、設備成本高、實(shí)驗效果差等問(wèn)題，構建了“四結合、四模塊、三層次”的虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)體系，豐富了石油工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗教學(xué)內容。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗與實(shí)際操作實(shí)驗的虛實(shí)結合、相互補充，促進(jìn)學(xué)生與實(shí)驗內容的交互性和參與性，全面提升學(xué)生的自主學(xué)習能力、創(chuàng )新能力，達到高層次人才培養的目標。
關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實(shí)驗教學(xué)；教學(xué)改革
一石油工程虛擬仿真實(shí)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(wàn)米深的地層中的油氣通過(guò)井筒開(kāi)采到地面，經(jīng)過(guò)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，采用常規實(shí)驗教學(xué)存在以下問(wèn)題：1.油氣開(kāi)發(fā)投資大、風(fēng)險高、知識和技術(shù)密集。油氣開(kāi)采過(guò)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(shí)驗和工程實(shí)踐因規模大、設備密集、危險性高等特點(diǎn)，常規實(shí)驗室設備難以完成。2.實(shí)驗設備價(jià)格昂貴，實(shí)驗儀器精密易損壞，維護成本高。受資金和場(chǎng)地的限制，實(shí)驗裝置數量有限，學(xué)生參與度低，缺乏深入的學(xué)習和實(shí)踐操作，不利于發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng )造性，無(wú)法提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng )新能力。3.實(shí)驗項目傳統的實(shí)驗多，體現現代化技術(shù)的實(shí)驗少；驗證性實(shí)驗多，培養學(xué)生創(chuàng )新能力、設計性能力、應用性能力創(chuàng )新型實(shí)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)現場(chǎng)實(shí)習的時(shí)間和空間越來(lái)越小，難以達到預期效果。5.傳統的實(shí)驗教學(xué)無(wú)法實(shí)現優(yōu)質(zhì)實(shí)驗資源開(kāi)放共享[2]�；谝陨显�，針對實(shí)踐教學(xué)存在的不足，長(cháng)江大學(xué)石油工程學(xué)院利用虛擬現實(shí)技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等與石油工程實(shí)際相結合，建立了面向自主學(xué)習的開(kāi)放、互動(dòng)式虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)平臺，實(shí)現真實(shí)實(shí)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(guò)虛擬仿真實(shí)驗與實(shí)際操作實(shí)驗的虛實(shí)結合、相互補充，促進(jìn)學(xué)生與實(shí)驗內容的交互性和參與性，全面提升學(xué)生的自主學(xué)習能力、創(chuàng )新能力，達到高層次人才培養的目標。
二石油工程虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)平臺
�。ㄒ唬┙虒W(xué)體系
長(cháng)江大學(xué)以全面提高高校學(xué)生自主創(chuàng )新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗教學(xué)資源為核心，通過(guò)與優(yōu)勢學(xué)科、特色專(zhuān)業(yè)相結合，以現代油氣開(kāi)采過(guò)程為主線(xiàn)，通過(guò)四結合（理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)相結合、基本訓練與能力培養相結合、校內實(shí)驗與企業(yè)實(shí)踐相結合、科研成果與教學(xué)實(shí)踐相結合），著(zhù)力構建滿(mǎn)足三個(gè)教學(xué)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(shí)驗教學(xué)體系。
�。ǘ┠K構成
1.認識實(shí)踐及基礎訓練。專(zhuān)業(yè)課程的理論知識系統性不強，知識點(diǎn)多且零散，研究對象及涉及原理抽象難以直觀(guān)展示，學(xué)生缺乏理論知識整體構建能力。為解決這個(gè)問(wèn)題，將理論教學(xué)中的重、難點(diǎn)知識，常用的鉆井、采油、集輸設備和工具，施工過(guò)程和工藝等，制作成多媒體、視頻和仿真動(dòng)畫(huà)，輔以習題庫和實(shí)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(shí)驗儀器設備的結構等演示型虛擬仿真動(dòng)畫(huà)，提高實(shí)驗教學(xué)的直觀(guān)性、形象性，激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗課的興趣，加深對專(zhuān)業(yè)基礎知識的理解，提高學(xué)習效率，讓學(xué)生有更多時(shí)間參與實(shí)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(gè)綜合設計和科研創(chuàng )新訓練類(lèi)虛擬仿真實(shí)驗。井下作業(yè)模擬培訓系統、長(cháng)輸管道虛擬仿真培訓系統、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(shí)驗項目，通過(guò)虛實(shí)結合，可產(chǎn)生與現場(chǎng)情況相似的視覺(jué)效果，配以逼真的現場(chǎng)聲音，給人身臨其境的感覺(jué)。通過(guò)自行設計作業(yè)參數，反復操作實(shí)物，觀(guān)察仿真儀表參數變化，掌握作業(yè)系統的運行、控制技能，作業(yè)流程各環(huán)節的操作及常見(jiàn)事故判斷與處理的知識與技能，彌補生產(chǎn)實(shí)習中“只能有限制的看，絕對不能摸”的不足，提高學(xué)生的動(dòng)手能力�；谔摂M仿真實(shí)驗平臺，學(xué)生能深入油藏內部，觀(guān)察儲層參數、流體參數實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)行油田開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)分析、開(kāi)發(fā)方案設計、鉆井工程設計、井身結構虛擬設計等綜合實(shí)踐，滿(mǎn)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，培養學(xué)生的科研創(chuàng )新能力。石油工程課程設計系統、石油工程畢業(yè)設計與生產(chǎn)現場(chǎng)實(shí)訓相結合，提高學(xué)生的.操作能力和實(shí)踐能力。虛擬仿真操作教學(xué)環(huán)節系統、全面的虛擬仿真實(shí)踐訓練可大大提高學(xué)生的動(dòng)手能力和工程實(shí)踐技能，成為企業(yè)歡迎的人才。3.實(shí)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(shí)驗前、實(shí)驗中和實(shí)驗后三大板塊。實(shí)驗前在功能上提供知識輔助學(xué)習、課前預測等。平臺提供交互式練習、答疑、模擬測試、課件點(diǎn)播等功能，便于學(xué)生掌握實(shí)驗項目涉及的知識點(diǎn)、實(shí)驗原理、實(shí)驗流程及實(shí)驗操作等，檢查學(xué)生理論知識和應知應會(huì )的掌握情況，提高實(shí)驗效率。實(shí)驗中在功能上提供智能指導、過(guò)程監控等。平臺可監控學(xué)生的實(shí)驗過(guò)程，對學(xué)生在實(shí)驗過(guò)程中的不當操作進(jìn)行智能化和人性化的指導。實(shí)驗后在功能上提供自動(dòng)批改、成績(jì)分析和評價(jià)等。平臺記錄學(xué)生的實(shí)驗報告、實(shí)驗數據和結果，通過(guò)數據處理，利用教師預先錄入的批改規則進(jìn)行分析，給出評價(jià)結果。石油工程虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心有滿(mǎn)足課堂教學(xué)展示和驗證性實(shí)驗操作訓練，也有利用科研項目及成果轉化的系統軟件和儀器設備，開(kāi)拓學(xué)生視野、提升知識結構，培養學(xué)生綜合設計和創(chuàng )新能力。
三虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)成效
�。ㄒ唬┴S富實(shí)驗教學(xué)資源
通過(guò)發(fā)揮學(xué)校學(xué)科專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢，利用企業(yè)開(kāi)發(fā)實(shí)力和支持服務(wù)能力，充分整合學(xué)院信息化實(shí)驗教學(xué)資源，不斷轉化科研成果為虛擬仿真實(shí)驗項目，拓寬實(shí)驗項目的深度和廣度，石油工程虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心共構建了10門(mén)實(shí)驗課程，65個(gè)實(shí)驗項目，面向全校6個(gè)專(zhuān)業(yè)并對全校其他專(zhuān)業(yè)開(kāi)放，年平均實(shí)驗學(xué)生人數近1500人，年實(shí)驗人時(shí)數近30000（人時(shí)）。實(shí)驗開(kāi)出率達100%，綜合性、設計性和創(chuàng )新性實(shí)驗比例達到86.2%，引導學(xué)生自主學(xué)習、研究探索和設計創(chuàng )新。
�。ǘ┱虾凸蚕韮�(yōu)質(zhì)資源
虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心本著(zhù)“產(chǎn)、學(xué)、研”合作辦學(xué)理念，與多個(gè)油田企業(yè)建立校企聯(lián)合實(shí)驗室、實(shí)習基地，開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗項目的開(kāi)發(fā)與應用。為相關(guān)石油企業(yè)的職工技能培訓及應急處理實(shí)訓提供服務(wù)，承擔周邊兄弟院校實(shí)驗任務(wù)，作為社會(huì )公共教育共享資源，普及油氣鉆、采、輸的風(fēng)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�(zhuān)業(yè)建設水平
虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心依托石油工程專(zhuān)業(yè)國家級特色專(zhuān)業(yè)建設點(diǎn)、石油工程專(zhuān)業(yè)省級品牌專(zhuān)業(yè)建設、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(shí)驗室、教育部重點(diǎn)實(shí)驗室等，通過(guò)虛實(shí)結合的實(shí)驗教學(xué)資源，支撐了三門(mén)省級精品課程，三門(mén)校級精品課程。
�。ㄋ模┰鰪妱�(chuàng )新實(shí)踐能力
石油工程虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心重視培養學(xué)生創(chuàng )新實(shí)踐能力，已成為學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究和實(shí)踐創(chuàng )新的基地。近三年來(lái)中心指導學(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)訓練計劃項目30多項，獲得專(zhuān)利10多項，在國內外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文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、基礎扎實(shí)、動(dòng)手能力強，具有很強的工程實(shí)踐能力和創(chuàng )新能力”的好評，相關(guān)專(zhuān)業(yè)大學(xué)生就業(yè)率一直保持在96%以上。
四結語(yǔ)
石油工程虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心以培養學(xué)生工程實(shí)踐綜合素質(zhì)和創(chuàng )新能力為核心，構建了高度仿真的虛擬實(shí)驗項目，建立了“四結合、四模塊、三層次”的教學(xué)體系。虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)通過(guò)優(yōu)化整合實(shí)驗資源，工程實(shí)踐結合、科研成果轉化、學(xué)科前沿引入，拓展了實(shí)驗教學(xué)內容的深度和廣度，推動(dòng)了實(shí)驗教學(xué)改革與創(chuàng )新，培養了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng )新能力，提高了實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量。
參考文獻
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