技术文章

高中教学仪器厂家【自制教学仪器设备】

时间：2022-06-20 10:33:00 点击次数：393

摘　要

阐述了我校虚拟仿真平台建设情况，通过建设丰富了我校石油工程及相关专业虚拟仿真实验教学资源，形成了一套完整的虚拟仿真实验教学体系，探索出适用于虚拟仿真实验教学的教学新模式，对我校的石油与天然气工程及相关专业本科实践教学起到了促进作用，推动了我校的实践教学改革与发展。

关键词

虚拟仿真实验教学资源；教学体系；教学新模式

西南石油大学是新中国创建的第二所石油本科院校，建校于1958年，经过近60年的发展已成为具有石油与天然气特色、多学科协调发展的教学研究型大学，并于2017年入选为国家首批双一流学科建设高校。石油与天然气工程实验教学中心是国家级实验教学示范中心，油气开发虚拟仿真实验教学中心是首批国家级虚拟仿真实验教学中心。长期以来，学校高度重视实验教学与信息化的深度融合，大力加强虚拟仿真实验教学中心建设工作，从相关政策和资金投入上保障了虚拟仿真实验教学管理共享平台建设，优化了虚拟仿真实验教学中心管理体系，提升了虚拟仿真实验教学队伍教学和管理能力。

一

虚拟仿真平台建设的必要性

随着油气勘探开发难度的不断增大，国际油气资源竞争日趋激烈，作为国家的战略物资，加强油气勘探开发力度是确保社会经济发展和国家安全的重要任务之一。我校作为国家石油与天然气学科领域专门技术人才培养的重要基地，肩负着为国家能源战略需要和区域经济发展培养应用型和创新型人才的光荣使命。我校在石油与天然气工程相关专业人才培养中，迫切需要通过虚拟仿真实验教学资源的开发、研制、应用，以解决真实实验不具备或难以完成的实验教学任务。

二

虚拟仿真平台建设内容

1.虚拟仿真实验教学资源建设

针对人才能力培养需求，强化虚拟仿真实践教学环节，凸显分层次、模块化、重基础、强能力的人才培养模式。

通过虚拟仿真实验系统，将油气钻、采、输理论、工艺原理与虚拟仿真技术进行有机结合，开发多种类型的虚拟仿真实验系统和教学资源，构建集基础、综合、创新实验一体的教学层次分明的、课堂教学与实验教学相互促进的三大类虚拟仿真系统，满足石油与天然气工程相关专业人才基本技能和实践动手能力培养、考核及安全教育的需要。

(1)基于半实物仿真的系列仿真模拟操作平台

通过对作业现场的高度仿真模拟，即克服搭建大型实验台架的投资大、安全风险大、消耗大的局限，避开现场可能的高温、高压、腐蚀和有毒环境，为学生提供了安全、可靠、内容丰富的实验实训环境。

(2)基于三维严肃游戏理论的虚拟仿真操作平台

为了满足网络化共享、多人协同作业的教学要求。采用严肃游戏理论，基于油气钻采行业规范、现场操作规程及经现场实践验证过的成熟的理论计算模型，以计算机软件技术为核心，综合应用计算机三维图形技术、计算机仿真技术、人机交互技术、多媒体技术、网络通信、数据库技术等，开发了可在PC机运行的虚拟仿真实验实训系统。

系统在节约实物仿真系统的硬件成本同时，增加仿真实验的灵活性、趣味性和实验人员参与的主动性。充分利用网络和计算机资源，让学生自主灵活选择实验时间和地点，完成教学大纲规定的理论实验和技能实践，增加资源的共享程度和受众面。

(3)基于虚拟现实和工程实际的仿真操作平台

借助于地质、钻井、油藏及井筒测量等多学科的历史数据、测量数据、工程计算模型和世界先进的CAE软件仿真计算数据，以三维可视化和虚拟现实的方式、将多学科的异源、异构、不同规模的数据进行有机融合，将无法看到和无法进行实物实验的数千米深的地层状况和数千米深、几到十几英寸直径的井筒状况，以各学科和非专业人员都能理解的沉浸式立体图像、动画展示，便于各学科人员在解决实际工程问题时协同工作和进行技术交流。该平台可用于石油与天然气工程相关专业本科生、硕士生、博士生的综合应用能力和创新能力的培养。

2.虚拟仿真实验的教学平台建设

针对石油与天然气开发领域的工程理论、工艺特点、生产制度，结合石油与天然气工程相关专业人才培养要求来设计油气开发虚拟仿真实验教学平台。教学平台具体功能、信息化设备、网络与信息安全建设情况如下。

(1)分层次培养学生实践能力

基于半实物仿真的系列仿真模拟操作平台主要承担相关课程基础实践教学内容，重点培养学生对基本理论和技能的掌握。

基于三维严肃游戏理论的虚拟仿真操作平台属于综合提高平台，主要基于案例教学对培养学生的动手能力和安全意识。

基于虚拟现实和工程实际的仿真操作和开发平台将教学内容与油田生产实际紧密结合，开展个性化的创新实验和设计研究，培养学生实践动手能力和探索创新能力。

分层次虚拟仿真实验教学平台的合理利用，有效地弥补常规实验教学存在的不足，实现理论教学、实验实践教学的有机统一。

(2)实现宏观模拟和微观仿真结合

对于石油与天然气工程而言，宏观仿真主要为高危险、高风险以及高成本的油气井钻井工程的工艺过程的虚拟仿真、油气开采与集输工艺过程虚拟仿真、海洋钻采输工艺过程虚拟仿真等。微观仿真主要为在给定仿真对象真实的物性参数和边界条件下，对石油工程中的科学问题进行精细描述的真实仿真。

(3)再现复杂环境重复教学内容

通过对现场设备和环境的再现模拟，实现大型装备、危险环境下实践训练的可重复性操作，提高实验教学效果。

(4)交叉互动多人协作

通过虚拟仿真系统中的互动功能，让学生在虚拟环境中与计算机进行交互。当有多个角色时，还可以实现在线多人协作，以提高学生学习兴趣和团队协作能力。

(5)科学评判实验结果客观公正

在模拟仿真实验教学系统中，通过对实验人员的操作情况进行统计分析，为实验人员提供正误判断与操作参考。对于具有微观或工程数值仿真的资源，其计算结果可直接体现实验的成功或准确与否，并可自动评定实验成绩。

三

虚拟仿真平台建设成效

1.提升实践教学效果

改变原有的纯软件仿真模拟教学，将全尺寸钻井设备和半实物半虚拟的钻井井控模拟器(见图1、图2)应用于本科实践教学，让实践教学更具真实感，提高教学效果。

图1 学生正在完成正常起下钻操作

图2 位于校内实训基地的真实钻机

2.促进教学改革和课程建设

通过虚拟仿真平台建设，进一步完善了教学内容，丰富了教学资源。比如以钻井工程仿真模拟系统的实践教学应用为基础，又新建了针对油气储运专业的油气集输仿真模拟系统、针对海洋石油工程专业的海上平台仿真模拟系统、针对石油工程专业的油气开采仿真模拟系统和多个专业共享的虚拟仿真软件机房(见图3～图6)，从而进一步丰富了我校石油工程及相关专业的实践教学内容，同时，也促进了我校油气开发国家级虚拟仿真实验教学中心的建设。

图3 新建的油气集输仿真模拟系统

图4 新建的油气开采仿真模拟系统

图5 新建的海上平台仿真模拟系统

图6 基于VR技术的海洋钻井平台仿真模拟系统

3.实验队伍能力显著提升

随着虚拟仿真平台建设的加强，对实验队伍自身的教学能力、创新能力都有了更高的要求。近两年的实验队伍通过外出学习交流培训、设备(软件)自研、参与各种比赛等多种形式，使得他们在实践教学、课程内容更新、实验设备更新等方面的业务能力有了显著的提升。近两年申报校级自研设备23个项目(含3个虚拟仿真软件开发项目)，其中有3项自研设备在第四届全国高等学校自制实验教学仪器设备评选活动分别获得一、二、三等奖；有1个教学资源获得2016年高等学校虚拟仿真实验教学资源建设成果二等奖；有3个自研设备在西南石油大学2013—2016年实验技术成果奖评选中分获特等奖、一等奖和二等奖。

4.增强了示范辐射作用

作为国家级实验教学示范中心和国家级虚拟仿真实验教学中心，教学资源的共享和中心的示范引领作用是建设的重要指标之一。我校现有成熟的教学设备和教学资源也吸引了兄弟院校、国内外企业、中小学生前来参观、考察和学习，为示范辐射作用起到了重要支撑作用。

四

结语

随着国家对高等学校人才培养要求的进一步提高，我校将以双一流学科建设为契机，坚持人才质量观，注重培养学生创新能力和综合实践能力，形成以学生为主体，以教师为主导，实践教学与理论教学并重，室内实验与矿场实践并举，以培养学生的探索精神、科学素养、实践能力、创新能力为目标，传承石油精神，培养适应国内外石油发展的石油工业专门人才。

参考文献

[1]周世杰,吉家成,王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].计算机教育,2015(9):5-11.

[2]王煌.高水平建设实验教学示范中心全面提升人才培养质量[J].中国高等教育,2009(6):17-19.

[3]李春艳,易烨.虚拟仿真实验室的建设与实验教学的改革[J].中国管理信息化,2014(24):114-115.

[4]李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

[5]王维国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,12(32):5-8.

[6]刘琼,何洁凝,龙天澄,等.虚拟仿真实验室对教学的作用研究[J].中国教育学刊,2015(11):318-319.

[7]田杰,张民.探究网络虚拟实验室的构建[J].实验室研究与探索,2011,31(4):262-270.

[8]蒲丹,周舟,任安杰,等.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建设经验初探[J].实验技术与管理,2014,3(31):5-8,16.

[9]刘亚丰,余龙江.虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索[J].实验技术与管理,2016,33(4):108-110,114.

[10]王振彪,杜伟胜.实验教学网络化是示范中心建设的必要条件[J].实验技术与管理,2006,23(7):91-92.

[11]侯林,贾丽君.虚拟网络在网络实验室建设中的应用[J].实验科学与技术,2013,11(6):227-230.