摘　要

闡述了我校虛擬仿真平臺建設(shè)情況，通過建設(shè)豐富了我校石油工程及相關(guān)專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)資源，形成了一套完整的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，探索出適用于虛擬仿真實驗教學(xué)的教學(xué)新模式，對我校的石油與天然氣工程及相關(guān)專業(yè)本科實踐教學(xué)起到了促進作用，推動了我校的實踐教學(xué)改革與發(fā)展。

關(guān)鍵詞

虛擬仿真實驗教學(xué)資源；教學(xué)體系；教學(xué)新模式

西南石油大學(xué)是新中國創(chuàng)建的第二所石油本科院校，建校于1958年，經(jīng)過近60年的發(fā)展已成為具有石油與天然氣特色、多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的教學(xué)研究型大學(xué)，并于2017年入選為國家首批雙一流學(xué)科建設(shè)高校。石油與天然氣工程實驗教學(xué)中心是國家級實驗教學(xué)示范中心，油氣開發(fā)虛擬仿真實驗教學(xué)中心是首批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。長期以來，學(xué)校高度重視實驗教學(xué)與信息化的深度融合，大力加強虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作，從相關(guān)政策和資金投入上保障了虛擬仿真實驗教學(xué)管理共享平臺建設(shè)，優(yōu)化了虛擬仿真實驗教學(xué)中心管理體系，提升了虛擬仿真實驗教學(xué)隊伍教學(xué)和管理能力。

一

虛擬仿真平臺建設(shè)的必要性

隨著油氣勘探開發(fā)難度的不斷增大，國際油氣資源競爭日趨激烈，作為國家的戰(zhàn)略物資，加強油氣勘探開發(fā)力度是確保社會經(jīng)濟發(fā)展和國家安全的重要任務(wù)之一。我校作為國家石油與天然氣學(xué)科領(lǐng)域?qū)ｉT技術(shù)人才培養(yǎng)的重要基地，肩負(fù)著為國家能源戰(zhàn)略需要和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才的光榮使命。我校在石油與天然氣工程相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)中，迫切需要通過虛擬仿真實驗教學(xué)資源的開發(fā)、研制、應(yīng)用，以解決真實實驗不具備或難以完成的實驗教學(xué)任務(wù)。

二

虛擬仿真平臺建設(shè)內(nèi)容

1.虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)

針對人才能力培養(yǎng)需求，強化虛擬仿真實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，凸顯分層次、模塊化、重基礎(chǔ)、強能力的人才培養(yǎng)模式。

通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)，將油氣鉆、采、輸理論、工藝原理與虛擬仿真技術(shù)進行有機結(jié)合，開發(fā)多種類型的虛擬仿真實驗系統(tǒng)和教學(xué)資源，構(gòu)建集基礎(chǔ)、綜合、創(chuàng)新實驗一體的教學(xué)層次分明的、課堂教學(xué)與實驗教學(xué)相互促進的三大類虛擬仿真系統(tǒng)，滿足石油與天然氣工程相關(guān)專業(yè)人才基本技能和實踐動手能力培養(yǎng)、考核及安全教育的需要。

(1)基于半實物仿真的系列仿真模擬操作平臺

通過對作業(yè)現(xiàn)場的高度仿真模擬，即克服搭建大型實驗臺架的投資大、安全風(fēng)險大、消耗大的局限，避開現(xiàn)場可能的高溫、高壓、腐蝕和有毒環(huán)境，為學(xué)生提供了安全、可靠、內(nèi)容豐富的實驗實訓(xùn)環(huán)境。

(2)基于三維嚴(yán)肅游戲理論的虛擬仿真操作平臺

為了滿足網(wǎng)絡(luò)化共享、多人協(xié)同作業(yè)的教學(xué)要求。采用嚴(yán)肅游戲理論，基于油氣鉆采行業(yè)規(guī)范、現(xiàn)場操作規(guī)程及經(jīng)現(xiàn)場實踐驗證過的成熟的理論計算模型，以計算機軟件技術(shù)為核心，綜合應(yīng)用計算機三維圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人機交互技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，開發(fā)了可在PC機運行的虛擬仿真實驗實訓(xùn)系統(tǒng)。

系統(tǒng)在節(jié)約實物仿真系統(tǒng)的硬件成本同時，增加仿真實驗的靈活性、趣味性和實驗人員參與的主動性。充分利用網(wǎng)絡(luò)和計算機資源，讓學(xué)生自主靈活選擇實驗時間和地點，完成教學(xué)大綱規(guī)定的理論實驗和技能實踐，增加資源的共享程度和受眾面。

(3)基于虛擬現(xiàn)實和工程實際的仿真操作平臺

借助于地質(zhì)、鉆井、油藏及井筒測量等多學(xué)科的歷史數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、工程計算模型和世界先進的CAE軟件仿真計算數(shù)據(jù)，以三維可視化和虛擬現(xiàn)實的方式、將多學(xué)科的異源、異構(gòu)、不同規(guī)模的數(shù)據(jù)進行有機融合，將無法看到和無法進行實物實驗的數(shù)千米深的地層狀況和數(shù)千米深、幾到十幾英寸直徑的井筒狀況，以各學(xué)科和非專業(yè)人員都能理解的沉浸式立體圖像、動畫展示，便于各學(xué)科人員在解決實際工程問題時協(xié)同工作和進行技術(shù)交流。該平臺可用于石油與天然氣工程相關(guān)專業(yè)本科生、碩士生、博士生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.虛擬仿真實驗的教學(xué)平臺建設(shè)

針對石油與天然氣開發(fā)領(lǐng)域的工程理論、工藝特點、生產(chǎn)制度，結(jié)合石油與天然氣工程相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)要求來設(shè)計油氣開發(fā)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。教學(xué)平臺具體功能、信息化設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)與信息安全建設(shè)情況如下。

(1)分層次培養(yǎng)學(xué)生實踐能力

基于半實物仿真的系列仿真模擬操作平臺主要承擔(dān)相關(guān)課程基礎(chǔ)實踐教學(xué)內(nèi)容，重點培養(yǎng)學(xué)生對基本理論和技能的掌握。

基于三維嚴(yán)肅游戲理論的虛擬仿真操作平臺屬于綜合提高平臺，主要基于案例教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和安全意識。

基于虛擬現(xiàn)實和工程實際的仿真操作和開發(fā)平臺將教學(xué)內(nèi)容與油田生產(chǎn)實際緊密結(jié)合，開展個性化的創(chuàng)新實驗和設(shè)計研究，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和探索創(chuàng)新能力。

分層次虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的合理利用，有效地彌補常規(guī)實驗教學(xué)存在的不足，實現(xiàn)理論教學(xué)、實驗實踐教學(xué)的有機統(tǒng)一。

(2)實現(xiàn)宏觀模擬和微觀仿真結(jié)合

對于石油與天然氣工程而言，宏觀仿真主要為高危險、高風(fēng)險以及高成本的油氣井鉆井工程的工藝過程的虛擬仿真、油氣開采與集輸工藝過程虛擬仿真、海洋鉆采輸工藝過程虛擬仿真等。微觀仿真主要為在給定仿真對象真實的物性參數(shù)和邊界條件下，對石油工程中的科學(xué)問題進行精細(xì)描述的真實仿真。

(3)再現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境    重復(fù)教學(xué)內(nèi)容

通過對現(xiàn)場設(shè)備和環(huán)境的再現(xiàn)模擬，實現(xiàn)大型裝備、危險環(huán)境下實踐訓(xùn)練的可重復(fù)性操作，提高實驗教學(xué)效果。

(4)交叉互動    多人協(xié)作

通過虛擬仿真系統(tǒng)中的互動功能，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中與計算機進行交互。當(dāng)有多個角色時，還可以實現(xiàn)在線多人協(xié)作，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和團隊協(xié)作能力。

(5)科學(xué)評判實驗結(jié)果    客觀公正

在模擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)中，通過對實驗人員的操作情況進行統(tǒng)計分析，為實驗人員提供正誤判斷與操作參考。對于具有微觀或工程數(shù)值仿真的資源，其計算結(jié)果可直接體現(xiàn)實驗的成功或準(zhǔn)確與否，并可自動評定實驗成績。

三

虛擬仿真平臺建設(shè)成效

1.提升實踐教學(xué)效果

改變原有的純軟件仿真模擬教學(xué)，將全尺寸鉆井設(shè)備和半實物半虛擬的鉆井井控模擬器(見圖1、圖2)應(yīng)用于本科實踐教學(xué)，讓實踐教學(xué)更具真實感，提高教學(xué)效果。

圖1    學(xué)生正在完成正常起下鉆操作

圖2    位于校內(nèi)實訓(xùn)基地的真實鉆機

2.促進教學(xué)改革和課程建設(shè)

通過虛擬仿真平臺建設(shè)，進一步完善了教學(xué)內(nèi)容，豐富了教學(xué)資源。比如以鉆井工程仿真模擬系統(tǒng)的實踐教學(xué)應(yīng)用為基礎(chǔ)，又新建了針對油氣儲運專業(yè)的油氣集輸仿真模擬系統(tǒng)、針對海洋石油工程專業(yè)的海上平臺仿真模擬系統(tǒng)、針對石油工程專業(yè)的油氣開采仿真模擬系統(tǒng)和多個專業(yè)共享的虛擬仿真軟件機房(見圖3～圖6)，從而進一步豐富了我校石油工程及相關(guān)專業(yè)的實踐教學(xué)內(nèi)容，同時，也促進了我校油氣開發(fā)國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)。

圖3    新建的油氣集輸仿真模擬系統(tǒng)

圖4    新建的油氣開采仿真模擬系統(tǒng)

圖5    新建的海上平臺仿真模擬系統(tǒng)

圖6    基于VR技術(shù)的海洋鉆井平臺仿真模擬系統(tǒng)

3.實驗隊伍能力顯著提升

隨著虛擬仿真平臺建設(shè)的加強，對實驗隊伍自身的教學(xué)能力、創(chuàng)新能力都有了更高的要求。近兩年的實驗隊伍通過外出學(xué)習(xí)交流培訓(xùn)、設(shè)備(軟件)自研、參與各種比賽等多種形式，使得他們在實踐教學(xué)、課程內(nèi)容更新、實驗設(shè)備更新等方面的業(yè)務(wù)能力有了顯著的提升。近兩年申報校級自研設(shè)備23個項目(含3個虛擬仿真軟件開發(fā)項目)，其中有3項自研設(shè)備在第四屆全國高等學(xué)校自制實驗教學(xué)儀器設(shè)備評選活動分別獲得一、二、三等獎；有1個教學(xué)資源獲得2016年高等學(xué)校虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)成果二等獎；有3個自研設(shè)備在西南石油大學(xué)2013—2016年實驗技術(shù)成果獎評選中分獲特等獎、一等獎和二等獎。

4.增強了示范輻射作用

作為國家級實驗教學(xué)示范中心和國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，教學(xué)資源的共享和中心的示范引領(lǐng)作用是建設(shè)的重要指標(biāo)之一。我?，F(xiàn)有成熟的教學(xué)設(shè)備和教學(xué)資源也吸引了兄弟院校、國內(nèi)外企業(yè)、中小學(xué)生前來參觀、考察和學(xué)習(xí)，為示范輻射作用起到了重要支撐作用。

四

結(jié)語

隨著國家對高等學(xué)校人才培養(yǎng)要求的進一步提高，我校將以雙一流學(xué)科建設(shè)為契機，堅持人才質(zhì)量觀，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合實踐能力，形成以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，實踐教學(xué)與理論教學(xué)并重，室內(nèi)實驗與礦場實踐并舉，以培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、科學(xué)素養(yǎng)、實踐能力、創(chuàng)新能力為目標(biāo)，傳承石油精神，培養(yǎng)適應(yīng)國內(nèi)外石油發(fā)展的石油工業(yè)專門人才。

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作者簡介：王其軍，工學(xué)學(xué)士，高級實驗師；王琨，工學(xué)學(xué)士，高級實驗師；呂棟梁，工學(xué)碩士，高級實驗師；王永友，工學(xué)碩士，實驗師。西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，610500。

聲明：封面及文中圖表由作者本人提供，非經(jīng)授權(quán)，不得使用。

原文刊載于《中國現(xiàn)代教育裝備》雜志2021年第7期。

責(zé)任編輯| 孔瀟藝

審核| 肇啟龍

發(fā)布| 張鑫

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