高(gāo)中教學儀器(qì)廠(chǎng)家(jiā¥§$ )【自(zì)制(zhì)教學儀器(qì)設備】

　

摘　要(yào)

闡述了(le)我校(xiào)虛拟仿真平台建設情況，通(tōng)過建設豐富了(le)¶$£¶我校(xiào)石油工(gōng)程及相(xiàng)關專業(yèεε )虛拟仿真實驗教學資源，形成了(le)一(yī)套完整的(de)虛拟仿真✔δ實驗教學體(tǐ)系，探索出适用(yòng≤←→€)于虛拟仿真實驗教學的(de)教學新模式，對(duì)我校(xiào)的(de)石油與 ♦™天然氣工(gōng)程及相(xiàng)關專業(yè)本"™科(kē)實踐教學起到(dào)了(le)促進作(zuò)用(yòng)，推動 ←↕≤了(le)我校(xiào)的(de)實踐教學改革與發展。

關鍵詞

虛拟仿真實驗教學資源；教學體(tǐ)系；教學新模式

西(xī)南(nán)石油大(dà)學是(shì)新中&≤國(guó)創建的(de)第二所石油本科(kē)院校∏•(xiào)，建校(xiào)于1958年(nián)，經過↑€♦近(jìn)60年(nián)的(de)發展已成為(wèi)具有(yǒ <u)石油與天然氣特色、多(duō)學科(kē)協調發展的$ ✔ (de)教學研究型大(dà)學，并于2017年(nián)入選為(wèi)™₽$國(guó)家(jiā)首批雙一(yī)流學科(kē)建設高(gāo) ×校(xiào)。石油與天然氣工(gōng)程實驗教學中心是(shì)國(guó)家¥×(jiā)級實驗教學示範中心，油氣開(kāi)發虛拟仿真實£'驗教學中心是(shì)首批國(guó)家(jiā)級虛拟仿真實驗♣γ±λ教學中心。長(cháng)期以來(lái)，學校(xiào)高(gāo)度重視♦£(shì)實驗教學與信息化(huà)的(de)深度融合，大(dà)力加強虛拟仿↑✘真實驗教學中心建設工(gōng)作(zuò)，從(☆×✔cóng)相(xiàng)關政策和(hé)資‍↓§ 金(jīn)投入上(shàng)保障了(le)虛拟✘•π仿真實驗教學管理(lǐ)共享平台建設，優化(huà)了(le)虛拟仿真實驗教學中心管理(lǐ)☆✘★​體(tǐ)系，提升了(le)虛拟仿真實驗教學隊伍教學和(hé)管理(lǐ)能(néng)力。

一(yī)

虛拟仿真平台建設的(de)必要(yào)性

随著(zhe)油氣勘探開(kāi)發難度的(de)不(bù)斷增大(dà)，國(guó)際™$¶油氣資源競争日(rì)趨激烈，作(zuò)為(wèi)國(guó)家(πφjiā)的(de)戰略物(wù)資，加強油氣勘探開(kāi)發力度是(shì)确保社會(huì≤✔₹‍)經濟發展和(hé)國(guó)家(jiā)安全的(de)重要‌π(yào)任務之一(yī)。我校(xiào)作(zuò)為(wèi)國(¶δguó)家(jiā)石油與天然氣學科(kē)領±✘域專門(mén)技(jì)術(shù)人(rén)才培養♥☆≠₽的(de)重要(yào)基地(dì)，肩負著(zhe)為(→∑wèi)國(guó)家(jiā)能(néng)源戰略需要(yào)和(hé)區(qū)域經濟發展培↑•₹養應用(yòng)型和(hé)創新型人(rén)才的(de)光(guāng)榮使命。我 ‍"₩校(xiào)在石油與天然氣工(gōng)程相(xiàng)關專業(yè)人(π♥©rén)才培養中，迫切需要(yào)通(tōng)過虛拟仿真實驗教學資源的(de)開(kāi)發αα&®、研制(zhì)、應用(yòng)，以解決真實實驗不(bù)具備或難以完成的(de)γ"✔實驗教學任務。

二

虛拟仿真平台建設內(nèi)容

1.虛拟仿真實驗教學資源建設

針對(duì)人(rén)才能(néng)力培養需求，強化(hπ§λuà)虛拟仿真實踐教學環節，凸顯分(fēn)層次、✔₹ε模塊化(huà)、重基礎、強能(néng)力的(de)人(rén)才培養模式。

通(tōng)過虛拟仿真實驗系統，将油氣鑽、采、輸理(lǐ)論、工(gōng)藝原理(lǐ)與≠↓ 虛拟仿真技(jì)術(shù)進行(xíng)有(₩÷₽$yǒu)機(jī)結合，開(kāi)發多(duō)種類型的(de)虛拟仿真實驗系統和(hé)教Ωε&學資源，構建集基礎、綜合、創新實驗一(yī)體(tǐ)的(de)教☆&學層次分(fēn)明(míng)的(de)、課堂教學與實驗教學相(xiàng)互促進≈>的(de)三大(dà)類虛拟仿真系統，滿↓•★∏足石油與天然氣工(gōng)程相(xià♠®ng)關專業(yè)人(rén)才基本技(jì)能(§©φnéng)和(hé)實踐動手能(néng)力培養、考核及安全教育的(de)需要('↑yào)。

(1)基于半實物(wù)仿真的(de)系列 ‍<•仿真模拟操作(zuò)平台

通(tōng)過對(duì)作(zuò)業(yè)現(xiàn)場(chδ¶βǎng)的(de)高(gāo)度仿真模拟，即克服搭建大(dà)型實驗台架的(de)投資大(d↓≥≤à)、安全風(fēng)險大(dà)、消耗大(dà)的(de)局限，避開(kāi)現✔₩♦(xiàn)場(chǎng)可(kě)能(néng)的(de)高(gāo)溫、高(gāo)壓、腐蝕↓₩Ω和(hé)有(yǒu)毒環境，為(wèi)學生(shēng) ♦↔提供了(le)安全、可(kě)靠、內(nèi)容豐富的(de)實驗實訓環♥‍×境。

(2)基于三維嚴肅遊戲理(lǐ)論的(de)虛拟↓÷Ω•仿真操作(zuò)平台

為(wèi)了(le)滿足網絡化(huà)共享、多(duō)人(ré↕×‌n)協同作(zuò)業(yè)的(de)教學要(y∏εào)求。采用(yòng)嚴肅遊戲理(lǐ)論，基于油氣鑽采行(xíng)業(yè)γλ規範、現(xiàn)場(chǎng)操作(zuò)規程及經現(xiàn)場($∏'chǎng)實踐驗證過的(de)成熟的(de)理(lǐ≠¶≥≠)論計(jì)算(suàn)模型，以計(jì)算(suàn)機™←(jī)軟件(jiàn)技(jì)術(shù)為(wèi)核心，綜合應用(yòng)♠™計(jì)算(suàn)機(jī)三維圖形技(jì)術(shù)、計(jì)算(suàn¶✘•)機(jī)仿真技(jì)術(shù)、人(rén)機(jī)交互技(jì)術(shù)、多(<βduō)媒體(tǐ)技(jì)術(shù)、∏★≥↓網絡通(tōng)信、數(shù)據庫技(jì)術(shù)等，開(kāi)發了(l₽"₹e)可(kě)在PC機(jī)運行(xíng)的(de)虛拟仿真實驗實訓系統÷€♥。

系統在節約實物(wù)仿真系統的(de)硬件"↓(jiàn)成本同時(shí)，增加仿真實驗的(de)靈活性、趣味性和(hé)實驗人(rσ♠☆én)員(yuán)參與的(de)主動性。充分(fēn)γ§↕利用(yòng)網絡和(hé)計(jì)算(suàn)機(jī)資源，讓學生(shēng)自(>₩zì)主靈活選擇實驗時(shí)間(jiān)和(hé)地(d∏φ±₹ì)點，完成教學大(dà)綱規定的(de)理•∑≤(lǐ)論實驗和(hé)技(jì)能(néng)實踐，增加資源φ☆的(de)共享程度和(hé)受衆面。

(3)基于虛拟現(xiàn)實和(hé)工(gōng)程實際的(de)仿真操作(zuò)♥'​ 平台

借助于地(dì)質、鑽井、油藏及井筒測量等多(duō)學科(kē)的(de)曆史數(shù)據、£‍ε測量數(shù)據、工(gōng)程計(jì)算(suà≠₩£n)模型和(hé)世界先進的(de)CAE軟<↑ ε件(jiàn)仿真計(jì)算(suàn)數(shù)據，以三維可(kě)視(s≠£​hì)化(huà)和(hé)虛拟現(xiàn)實的(de)方式、 ↑σ将多(duō)學科(kē)的(de)異源、異構、不♠ ♥™(bù)同規模的(de)數(shù)據進行(x→ íng)有(yǒu)機(jī)融合，将無法看$"(kàn)到(dào)和(hé)無法進行(xíng)實物(wù)實驗的(de)數(shù®<)千米深的(de)地(dì)層狀況和(hé)數(shù)千米深、幾到(dào)十幾英寸直徑的(de✘€← )井筒狀況，以各學科(kē)和(hé)非專業(yè)人(rε✘≤én)員(yuán)都(dōu)能(néng)理(lǐ)解的(de)沉浸™↑式立體(tǐ)圖像、動畫(huà)展示，便于各學科(kē)人(rén)員(yuán)在解決實際工≈∞(gōng)程問(wèn)題時(shí)協同工(g♠σΩōng)作(zuò)和(hé)進行(xíα∞ng)技(jì)術(shù)交流。該平台可(kě)用(∞•$yòng)于石油與天然氣工(gōng)程相(xiàng)關專業(yèδ♠)本科(kē)生(shēng)、碩士生(shēng)、博士生(shēng)的(de)綜合應γ☆用(yòng)能(néng)力和(hé)創新能(néng)力的(d ↔©e)培養。

2.虛拟仿真實驗的(de)教學平台建設

針對(duì)石油與天然氣開(kāi)發領域的(de)工(gōng)♠‌≥程理(lǐ)論、工(gōng)藝特點、生(shēng)産制(zhì)度，結合石油與天然氣工(gō>'<ng)程相(xiàng)關專業(yè)人(rén)才培養要≠δ​(yào)求來(lái)設計(jì)油氣開(kāi)發虛拟仿€ ∏真實驗教學平台。教學平台具體(tǐ)功能(néng)、信息化(huà)設備、網絡與信息安全建&​ π設情況如(rú)下(xià)。

(1)分(fēn)層次培養學生(shēng)實踐能(néng)力

基于半實物(wù)仿真的(de)系列仿真模拟操作(zuò)平台主要(yào ☆Ω)承擔相(xiàng)關課程基礎實踐教學內(nèi)容，重點培養學生(shēng)對(✘≈duì)基本理(lǐ)論和(hé)技(jì)能(nén£✔ g)的(de)掌握。

基于三維嚴肅遊戲理(lǐ)論的(de)虛拟仿真操作(zuò)平台屬于綜合提高(gāo)平台，主↔ •要(yào)基于案例教學對(duì)培養學生(shē★€ng)的(de)動手能(néng)力和(hé)安全意識。

基于虛拟現(xiàn)實和(hé)工(gōng)程實際的(de)仿真操作←¥(zuò)和(hé)開(kāi)發平台将教學內(nèi)容與油田生(shēng)γ↕産實際緊密結合，開(kāi)展個(gè)性化(huà)的(de)創新實驗和(hé≈φ₽)設計(jì)研究，培養學生(shēng)實踐動手能(néng)力和(hé)探索創新↔₹φ©能(néng)力。

分(fēn)層次虛拟仿真實驗教學平台的(de)合理(lǐ)利用(yòng)，有(yǒu)效↓ ®γ地(dì)彌補常規實驗教學存在的(de)不(bù)足，實現(xiàn)理('γ∑lǐ)論教學、實驗實踐教學的(de)有(yǒu)機(jī)統一(yī)。

(2)實現(xiàn)宏觀模拟和(hé)微(wēi)觀仿真結合

對(duì)于石油與天然氣工(gōng)程α≠而言，宏觀仿真主要(yào)為(wèi)高(gāo)危險、高(gāo) ✘↕ 風(fēng)險以及高(gāo)成本的(de)油氣井鑽井工(gōng)程的(de)工("®gōng)藝過程的(de)虛拟仿真、油氣開(kāi)采與集輸工(gōng)藝過程虛拟仿真、海(≈σ•hǎi)洋鑽采輸工(gōng)藝過程虛拟仿真等。微(wēi)觀仿真主要(yào)為(wè<Ω₩i)在給定仿真對(duì)象真實的(de)物(wù)性參數(sh♠÷ù)和(hé)邊界條件(jiàn)下(xià)，對♠✘σ(duì)石油工(gōng)程中的(de)科(kē)學問(wèn)題進行(xíng)精細描述的(d×& e)真實仿真。

(3)再現(xiàn)複雜(zá)環境&nπ¶≤✘bsp;   重複教學內(nè→↓i)容

通(tōng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設備和(hé)環₩✔ <境的(de)再現(xiàn)模拟，實現(xiàn)大(dà)型裝"‌備、危險環境下(xià)實踐訓練的(de)可(kě)重複性操作(zuò)，提高(gāo)實α' ✘驗教學效果。

(4)交叉互動    多≠≥$♦(duō)人(rén)協作(zuò)

通(tōng)過虛拟仿真系統中的(de)互動功能(néng)，讓學生(shēng)在虛拟環境Ω¥≤₩中與計(jì)算(suàn)機(jī)進行(xínπ•g)交互。當有(yǒu)多(duō)個(g≠♣è)角色時(shí)，還(hái)可(kě)以實現(xiàn)在線多(duō)人(r&αén)協作(zuò)，以提高(gāo)學生(s••©hēng)學習(xí)興趣和(hé)團隊協作&↓(zuò)能(néng)力。

(5)科(kē)學評判實驗結果    客觀公正

在模拟仿真實驗教學系統中，通(tōng)過對(du​☆​ì)實驗人(rén)員(yuán)的(de)操作(zuò)情況進行(xíng)統計(jì)分(fē•'λn)析，為(wèi)實驗人(rén)員(yuán)提供正誤判斷與操作(zuò)≥★參考。對(duì)于具有(yǒu)微(wēi)觀或工(gōng)程數( ₩shù)值仿真的(de)資源，其計(jì)算(suàn)結果可(±÷φkě)直接體(tǐ)現(xiàn)實驗的(de)成♣βγ功或準确與否，并可(kě)自(zì)動評定實驗成績。

三

虛拟仿真平台建設成效

1.提升實踐教學效果

改變原有(yǒu)的(de)純軟件(jiàn)仿真模↑αλ拟教學，将全尺寸鑽井設備和(hé)半實物(wù♥€)半虛拟的(de)鑽井井控模拟器(qì)(見(j★÷±↓iàn)圖1、圖2)應用(yòng)于本科(kē)實踐教">←學，讓實踐教學更具真實感，提高(gāo)教學效果。

圖1    學生(shēng)正在完成正常起下(xià)β↑'鑽操作(zuò)

圖2    位于校(xiào)內(nè↔₽i)實訓基地(dì)的(de)真實鑽機(jī)

2.促進教學改革和(hé)課程建設

通(tōng)過虛拟仿真平台建設，進一(yī)步完善了(le)教學內(nèi)容，豐富了(le'‍σ​)教學資源。比如(rú)以鑽井工(gōng)±&程仿真模拟系統的(de)實踐教學應用(yòng)為(wè☆β<i)基礎，又(yòu)新建了(le)針對(duì)油氣儲運•β>專業(yè)的(de)油氣集輸仿真模拟系統、針對(duì)海(hǎi)洋石油工(gōng)程專∏&☆業(yè)的(de)海(hǎi)上(shà↑★β↔ng)平台仿真模拟系統、針對(duì)石油工(gōng)程專業(yè)的(de)油氣↑∞≤∑開(kāi)采仿真模拟系統和(hé)多(duō)個(gè)專業(yè)共享的(de)虛拟仿真軟件(λ♣±πjiàn)機(jī)房(fáng)(見(jiàn)圖3～圖6)，從(cóng•β)而進一(yī)步豐富了(le)我校(xiào)石油工(gō&σ≈ng)程及相(xiàng)關專業(yè)的(de)實踐教學內(nèi)容，同時(£₽€'shí)，也(yě)促進了(le)我校(xiào)油氣開(k∞×​βāi)發國(guó)家(jiā)級虛拟仿真實驗教學中心的(d←‍•e)建設。

圖3    新建的(de)油氣集輸仿真模拟系統

圖4    新建的(de)油氣開(kāi)采仿☆'≠真模拟系統

圖5    新建的(de)海(hǎi)上(shàng)平台仿真模拟系統

圖6    基于VR技(jì)術(shù)的(de)海(hǎi)洋鑽井¥¥•★平台仿真模拟系統

3.實驗隊伍能(néng)力顯著提升

随著(zhe)虛拟仿真平台建設的(de)加‍™•≠強，對(duì)實驗隊伍自(zì)身(shēn)的(de)教學能(néng)力 ≈¶©、創新能(néng)力都(dōu)有(yǒu)了(le∏× )更高(gāo)的(de)要(yào)求。近(jìn)兩年(nián)的(de)實驗隊伍通(tō₹"ng)過外(wài)出學習(xí)交流培訓、設備(軟件(jiàn))自(zì)研、參與✘β¥ 各種比賽等多(duō)種形式，使得(de)他(tā)們在實踐教學、課程內(n ​£èi)容更新、實驗設備更新等方面的(de)業(yè)務能(néng)力有(yǒu)了(l≈↑e)顯著的(de)提升。近(jìn)兩年(nián)申報(bào)校(xiào)級自(zì)研設備€ 23個(gè)項目(含3個(gè)虛拟仿真軟件(jiàn)開(kāi)發項目)，其中有(↕∏$yǒu)3項自(zì)研設備在第四屆全國(guó)高(gāo)等學校(xi §✘¶ào)自(zì)制(zhì)實驗教學儀器(qì)設備評≈®​選活動分(fēn)别獲得(de)一(yī)、₩σ 二、三等獎；有(yǒu)1個(gè)教學< π資源獲得(de)2016年(nián)高(gāo)等學校™♣(xiào)虛拟仿真實驗教學資源建設成果二等獎；有(yǒu)3個(↑&gè)自(zì)研設備在西(xī)南(nán)石油大(dà)學2013—2©$∑016年(nián)實驗技(jì)術(shù)<≠≥成果獎評選中分(fēn)獲特等獎、一(yīβ$)等獎和(hé)二等獎。

4.增強了(le)示範輻射作(zuò)用(yòng)

作(zuò)為(wèi)國(guó)家(jiā)級實驗教學示範中心和(h↑≈&é)國(guó)家(jiā)級虛拟仿真實驗教學中心，教學資源的(de)共享和(hé)中↓¥≤€心的(de)示範引領作(zuò)用(yòng)是(shì)建設的(de)重要•×(yào)指标之一(yī)。我校(xià→☆≥o)現(xiàn)有(yǒu)成熟的(de)教學φ‍• 設備和(hé)教學資源也(yě)吸引了(le)兄弟(dì)院校(xià♥ o)、國(guó)內(nèi)外(wài)企&✘₽Ω業(yè)、中小(xiǎo)學生(shēng)前來(lái)參觀、考察&λ和(hé)學習(xí)，為(wèi)示範輻射作(zuò)用(yòng)起到(d♣"λào)了(le)重要(yào)支撐作(z$'"±uò)用(yòng)。

四

結語

随著(zhe)國(guó)家(jiā)對(dε¥$εuì)高(gāo)等學校(xiào)人(rén)才培養要↔§×₹(yào)求的(de)進一(yī)步提高(gāo)，我校(xiào)将以雙一ε←(yī)流學科(kē)建設為(wèi)契機(jī)，堅持人(rén)←§✘才質量觀，注重培養學生(shēng)創新能(néng)力和(hé)綜合實踐能(néλ≠¶‍ng)力，形成以學生(shēng)為(wèi)主體(☆ε♣∞tǐ)，以教師(shī)為(wèi)主導，實踐教學與理(lǐ)論教↓©¶σ學并重，室內(nèi)實驗與礦場(chǎng)實踐并舉αεσ，以培養學生(shēng)的(de)探索精神、科(kē)學素養、實踐能(né₽δ∞ng)力、創新能(néng)力為(wèi)目标，傳承石油精神，培養适♣≈ 應國(guó)內(nèi)外(wài)石油發展的(de)石油工(gōng)業(♠♥✔yè)專門(mén)人(rén)才。

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作(zuò)者簡介：王其軍，工(gōng)學學士，高(gā♠₽∏o)級實驗師(shī)；王琨，工(gōng)學學士，高(gāo)級實驗師(s✔★hī)；呂棟梁，工(gōng)學碩士，高(gāo)​£←£級實驗師(shī)；王永友(yǒu)，工(gōng)學碩士，實驗師(s$♣hī)。西(xī)南(nán)石油大(dà)學石油與天然氣工(gōng)程學院，61050$φ0。

聲明(míng)：封面及文(wén)中圖表由作(zu↕¥≠↓ò)者本人(rén)提供，非經授權，不(bù)得(de)使用(yòng) ←§γ。

原文(wén)刊載于《中國(guó)現(xiàn)代教育裝備》雜(zá)志(zhì)2021 ♠ 年(nián)第7期。

責任編輯| 孔潇藝

審核| 肇啓龍

發布| 張鑫

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