首页 > 中心教学资源和平台 > 教学体系

在多年的虚拟仿真实验系统开发过程中,教学与研究团队按照“加强基础,拓宽专业,注重素质教育和能力培养,抵近人才市场,增强毕业生适应性”的原则, 将油气钻、采、输理论、工艺原理与虚拟仿真技术进行了有机结合,开发和制作了多种类型的虚拟仿真实验系统和教学资源, 初步构建起了集基础、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 (包括:基于半实物仿真的系列仿真模拟操作平台、基于三维严肃游戏理论的虚拟仿真操作平台、基于虚拟现实和工程实际的仿真操作和开发平台), 可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,积累了丰富的虚拟仿真实验教学平台开发经验。 已开发的虚拟仿真实验教学体系和教学资源分布如图1所示。

该教学体系在人才培养中扮演着重要的角色:

1)作为学生实践教学的重要组成部分

利用实验平台构建的互动式“作业现场”,感性地理解课程中涉及的理论研究对象、内容以及理论应用场所,通过学生的互动式参与, 激发学生主动学习和探索的热情,培养创新能力,提高教、学效率和效果。可用于石油与天然气工程专业教育主要三个阶段的特色如下:

(1)专业课之前的 “认识实习”

在专业课之前,对于从未到过作业现场的学生,可在利用实物仿真模型、半实物仿真模型或全数字化动态模型构建的“作业现场”中, 通过在陆地及海洋石油工程作业的地面现场环境、井筒和地下环境的动态虚拟漫游及三维实时动画,让学生全面的认识现场作业环境、 主要设备用途及主要的工艺流程等,使学生获得感性认识,了解“学以致用”的场所和目标,培养学生的工程意识,为专业理论的教、学奠定基础。

(2)专业理论教学过程中的“理论应用于现场”

学生可将学到的理论在平台上进行应用实践。比如,学完《钻井与完井工程》的“钻井液性能”及水力参数设计理论,学生可利用所学的理论知识, 进行水力参数设计,并将设计的水力参数输入到仿真模拟系统,用于虚拟的钻井过程中,可以形象直观地看到自己所设计的参数对钻井泵等设备、 对井筒压力及机械钻速等工程性能的作用和影响;学习“井控理论”时,学生可根据所学理论和方法,自己设计井控压井作业参数, 并在仿真平台上进行“压井作业”;对抽象的“定向钻井”的相关知识,可在平台提供的虚拟三维地下空间场景下,进行“钻定向井”, 直观地展示井眼的空间形状、钻井过程及井眼形状、工具等对工程的限制等。通过这种形象化的理论应用试验,培养学生真正消化和掌握所学知识, 提高学以致用及理论联系实际的能力,并激发学生进一步探索和拓展相关理论的学习欲望。

(3)专业理论知识学完后,系统的“生产实习”

在专业理论学完之后,毕业设计之前,可利用数字仿真实验平台,进行全面、系统的实践技能训练。利用该实验平台, 教师可根据实践的时间限制和教学内容,设计实践训练的项目和内容。学生置身于安全、舒适的仿真环境中,可自行设计石油工程作业参数, 反复操作实物、半实物和数字化虚拟设备,并观察仿真仪表、虚拟仪表的参数变化情况,掌握作业系统的运行、监测、调整和控制技能, 掌握现场作业流程中各环节的常规操作及常见意外事故判断与处理方面的知识与技能。

弥补长期以来生产实习中无法上钻台、无法在钻采现场动手操作等“只能有限制地看,绝对不能摸”的不足,也能弥补学生在有限的时间和有限的实习场所, 只能了解某一方面的生产工艺,而不能对整个石油工程领域的主要生产工艺进行较全面了解这种“管中窥豹”式的实习缺陷。

国外实践表明,通过这种系统、全面且与时俱进的仿真实践训练,学生毕业到达现场后,能很快熟悉现场工作, 在很短的时间内完成有学生到企业职工的转变,并能将所学理论很好地与现场应用相结合,这正是企业欢迎的人才。

2)作为学科建设和课程建设的重要支撑

借助于这一现代化的、紧密结合石油与天然气工程教育的、并可随石油与天然气工程技术发展而持续更新的虚拟仿真实验平台, 可为石油与天然气工程各学科的建设,尤其是教学资源比较缺乏的专业学科,如“海洋油气工程”等提供辅助教学平台;对相关课程建设, 如“钻井与完井工程”、“海洋钻井工程”、“海洋采油工程”等提供辅助教学资源和手段;对各级各类精品视频课程和资源共享课程的建设提供支撑条件。

3)作为校企合作的重要媒介

我校“石油与天然气国家级实验教学中心”多年积累的虚拟仿真实验教学资源和实验手段,不仅可用于教学, 也可以建成或申报石油与天然气工程职业技能培训基地,甚至鉴定机构,为油田职业技能培训和鉴定提供社会服务, 扩大学校的社会影响力和社会服务功能。多年的校企合作开发、研制和利用虚拟仿真资源,不仅强化校企的产学研合作, 所建立的“油气开发虚拟仿真实验教学中心”已经成为了校际、校企交流的重要媒介。

4)作为学生科技创新活动的重要平台

油气开发虚拟仿真实验平台可以激发学生主动学习和科学研究的兴趣,对有潜力的本科生或研究生, 可以为他们自动设计和提供石油工程领域的设备和工艺改进以及新技术应用方面的课外科技课题,将平台作为他们成果检验、展示和应用的测试平台, 从而为培养学生的创新能力、独立分析和解决工程实际问题的能力提供实践平台。

通过对现有资源的进一步整合与建设,虚拟仿真实验平台将弥补现有石油与天然气工程实验教学的不足,其创新性体现在:

1)能实现宏观仿真和微观仿真的有机结合,自动实现真实仿真“虚实”结合的实验教学系统。 对石油与天然气工程中的复杂物理系统问题进行计算机仿真模拟研究,以解决室内物理模型实验难以实现的科学问题。 可用于硕士、博士以及博士后等高端人才的仿真实验教学和科研能力的培养,以及本科生创新能力的培养。

2)利用半实物仿真和虚拟现实仿真相结合,将油气钻、采、输作业现场“搬”到学校室内虚拟实验中心或共享网络平台, 实现半实物“虚实”结合的实验教学系统。即构建安全、经济的教学平台,形成融“工程背景认识”、“专业理论实验”、 “单项或综合操作技能训练”为一体的工科理论与实践有效结合的分段式、立体化的、同时满足通识教育与专业技能人才需求的人才培养模式。

3)自动实现高度虚拟仿真的设备功能、设备拆装的实践教学,同时自动实现高风险、高成本以及高危复杂作业环境下的实验、实践训练, 学生真正实现学以致用,使虚拟教学中心成为校企人才培养和利用的真正纽带。

4)构建了适应油气勘探开发领域高技能人才培养课程体系、教学质量保障体系以及评价体系。即形成了油气勘探开发领域“虚实”结合的公共教育平台。