摘　要

闡述了我校虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)情況，通過(guò)建設(shè)豐富了我校石油工程及相關(guān)專(zhuān)業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，形成了一套完整的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，探索出適用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)新模式，對(duì)我校的石油與天然氣工程及相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科實(shí)踐教學(xué)起到了促進(jìn)作用，推動(dòng)了我校的實(shí)踐教學(xué)改革與發(fā)展。

關(guān)鍵詞

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(guó)創(chuàng)建的第二所石油本科院校，建校于1958年，經(jīng)過(guò)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(guó)家首批雙一流學(xué)科建設(shè)高校。石油與天然氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，油氣開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是首批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)校高度重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息化的深度融合，大力加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)管理共享平臺(tái)建設(shè)，優(yōu)化了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理體系，提升了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍教學(xué)和管理能力。

一

虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)的必要性

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)難度的不斷增大，國(guó)際油氣資源競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，作為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，加強(qiáng)油氣勘探開(kāi)發(fā)力度是確保社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全的重要任務(wù)之一。我校作為國(guó)家石油與天然氣學(xué)科領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)技術(shù)人才培養(yǎng)的重要基地，肩負(fù)著為國(guó)家能源戰(zhàn)略需要和區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)中，迫切需要通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)、研制、應(yīng)用，以解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。

二

虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

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

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將油氣鉆、采、輸理論、工藝原理與虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，開(kāi)發(fā)多種類(lèi)型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和教學(xué)資源，構(gòu)建集基礎(chǔ)、綜合、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)一體的教學(xué)層次分明的、課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互促進(jìn)的三大類(lèi)虛擬仿真系統(tǒng)，滿(mǎn)足石油與天然氣工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才基本技能和實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)、考核及安全教育的需要。

(1)基于半實(shí)物仿真的系列仿真模擬操作平臺(tái)

通過(guò)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高度仿真模擬，即克服搭建大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的投資大、安全風(fēng)險(xiǎn)大、消耗大的局限，避開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)實(shí)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(tái)

為了滿(mǎn)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(chǎng)操作規(guī)程及經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證過(guò)的成熟的理論計(jì)算模型，以計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)為核心，綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，開(kāi)發(fā)了可在PC機(jī)運(yùn)行的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

系統(tǒng)在節(jié)約實(shí)物仿真系統(tǒng)的硬件成本同時(shí)，增加仿真實(shí)驗(yàn)的靈活性、趣味性和實(shí)驗(yàn)人員參與的主動(dòng)性。充分利用網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)資源，讓學(xué)生自主靈活選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)，完成教學(xué)大綱規(guī)定的理論實(shí)驗(yàn)和技能實(shí)踐，增加資源的共享程度和受眾面。

(3)基于虛擬現(xiàn)實(shí)和工程實(shí)際的仿真操作平臺(tái)

借助于地質(zhì)、鉆井、油藏及井筒測(cè)量等多學(xué)科的歷史數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、工程計(jì)算模型和世界先進(jìn)的CAE軟件仿真計(jì)算數(shù)據(jù)，以三維可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)行有機(jī)融合，將無(wú)法看到和無(wú)法進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)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(zhuān)業(yè)人員都能理解的沉浸式立體圖像、動(dòng)畫(huà)展示，便于各學(xué)科人員在解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)協(xié)同工作和進(jìn)行技術(shù)交流。該平臺(tái)可用于石油與天然氣工程相關(guān)專(zhuān)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(shí)驗(yàn)的教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

針對(duì)石油與天然氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的工程理論、工藝特點(diǎn)、生產(chǎn)制度，結(jié)合石油與天然氣工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)要求來(lái)設(shè)計(jì)油氣開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。教學(xué)平臺(tái)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(shí)踐能力

基于半實(shí)物仿真的系列仿真模擬操作平臺(tái)主要承擔(dān)相關(guān)課程基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)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(tái)屬于綜合提高平臺(tái)，主要基于案例教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和安全意識(shí)。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)和工程實(shí)際的仿真操作和開(kāi)發(fā)平臺(tái)將教學(xué)內(nèi)容與油田生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合，開(kāi)展個(gè)性化的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)研究，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和探索創(chuàng)新能力。

分層次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的合理利用，有效地彌補(bǔ)常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一。

(2)實(shí)現(xiàn)宏觀(guān)模擬和微觀(guān)仿真結(jié)合

對(duì)于石油與天然氣工程而言，宏觀(guān)仿真主要為高危險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)以及高成本的油氣井鉆井工程的工藝過(guò)程的虛擬仿真、油氣開(kāi)采與集輸工藝過(guò)程虛擬仿真、海洋鉆采輸工藝過(guò)程虛擬仿真等。微觀(guān)仿真主要為在給定仿真對(duì)象真實(shí)的物性參數(shù)和邊界條件下，對(duì)石油工程中的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行精細(xì)描述的真實(shí)仿真。

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

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和環(huán)境的再現(xiàn)模擬，實(shí)現(xiàn)大型裝備、危險(xiǎn)環(huán)境下實(shí)踐訓(xùn)練的可重復(fù)性操作，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

(4)交叉互動(dòng)    多人協(xié)作

通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)中的互動(dòng)功能，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。當(dāng)有多個(gè)角色時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)多人協(xié)作，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

(5)科學(xué)評(píng)判實(shí)驗(yàn)結(jié)果    客觀(guān)公正

在模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的操作情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為實(shí)驗(yàn)人員提供正誤判斷與操作參考。對(duì)于具有微觀(guān)或工程數(shù)值仿真的資源，其計(jì)算結(jié)果可直接體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的成功或準(zhǔn)確與否，并可自動(dòng)評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

三

虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)成效

1.提升實(shí)踐教學(xué)效果

改變?cè)械募冘浖抡婺M教學(xué)，將全尺寸鉆井設(shè)備和半實(shí)物半虛擬的鉆井井控模擬器(見(jiàn)圖1、圖2)應(yīng)用于本科實(shí)踐教學(xué)，讓實(shí)踐教學(xué)更具真實(shí)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(shí)訓(xùn)基地的真實(shí)鉆機(jī)

2.促進(jìn)教學(xué)改革和課程建設(shè)

通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)，進(jìn)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(shí)踐教學(xué)應(yīng)用為基礎(chǔ)，又新建了針對(duì)油氣儲(chǔ)運(yùn)專(zhuān)業(yè)的油氣集輸仿真模擬系統(tǒng)、針對(duì)海洋石油工程專(zhuān)業(yè)的海上平臺(tái)仿真模擬系統(tǒng)、針對(duì)石油工程專(zhuān)業(yè)的油氣開(kāi)采仿真模擬系統(tǒng)和多個(gè)專(zhuān)業(yè)共享的虛擬仿真軟件機(jī)房(見(jiàn)圖3～圖6)，從而進(jìn)一步豐富了我校石油工程及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)，也促進(jìn)了我校油氣開(kāi)發(fā)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(kāi)采仿真模擬系統(tǒng)

圖5    新建的海上平臺(tái)仿真模擬系統(tǒng)

圖6    基于VR技術(shù)的海洋鉆井平臺(tái)仿真模擬系統(tǒng)

3.實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍能力顯著提升

隨著虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)的加強(qiáng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)隊(duì)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(shí)驗(yàn)隊(duì)伍通過(guò)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?cè)趯?shí)踐教學(xué)、課程內(nèi)容更新、實(shí)驗(yàn)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(bào)校級(jí)自研設(shè)備23個(gè)項(xiàng)目(含3個(gè)虛擬仿真軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目)，其中有3項(xiàng)自研設(shè)備在第四屆全國(guó)高等學(xué)校自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備評(píng)選活動(dòng)分別獲得一、二、三等獎(jiǎng)；有1個(gè)教學(xué)資源獲得2016年高等學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)成果二等獎(jiǎng)；有3個(gè)自研設(shè)備在西南石油大學(xué)2013—2016年實(shí)驗(yàn)技術(shù)成果獎(jiǎng)評(píng)選中分獲特等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)。

4.增強(qiáng)了示范輻射作用

作為國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)外企業(yè)、中小學(xué)生前來(lái)參觀(guān)、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(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)高等學(xué)校人才培養(yǎng)要求的進(jìn)一步提高，我校將以雙一流學(xué)科建設(shè)為契機(jī)，堅(jiān)持人才質(zhì)量觀(guān)，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合實(shí)踐能力，形成以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)并重，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與礦場(chǎng)實(shí)踐并舉，以培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)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(guó)內(nèi)外石油發(fā)展的石油工業(yè)專(zhuān)門(mén)人才。

參考文獻(xiàn)

[1]周世杰,吉家成,王華.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育,2015(9):5-11.

[2]王煌.高水平建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量[J].中國(guó)高等教育,2009(6):17-19.

[3]李春艷,易燁.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[J].中國(guó)管理信息化,2014(24):114-115.

[4]李平,毛昌杰,徐進(jìn).開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(11):5-8.

[5]王維國(guó).虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,12(32):5-8.

[6]劉瓊,何潔凝,龍?zhí)斐?等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室對(duì)教學(xué)的作用研究[J].中國(guó)教育學(xué)刊,2015(11):318-319.

[7]田杰,張民.探究網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,31(4):262-270.

[8]蒲丹,周舟,任安杰,等.多層次綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)經(jīng)驗(yàn)初探[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,3(31):5-8,16.

[9]劉亞豐,余龍江.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)理念及發(fā)展模式探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(4):108-110,114.

[10]王振彪,杜偉勝.實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)化是示范中心建設(shè)的必要條件[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006,23(7):91-92.

[11]侯林,賈麗君.虛擬網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2013,11(6):227-230.

作者簡(jiǎn)介：王其軍，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師；王琨，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師；呂棟梁，工學(xué)碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師；王永友，工學(xué)碩士，實(shí)驗(yàn)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(guó)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

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