摘　要

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

關鍵詞

虛擬仿真實驗教學資源；教學體系；教學新模式

西南石油大學是新中國創(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、多學科協(xié)調(diào)發(fā)展的教學研究型大學，并于2017年入選為國家首批雙一流學科建設高校。石油與天然氣工程實驗教學中心是國家級實驗教學示范中心，油氣開發(fā)虛擬仿真實驗教學中心是首批國家級虛擬仿真實驗教學中心。長期以來，學校高度重視實驗教學與信息化的深度融合，大力加強虛擬仿真實驗教學中心建設工作，從相關政策和資金投入上保障了虛擬仿真實驗教學管理共享平臺建設，優(yōu)化了虛擬仿真實驗教學中心管理體系，提升了虛擬仿真實驗教學隊伍教學和管理能力。

一

虛擬仿真平臺建設的必要性

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之一。我校作為國家石油與天然氣學科領域?qū)ｉT技術(shù)人才培養(yǎng)的重要基地，肩負著為國家能源戰(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專業(yè)人才培養(yǎng)中，迫切需要通過虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)、研制、應用，以解決真實實驗不具備或難以完成的實驗教學任務。

二

虛擬仿真平臺建設內(nèi)容

1.虛擬仿真實驗教學資源建設

針對人才能力培養(yǎng)需求，強化虛擬仿真實踐教學環(huán)節(jié)，凸顯分層次、模塊化、重基礎、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)和教學資源，構(gòu)建集基礎、綜合、創(chuàng)新實驗一體的教學層次分明的、課堂教學與實驗教學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，為學生提供了安全、可靠、內(nèi)容豐富的實驗實訓環(huán)境。

(2)基于三維嚴肅游戲理論的虛擬仿真操作平臺

為了滿足網(wǎng)絡化共享、多人協(xié)同作業(yè)的教學要求。采用嚴肅游戲理論，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)絡和計算機資源，讓學生自主靈活選擇實驗時間和地點，完成教學大綱規(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專業(yè)本科生、碩士生、博士生的綜合應用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.虛擬仿真實驗的教學平臺建設

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

(1)分層次培養(yǎng)學生實踐能力

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

基于三維嚴肅游戲理論的虛擬仿真操作平臺屬于綜合提高平臺，主要基于案例教學對培養(yǎng)學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)新實驗和設計研究，培養(yǎng)學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平臺的合理利用，有效地彌補常規(guī)實驗教學存在的不足，實現(xiàn)理論教學、實驗實踐教學的有機統(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問題進行精細描述的真實仿真。

(3)再現(xiàn)復雜環(huán)境    重復教學內(nèi)容

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

(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，讓學生在虛擬環(huán)境中與計算機進行交互。當有多個角色時，還可以實現(xiàn)在線多人協(xié)作，以提高學生學習興趣和團隊協(xié)作能力。

(5)科學評判實驗結(jié)果    客觀公正

在模擬仿真實驗教學系統(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)實驗的成功或準確與否，并可自動評定實驗成績。

三

虛擬仿真平臺建設成效

1.提升實踐教學效果

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

圖1    學生正在完成正常起下鉆操作

圖2    位于校內(nèi)實訓基地的真實鉆機

2.促進教學改革和課程建設

通過虛擬仿真平臺建設，進一步完善了教學內(nèi)容，豐富了教學資源。比如以鉆井工程仿真模擬系統(tǒng)的實踐教學應用為基礎，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專業(yè)的實踐教學內(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中心的建設。

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的加強，對實驗隊伍自身的教學能力、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習交流培訓、設備(軟件)自研、參與各種比賽等多種形式，使得他們在實踐教學、課程內(nèi)容更新、實驗設備更新等方面的業(yè)務能力有了顯著的提升。近兩年申報校級自研設備23個項目(含3個虛擬仿真軟件開發(fā)項目)，其中有3項自研設備在第四屆全國高等學校自制實驗教學儀器設備評選活動分別獲得一、二、三等獎；有1個教學資源獲得2016年高等學校虛擬仿真實驗教學資源建設成果二等獎；有3個自研設備在西南石油大學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示范中心和國家級虛擬仿真實驗教學中心，教學資源的共享和中心的示范引領作用是建設的重要指標之一。我校現(xiàn)有成熟的教學設備和教學資源也吸引了兄弟院校、國內(nèi)外企業(yè)、中小學生前來參觀、考察和學習，為示范輻射作用起到了重要支撐作用。

四

結(jié)語

隨著國家對高等學校人才培養(yǎng)要求的進一步提高，我校將以雙一流學科建設為契機，堅持人才質(zhì)量觀，注重培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和綜合實踐能力，形成以學生為主體，以教師為主導，實踐教學與理論教學并重，室內(nèi)實驗與礦場實踐并舉，以培養(yǎng)學生的探索精神、科學素養(yǎng)、實踐能力、創(chuàng)新能力為目標，傳承石油精神，培養(yǎng)適應國內(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，工學學士，高級實驗師；王琨，工學學士，高級實驗師；呂棟梁，工學碩士，高級實驗師；王永友，工學碩士，實驗師。西南石油大學石油與天然氣工程學院，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。

責任編輯| 孔瀟藝

審核| 肇啟龍

發(fā)布| 張鑫

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