移動學習環(huán)境下石油工程仿真實驗平臺建設

孫致學, 劉麗娜, 張 凱, 李愛芬, 王建忠, 張建光, 楊永飛

(1. 中國石油大學(華東) 石油工程學院, 山東 青島 266580；2. 成都理工大學 繼續(xù)教育學院, 四川 成都 610059)

移動學習環(huán)境下石油工程仿真實驗平臺建設

孫致學1, 劉麗娜2, 張 凱1, 李愛芬1, 王建忠1, 張建光1, 楊永飛1

(1. 中國石油大學(華東) 石油工程學院, 山東 青島 266580；2. 成都理工大學 繼續(xù)教育學院, 四川 成都 610059)

以培養(yǎng)石油行業(yè)發(fā)展需求的復合型、創(chuàng)新型人才為目標,構建“移動學習”環(huán)境下的石油工程專業(yè)主干課程仿真實驗平臺。從仿真實驗平臺構建內容、系統(tǒng)開發(fā)、管理模式及教學效果方面進行詳細闡述。應用效果表明,基于移動終端的仿真實驗平臺,形成了“前展后拓”的實驗教學模式,實現(xiàn)了石油工程專業(yè)實驗教學的開放性、仿真性和移動性。

實驗教學； 移動學習； 石油工程專業(yè)； 仿真平臺

經過近半個世紀的開采,我國油氣田的勘探開發(fā)難度越來越大；而隨著經濟的快速發(fā)展,我國能源供需矛盾則日益突出。高校石油工程專業(yè)作為國家能源戰(zhàn)略人才支撐的特殊專業(yè),培養(yǎng)滿足石油行業(yè)發(fā)展需求的復合型、創(chuàng)新型人才成為人才培養(yǎng)的重中之重。2012年發(fā)布的《教育部、財政部關于實施高等學校創(chuàng)新能力提升計劃的意見》中明確提出要改進和加強工科專業(yè)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育,培養(yǎng)大學生創(chuàng)新思維和工程實踐能力。實驗教學對于培養(yǎng)學生自主學習能力和創(chuàng)新實踐能力等方面起著關鍵作用。本文就中國石油大學(華東)國家級實驗教學示范中心——石油工程實驗教學中心的仿真實驗平臺建設以及該平臺在促進學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)方面的優(yōu)勢談談經驗和體會。

1 滲流物理實驗教學特點及Unity3D的優(yōu)勢

目前,中國石油大學(華東)國家級實驗教學示范中心——石油工程實驗教學中心已建成滲流物理、鉆井工程、采油工程、油田化學、流體力學5個分實驗室,每年要承擔石油工程專業(yè)近500名本科生的畢業(yè)設計、課程設計和200多名研究生的培養(yǎng)任務,在培養(yǎng)大學生自主學習、動手實踐能力、激發(fā)創(chuàng)新思維方面起到至關重要的作用[1-2]。

石油工程國家級實驗教學示范中心在整合實驗教學和科研資源、大力開展各類實驗教學平臺的建設的同時,基于計算機虛擬現(xiàn)實與移動互聯(lián)網技術,開發(fā)了移動終端平臺三維、動態(tài)以及可組裝的仿真實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)可形象、生動地再現(xiàn)地下石油開發(fā)過程,進一步深化課程理論內容,為學生提供不受時間、空間限制的創(chuàng)新實驗自主設計平臺,對于開拓石油工程專業(yè)學生視野,培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力具有重要意義[3]。

滲流物理實驗是石油工程專業(yè)基礎課的重要內容,其任務是通過實驗,使學生加深對油層物理、滲流力學中有關油藏流體、油藏巖石、滲流的基本概念、基本規(guī)律的理解和認識,培養(yǎng)學生的動手能力、設計創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力。該實驗課程內容多、涉及面廣、概念抽象、學習難度大,需要理論學習與實驗操作緊密結合[4]。

首先,滲流物理實驗的研究對象是深埋在地下幾千米的油氣儲集層,具有高溫高壓、不可見性。通過虛擬現(xiàn)實仿真平臺,可以實現(xiàn)地下油氣藏的性狀、演化歷史和物理特征等多方面、多角度的三維可視化仿真,將抽象轉化為具體、將不可見轉化為可見,能較好地解決傳統(tǒng)室內物理實驗教學中概念抽象、無法可視化等困難,使學習者能夠形象、深刻地理解課程內容。

其次,伴隨著非常規(guī)油氣資源的勘探與開發(fā),石油天然氣開發(fā)新技術、新裝備的發(fā)展很快,石油與天然氣開采行業(yè)已成為與航天、深潛并重的高新技術密集行業(yè)。然而,目前學校石油工程課程體系與教材不能完全滿足石油行業(yè)對創(chuàng)新型、復合型人才的需求。借助完善的4G等現(xiàn)代通信技術和豐富的網絡教育資源,教師可以在專業(yè)基礎課的基礎上,精選行業(yè)內最新的技術資料推薦給學生,學生可以充分利用碎片化時間實現(xiàn)移動學習[5-7]。

Unity3D仿真軟件是一種全新的三維虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺,在建筑可視化、實時三維交互式仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)中具有顯著優(yōu)勢。通過整合Unity3D PRO虛擬現(xiàn)實、跨平臺應用程序開發(fā)引擎(教育版)和滲流物理實驗內容,可以完美實現(xiàn)基于移動終端的3D交互式仿真實驗平臺的開發(fā)。Unity3D仿真實驗在石油工程專業(yè)實驗教學中具有以下應用優(yōu)勢:

(1) Unity3D支持所有主要文件格式,并能和SolidWorks、3ds Max等大型三維建模軟件協(xié)同工作,通過對實驗設備的元器件外觀、材質的精細建模(如巖心夾持器、壓力表等),使虛擬的實驗裝置更加逼真,提高學生的沉浸感；

(2) 通過Unity3D的用戶界面,學生可以在驗證性實驗基礎上,針對具體問題自主設計創(chuàng)新性實驗,并完成實驗系統(tǒng)的組裝和虛擬裝置的搭建,在進行真實實驗之前完成實驗的“預演”,可以明顯提高學生探索性、研究性實驗的數(shù)量和成功率；

(3) 基于移動終端Unity3D仿真實驗平臺的開發(fā),學生可以在不同的時間、地點自主進行實驗,充分利用課余碎片化時間進行學習,從而提高學習效率、增強分析問題和解決問題的能力；

(4) 可以實現(xiàn)對高溫、高壓容器內原油、天然氣等流體相態(tài)變化的“可視化”,彌補實物實驗中不易實現(xiàn)、不易觀察的不足；同時,通過覆蓋全校的WiFi無線網,可解決實驗內容膨脹和學時減少的矛盾,同時也為其他相關專業(yè)的學生提供了自主學習的機會,實現(xiàn)石油專業(yè)人才培養(yǎng)的開放性[8-9]。

2 基于移動終端的仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)

針對石油工程專業(yè)化實驗儀器多樣化及實驗流程較復雜的特點,首先對諸多實驗設備、裝置進行三維建模,將二維平面圖形構建為虛擬現(xiàn)實所需要的三維模型,建立交互式、浸染式且能在移動終端操作系統(tǒng)下運行的油層物理實驗仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)開發(fā)主要包括以下3個步驟。

(1) 實驗設備元器件三維建模。根據(jù)物理實驗內容及類型,以及實物實驗裝置及設備屬性參數(shù),應用SolidWorks等三維CAD系統(tǒng)軟件構建物理實驗設備全三維物理模型,包括高壓氣瓶、巖心夾持器、壓力表、泵、恒溫箱、連接管線等儀器設備。

(2) 仿真系統(tǒng)實驗流程建模。根據(jù)特定實驗內容和要求,分別以巖心、油/水流體等作為建模主體,按照室內物理實驗操作流程,構建計算機仿真實驗系統(tǒng)運行機制及實驗流程,為仿真實驗系統(tǒng)的操作模塊提供保證。

(3) 仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)。根據(jù)實驗教學大綱要求,該系統(tǒng)主要包括實驗理論模塊、實驗操作模塊和拓展實驗模塊。實驗理論模塊的內容包括實驗目的、實驗原理、實驗裝置、實驗內容與步驟介紹；實驗操作模塊根據(jù)真實實驗操作流程,基于二維圖形編輯的動態(tài)調度,應用Unity3D建立物理實驗仿真流程模擬模塊；拓展實驗模塊是除油藏油層物理基礎教學實驗之外,面向高年級學生提供創(chuàng)新性實驗設計與流程組裝的拓展模塊,可以為用戶創(chuàng)新思維提供仿真實驗驗證的渠道。

根據(jù)物理實驗的基本原理和軟件工程思想,仿真系統(tǒng)基于Unity3D平臺,借助Photoshop、3ds Max等工具軟件,調用IOS 6的編程接口應用程序,開發(fā)了油層物理仿真實驗系統(tǒng)iLab V1.0,包括地層油高壓物性測定、流體飽和度測定、氣測滲透率、壓汞毛管力曲線測定、巖石比面測定、巖石碳酸鹽含量測定等6個實驗。仿真系統(tǒng)運行模型邏輯流程如圖1所示:

圖1 iLab V1.0仿真實驗系統(tǒng)邏輯流程圖

3 仿真實驗系統(tǒng)的應用效果

開放性是中國石油大學(華東)秉承的重要教育理念與實驗教學發(fā)展方向[10]。由于實驗裝置的數(shù)量有限,且高溫高壓條件下的實驗存在危險性,學校所開設的自主設計、創(chuàng)新性綜合實驗遠未覆蓋到每一位學生,對學生動手實踐能力的提高有一定影響,而且制約了學生創(chuàng)新性思維的激發(fā)[11]。

基于移動終端的仿真實驗系統(tǒng)具有擬真性強、高度交互性及實驗操作規(guī)范化等特點,因而成為傳統(tǒng)物理實驗的有效補充。學生通過仿真系統(tǒng),能夠輕松進行高溫高壓條件下的實驗,通過滑動、輕按及旋轉等操作即可完成仿真實驗全過程(見圖2和圖3),充分利用了碎片化時間,達到泛在學習狀態(tài)。仿真實驗平臺的開發(fā)和投入應用,為學生提供了一個開放性的“空中實驗室”和自主設計創(chuàng)新性實驗的機會。通過科研及教學的深度融合,積極將優(yōu)質科研成果引入創(chuàng)新型高端人才培養(yǎng)中來,調動學生關注創(chuàng)新、注重實踐的積極性,有助于提高學生的綜合素質和實踐創(chuàng)新能力。作為培養(yǎng)石油特色鮮明的石油專業(yè)人才的高校,我校通過開發(fā)性仿真平臺的應用,也為未開設該實驗課程的其他石油相關專業(yè)的學生提供了實驗的機會,打破年級、院系、專業(yè)方面的限制,實現(xiàn)學校石油相關專業(yè)人才的多元化、層次化的內涵式培養(yǎng)[12-13]。

圖2 流體PVT高壓物性仿真實驗平臺

圖3 溶解氣油比測試仿真實驗平臺

在學校實驗教學改革項目與優(yōu)勢學科創(chuàng)新平臺建設經費以及教師科研經費的支持下,我校自2012年開發(fā)出油層物理仿真實驗系統(tǒng)iLab V1.0后,經過逐步配套和完善,先后實現(xiàn)了PC網頁版和移動終端版仿真實驗平臺,逐漸形成了以石油工程、海洋油氣工程以及非石油類專業(yè)學生為使用對象的虛擬仿真實驗平臺,并積極探索基于移動互聯(lián)網環(huán)境下線上與線下、課堂教學與實踐教學相融合的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式,使學生的實踐能力和創(chuàng)新意識得到了明顯提高。

2013年,我校獲準立項國家級大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目24項(包括仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)項目)。在省級、國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽中,中國石油大學(華東)石油工程專業(yè)的學生先后獲得2013年全國石油工程設計大賽特等獎1項、二等獎4項,中國大學生創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)計劃競賽一等獎,第八屆“挑戰(zhàn)杯”山東省創(chuàng)業(yè)計劃競賽一等獎,第八屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽銅獎。根據(jù)研究成果,該仿真實驗平臺申請軟件著作權及發(fā)明專利各1項,為仿真平臺的繼續(xù)發(fā)展和完善提供了知識產權保護。石油工程專業(yè)仿真實驗平臺對提高實驗教學質量和推動學生學習方式的轉變產生了良好的作用,學生學習的自覺性、主動性、自主性明顯增強,創(chuàng)新能力和工程實踐能力得到鍛煉,為在石油工程領域的發(fā)展奠定了堅實的基礎。

4 結束語

實驗教學是培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、提高創(chuàng)新意識和科研能力的重要實踐環(huán)節(jié)。仿真實驗平臺的開發(fā)和應用,進一步增加了學生自主設計、創(chuàng)新性綜合實驗的實踐機會,形成了“前展后拓”的實驗教學模式。同時,采用開放性、移動性仿真實驗教學方式,極大地促進了教師在備、教、查、考等各個環(huán)節(jié)加強研究、充分準備、細化指導,促使實驗教師更加注重實驗教學與科研的緊密結合,將科研成果反哺教學,充分利用石油企業(yè)各方面的優(yōu)勢資源,優(yōu)化了實驗教學內容,促進學校、企業(yè)、教學的深度融合,顯著提高了學生的工程實踐和實際操控能力。

References)

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Construction of petroleum engineering simulation platform based on mobile learning environment

Sun Zhixue1, Liu Lina2, Zhang Kai1, Li Aifen1, Wang Jianzhong1, Zhang Jianguang1, Yang Yongfei1

(1. College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580, China; 2.College of Continuing Education,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, China)

Taking fostering innovative compound talents to adapt the development of the oil industry to meet the demand as the goal, the “mobile learning” petroleum engineering major courses simulation platform is contructed. This paper elaborates on the content,systems development,management and teaching from the simulation platform in detail.Application results show that the simulation platform based on mobile terminals, has formed a new experimental teaching mode, to achieve openness,simulation and mobility petroleum engineering experimental teaching and innovative practices.

experimental teaching; mobile learning; petroleum engineering specialty; simulation platform

2014- 12- 25 修改日期：2015- 01- 22

全國工程專業(yè)學位研究生教育自選研究課題(2014-JY-057)；中國石油大學(華東)教改項目(JY-B201405)；中國石油大學(華東)青年教師教學改革項目(QN201301)

孫致學(1979—),男,山東沂南,博士,講師,主要從事油氣田開發(fā)工程方面的教學與科研工作.

E-mail：szx1979@126.com

TE348； TP391.9

B

1002-4956(2015)7- 0113- 03