石油工程虚拟仿真实验教学实践论文

第一篇：石油工程虚拟仿真实验教学实践论文

摘要：针对石油工程专业实践教学面临的实验对象不可视、危险大、设备成本高、实验效果差等问题，构建了“四结合、四模块、三层次”的虚拟仿真实验教学体系，丰富了石油工程专业的实验教学内容。通过虚拟仿真实验与实际操作实验的虚实结合、相互补充，促进学生与实验内容的交互性和参与性，全面提升学生的自主学习能力、创新能力，达到高层次人才培养的目标。

关键词：虚拟仿真；实验教学；教学改革

一石油工程虚拟仿真实验教学必要性

石油工程技术是解决如何将地下几百至近万米深的地层中的油气通过井筒开采到地面，经过地面管道和集输站分配及处理的相关技术。工程作业的地面、气候环境恶劣，地下流体处于不可视、不可及的高温、高压环境下，采用常规实验教学存在以下问题：1.油气开发投资大、风险高、知识和技术密集。油气开采过程中涉及钻、完井工程，地层改造工程，油气集输工程，油气易燃、易爆、高毒性等，大部分实验和工程实践因规模大、设备密集、危险性高等特点，常规实验室设备难以完成。2.实验设备价格昂贵，实验仪器精密易损坏，维护成本高。受资金和场地的限制，实验装置数量有限，学生参与度低，缺乏深入的学习和实践操作，不利于发挥学生的主动性、积极性和创造性，无法提高学生的动手能力和创新能力。3.实验项目传统的实验多，体现现代化技术的实验少；验证性实验多，培养学生创新能力、设计性能力、应用性能力创新型实验少。4.受企业生产制度和安全方面的限制，学生在企业现场实习的时间和空间越来越小，难以达到预期效果。5.传统的实验教学无法实现优质实验资源开放共享[2]。基于以上原因，针对实践教学存在的不足，长江大学石油工程学院利用虚拟现实技术、仿真技术、多媒体技术、人机交互技术、网络技术等与石油工程实际相结合，建立了面向自主学习的开放、互动式虚拟仿真实验教学平台，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，具有完全、成本低、易于更新的优点。通过虚拟仿真实验与实际操作实验的虚实结合、相互补充，促进学生与实验内容的交互性和参与性，全面提升学生的自主学习能力、创新能力，达到高层次人才培养的目标。

二石油工程虚拟仿真实验教学平台

（一）教学体系

长江大学以全面提高高校学生自主创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，通过与优势学科、特色专业相结合，以现代油气开采过程为主线，通过四结合（理论教学与实验教学相结合、基本训练与能力培养相结合、校内实验与企业实践相结合、科研成果与教学实践相结合），着力构建满足三个教学层次（基础训练、综合设计和研究创新）要求的包含四大模块（钻井工程、采油工程、油藏工程和油气储运虚拟仿真模块）的虚拟仿真实验教学体系。

（二）模块构成1.认识实践及基础训练。专业课程的理论知识系统性不强，知识点多且零散，研究对象及涉及原理抽象难以直观展示，学生缺乏理论知识整体构建能力。为解决这个问题，将理论教学中的重、难点知识，常用的钻井、采油、集输设备和工具，施工过程和工艺等，制作成多媒体、视频和仿真动画，辅以习题库和实验前小测试。共研发了118种典型的井下作业工具、油气集输设备及运行机理、油气渗流原理和实验仪器设备的结构等演示型虚拟仿真动画，提高实验教学的直观性、形象性，激发学生对实验课的兴趣，加深对专业基础知识的理解，提高学习效率，让学生有更多时间参与实践创新。2.虚拟仿真操作。四大虚拟仿真模块共研发了16个综合设计和科研创新训练类虚拟仿真实验。井下作业模拟培训系统、长输管道虚拟仿真培训系统、裂缝导流能力虚拟仿真、抽油机原理和泵效测定等虚拟仿真实验项目，通过虚实结合，可产生与现场情况相似的视觉效果，配以逼真的现场声音，给人身临其境的感觉。通过自行设计作业参数，反复操作实物，观察仿真仪表参数变化，掌握作业系统的运行、控制技能，作业流程各环节的操作及常见事故判断与处理的知识与技能，弥补生产实习中“只能有限制的看，绝对不能摸”的不足，提高学生的动手能力。基于虚拟仿真实验平台，学生能深入油藏内部，观察储层参数、流体参数实时动态变化，进行油田开发动态分析、开发方案设计、钻井工程设计、井身结构虚拟设计等综合实践，满足学科竞赛、创业创新大赛等的需要，激发学生的科研兴趣、启发学生的科研思维，培养学生的科研创新能力。石油工程课程设计系统、石油工程毕业设计与生产现场实训相结合，提高学生的操作能力和实践能力。虚拟仿真操作教学环节系统、全面的虚拟仿真实践训练可大大提高学生的动手能力和工程实践技能，成为企业欢迎的人才。3.实践技能考核。石油工程虚拟仿真教学平台的考核体系包括实验前、实验中和实验后三大板块。实验前在功能上提供知识辅助学习、课前预测等。平台提供交互式练习、答疑、模拟测试、课件点播等功能，便于学生掌握实验项目涉及的知识点、实验原理、实验流程及实验操作等，检查学生理论知识和应知应会的掌握情况，提高实验效率。实验中在功能上提供智能指导、过程监控等。平台可监控学生的实验过程，对学生在实验过程中的不当操作进行智能化和人性化的指导。实验后在功能上提供自动批改、成绩分析和评价等。平台记录学生的实验报告、实验数据和结果，通过数据处理，利用教师预先录入的批改规则进行分析，给出评价结果。石油工程虚拟仿真实验教学中心有满足课堂教学展示和验证性实验操作训练，也有利用科研项目及成果转化的系统软件和仪器设备，开拓学生视野、提升知识结构，培养学生综合设计和创新能力。

三虚拟仿真实验教学成效

（一）丰富实验教学资源

通过发挥学校学科专业优势，利用企业开发实力和支持服务能力，充分整合学院信息化实验教学资源，不断转化科研成果为虚拟仿真实验项目，拓宽实验项目的深度和广度，石油工程虚拟仿真实验教学中心共构建了10门实验课程，65个实验项目，面向全校6个专业并对全校其他专业开放，年平均实验学生人数近1500人，年实验人时数近30000（人时）。实验开出率达100%，综合性、设计性和创新性实验比例达到86.2%，引导学生自主学习、研究探索和设计创新。

（二）整合和共享优质资源

虚拟仿真实验教学中心本着“产、学、研”合作办学理念，与多个油田企业建立校企联合实验室、实习基地，开展虚拟仿真实验项目的开发与应用。为相关石油企业的职工技能培训及应急处理实训提供服务，承担周边兄弟院校实验任务，作为社会公共教育共享资源，普及油气钻、采、输的风险及应急防范和逃生知识，起到了良好的示范和辐射作用。

（三）提升专业建设水平

虚拟仿真实验教学中心依托石油工程专业国家级特色专业建设点、石油工程专业省级品牌专业建设、省级重点学科、省级油气勘探教学示范中心、省部级重点实验室、教育部重点实验室等，通过虚实结合的实验教学资源，支撑了三门省级精品课程，三门校级精品课程。

（四）增强创新实践能力

石油工程虚拟仿真实验教学中心重视培养学生创新实践能力，已成为学生进行科学研究和实践创新的基地。近三年来中心指导学生参加省级、国家级比赛获奖80多项，获批省校级、级、国家级大学生创新创业训练计划项目30多项，获得专利10多项，在国内外学术期刊上发表论文130多篇。学生的工程综合素质和创新能力得到提高。毕业生得到用人单位“综合素质好、基础扎实、动手能力强，具有很强的工程实践能力和创新能力”的好评，相关专业大学生就业率一直保持在96%以上。

四结语

石油工程虚拟仿真实验教学中心以培养学生工程实践综合素质和创新能力为核心，构建了高度仿真的虚拟实验项目，建立了“四结合、四模块、三层次”的教学体系。虚拟仿真实验教学通过优化整合实验资源，工程实践结合、科研成果转化、学科前沿引入，拓展了实验教学内容的深度和广度，推动了实验教学改革与创新，培养了学生的实践创新能力，提高了实验教学质量。

参考文献

[1]徐剑坤,习丹阳,马文顶,等.采矿工程专业虚拟仿真实验教学资源库建设[J].教育现代化，2017(13):67-68.[2]史寿乐.虚拟现实在教育中的应用[J].教育现代化，2017(32):205-206.

第二篇：国家级虚拟仿真实验教学

东华大学教务处通知

教函2013年35号 签发:吴良

关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心申报工作的通知

各学院：

根据教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2013〕94号）(附件1)，现就我校国家级虚拟仿真实验教学示范中心申报推荐工作有关事项通知如下：

一、建设内容和任务

虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。

（一）建设任务

虚拟仿真实验教学中心建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目。虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。

（二）建设内容

1．虚拟仿真实验教学资源。发挥学校学科专业优势，积极利用企业的开发实力和支持服务能力，充分整合学校信息化实验教学资源，以培养学生综合设计和创新能力为出发点，创造性地建设与应用高水平软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，降低成本和风险，开展绿色实验教学。

2.．虚拟仿真实验教学的管理和共享平台。建设具有扩展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平台，高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。探索校企共建共管的新模式和新途径，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。

3．虚拟仿真实验教学和管理队伍。建设教学、科研、技术人员结合，核心骨干人员相对稳定，结构合理的虚拟仿真实验教学团队，形成一支教育理念先进，学术水平高，教学科研能力强，实践经验丰富，勇于创新的虚拟仿真实验教学和管理队伍。

4．虚拟仿真实验教学中心的管理体系。以虚拟仿真实验教学资源的开放共享和充分使用为目标，系统制定并有效实施保障虚拟仿真实验教学的教师工作绩效考核、经费使用管理、实验教学中心维护与可持续发展等政策措施，建立有利于激励学生学习和提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制。

二、申报对象

本次国家级虚拟仿真实验教学示范中心申报对象主要为我校国家级实验教学示范中心和上海市级实验教学示范中心。非实验教学示范中心如已有相关的建设基础也可申报。请符合申报条件的学院根据自身的特色和优势自愿申报。

三、申报日程安排

1．9月16日前，各学院提交书面材料。包括：《国家级虚拟仿真实验教学中心申请书》（附件2），相关支撑材料（关于实验教学示范中心成立的批件以及相关政策、保障措施、规章制度等文件）。2．9月18日-30日，学校组织专家评审，遴选确定上报项目，并公示。3．入选项目按教育部通知（教高司函〔2013〕94号）要求准备视频、网站等其他相关材料，10月25日报送书面材料和光盘材料至教务处,电子材料一并发送至电子邮箱：mzmedu@dhu.edu.cn。联系人：毛志敏，联系电话：67792064。

附件：

1．教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2013〕94号）

2．国家级虚拟仿真实验教学中心申请书 3．国家级虚拟仿真实验教学中心遴选要求

教 务 处 2013年9月3日

第三篇：虚拟仿真实验教学都有哪些优势？

虚拟仿真实验教学都有哪些优势？

教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容非虚拟仿真实验教学莫属了，现在很多高校已经在广泛的应用，一些中小学也正在建设自己的虚拟仿真实验教学中心。现在，虚拟仿真实验教学已成为老师重要的教学方式。那么，他到底有哪些优势呢，接下来就由华锐视点来为您介绍一下：

提升教学效果：逼真、立体的表现形式可以让抽象的实验过程形象逼真演示出来，教师可结合实际的教学需求，最大限度地发挥虚拟元器件资源的优势，提升教学效果。

完成不可能的实验：辅助教师进行课堂实验演示：如复杂实验、危险性实验、极端破坏性实验、反应周期过长实验、无法控制反应过程以及在传统实验室无法完成的实验等，可以安全、直观的展示出来。

增强课堂趣味性：借助对多媒体（音频、视频、图像）技术、虚拟仿真技术、传感技术、输入输出技术构建了一种高度虚拟现实仿真的实验教学环境，使学习者体验置身其中的感觉，能够实现互动实验教学，能最大限度地激发学生的自主实验兴趣以及解开物理奥秘的冲动，有助于发展学生的构建思维，具有独特的实验教学的实践作用。

丰富课堂教学形式：虚拟仿真教学的出现不会再出现实验无法完成和只靠教师一张嘴进行讲解的情况。他突破了实验教学对客观条件的依赖性，满足实际的课堂教学需要，逐步成为老师得力的实验制作工具。

方便高效的教学辅助工具：各种大小实验应有尽有，且无器材损耗，和实验室零距离，随时随地都可进行实验。

第四篇：物理教师谈虚拟仿真实验教学

物理教师谈虚拟仿真实验教学

随着信息化技术的发展，虚拟仿真技术在实验教学中的 运用越来越广泛。日前教育部批准了清华大学数字化制造 系统虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心，一些中学也开始建设自己的虚拟仿真实验室，虚拟实验教学得到越来越多的老师的重视。

虚拟仿真实验教学在物理、化学、医学等学科上的运用较普遍，它能部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关操作环境。一些物理老师表示，现在学校提供的实验条件

有限，虚拟实验虽然不能更好地体会动手能力，但对学习这些以实验为主的学科，是一个很好的补充，尤其能反复进行实验。比如在“NB电磁学实验”软件中，灯泡烧坏了可以修复继续使用，而在传统实验中学生基本不允许体验灯泡烧坏的场景。在传统实验中，比如单摆实验，做一次，铁球就少几个，缺失了不能及时补充，导致后面的同学根本做不了，这也是为什么很多学校的实验室成为摆设的原因。

因此，在实验教学中，虚拟仿真实验有着传统实验无法比拟的优点，如果要真正运用起来，就要求教师更新观念，采用更为合理的教学方法，来培养合格的人才。

第五篇：轨道交通工程结构仿真实验教学的研究

轨道交通工程结构仿真实验教学的研究

[摘要]文章通过分析轨道交通工程实验教学的现状，提出实验教学内容要与工程实际相结合，以结构仿真拓展专业课的实验教学的课程内容，丰富专业知识体系。既符合实际工程结构设计的流程，又体现了实验教学的特点，有利于学生全面巩固和掌握所学知识，提高学生的创新能力与就业能力。

[关键词]结构仿真；轨道交通工程；实验教学

[基金项目]上海市教育委员会重点学科建设项目资助，项目编号：J 51401

[作者简介]颜喜林，上海工程科技大学城市轨道交通学院讲师，研究方向：轨道结构、钢结构，上海,201620

[中图分类号]G424.1

[文献标识码]A

[文章编号]1007-7723(2009)09-0112-0002

一、引

言

目前轨道交通工程的大型结构试验往往受到场地和设备的限制，比如轨道交通工程中振动与噪声课题，做模型试验有“失真”效应；若要研究某一环境参数对轨道结构的影响，需要制作多个类似构件，而反复进行试验则往往需要耗费大量的人力、财力和时间成本。

随着高性能计算机的逐步普及和数值仿真软件的不断完善，大量优秀的数值仿真软件如AN―SYS、ABAQUS、ALGOR和土木工程专用分析设计软件SAP2000、ETABS、PKPM等广泛普及，计算机仿真试验研究、工程设计、施工模拟等在交通工程各领域运用越来越广泛。利用仿真试验可以完全模拟足尺结构进行试验，研究参数影响只需调整几个参数的输入，还可以考虑各种因素综合影响。对于研究各种灾害因素对轨道结构产生的破坏，长期荷载作用及其车辆高速运行作用下结构的破坏过程这些真实试验难以模拟的情况，仿真结构试验更有其独特的优势。

二、结构仿真实验教学的改革

随着结构仿真软件飞速发展，多数设计院以及施工单位的工程结构设计的流程是概念设计、工程结构设计、工程软件仿真分析、工程试验检测；而在轨道交通工程实验教学中，单独为轨道工程、钢结构结构设计、混凝土结构设计课开设实验的现状，既不符合目前工程结构设计的流程，更不利于学生综合能力的培养。

由此我们对实验课程教材、内容进行了一系列的改革，将混凝土结构、钢结构结构、轨道工程的课程设计与试验各合为一门课程，将软件结构仿真分析作为各课程的内容；由结构仿真验证原有的课程设计计算，通过实体实验证明原有的设计方案，既加强对学科知识体系的了解，又符合目前工程设计的实际流程，有利于学生的创新能力与就业能力的培养。

(一)新编创新实验课程教材

新编写的三本创新实验课程教材，包括混凝土结构课程设计与试验检测、钢结构课程设计与试验检测、轨道工程课程设计与试验检测。每门课程是按照目前实际工程结构设计的流程，采用实际案例设计的流程，综合运用本课程知识，通过各种软件的结构仿真分析，对结构的工作性能、承载力作出正确评价与估计，再通过实验设备测试与结构有关的各种参数，从而理解和验证结构的计算理论。教材的特点涉及知识面广，综合性、实践性强。

(二)创新实验课程的内容设计

根据轨道交通工程的实际，创新实验课程，通过采用结构仿真分析软件，构建设计、分析、演示、验证的多层次的综合实验教学模式，促进实验教学由单一的验证性实验向综合的创造性的实验转变。

1、混凝土结构设计与试验检测

课程的基本要求是学生能运用所学的理论与设计方法，进行钢筋混凝土车站的设计，对车站进行受力设计计算，并按比例尺图绘制。其次，通过SAP2000、PKPM结构仿真分析计算，从而对原有的计算进行验证，同时根据仿真分析计算的变形结果，设计该结构的模型实验检测方案，完成模型的工程检测，并能根据检测结果对结构原有设计作出正确分析与判断。

2、钢结构结构设计与试验检测

课程的基本要求是学生能运用所学的理论与设计方法，进行空间钢桁架的设计，对该桁架进行受力计算，该桁架结构综合设计性强，可拼装成多种不同形式的空间杆系结构。其次，通过SAF2000、PKPM结构仿真分析，对该结构进行杆件受力计算，从而对原有的计算进行验证。同时根据仿真分析计算的结果，设计该桁架的模型实验方案，完成模型的工程检测，通过对试验数据的分析与评定，优化原来的桁架结构，从而培养学生解决工程实际问题的能力。

3、轨道工程设计与试验检测

课程的基本要求是学生能运用所学的理论与设计方法，进行整体道床的轨道结构包括道岔等附属结构的设计计算。其次，通过ABAQUS、AN-SYS结构仿真分析计算，判断轨道结构的疲劳与振动特性，发现轨道的薄弱部位和破坏特征，设计轨道钢轨无损探伤检测的方法和程序，通过对试验数据的分析与评定，对钢轨伤损作出正确分析与判断，提出钢轨的修复和加固的措施，为学生今后的实际工作打下基础。

三、结构仿真实验教学中的优势

交通工程结构实验室开设结构仿真实验室，把结构仿真软件的使用引入专业课实验教学中，改革传统的教学手段，既加深对专业理论知识的理解，提高学生学习专业课的兴趣和主动获取知识的积极性，又可作为大学生创新的平台，也可以作为教师的科研创新平台。

(一)激发学生学习兴趣，加深对理论概念的理解

一般的结构试验加载过程漫长，试验所获得的结果往往是数据形式，因此试验过程比较枯燥。而结构仿真可以实时反映试验的图形结果，通过发挥计算机的友好界面，可以提高学生学习专业课的兴趣和主动获取知识的积极性。而结构仿真则可以发挥学生的创造性和参与性，通过计算机模拟试验整个过程，实现互动启发式教学。

(二)开设创新实验，开阔学生的视野

通过结构仿真，学生可以开展创新试验项目。比如对于试验设备不完备、使用设备精密、试验损耗大的试验，在结构仿真中，由于可以反复试验，参数可以自行调整，学生可以根据同一试验构件设计不同的试验方案以及同一试验方案不同构件材料特性，了解各参数对试验结果的影响，加深对结构新的认识。

(三)熟悉软件使用，提高就业能力

随着计算机技术以及仿真软件飞速发展，在工程设计单位，PKPM、ETABS、SAP2000等优秀设计软件被广泛使用，多数大型设计院以及大型施工单位，对复杂结构的设计及施工均要求利用数值模拟仿真软件分析受力性能，所以作为轨道交通工程师的一种必备技能，结构仿真分析软件已成为当代大学生必须掌握的一种工具。

(四)开展科研项目，提高教师科研能力与教学水平

结构仿真实验室作为新的实验教学平台为教师提供良好的教学科研条件，教师通过开展科研项目，不断提高科研能力与学术水平，才能将新成果和新技术及时、准确、生动地融合在自己的实验教学中。只有不断提高教学水平和教学质量，才能应对高等教育培养创新人才的要求。

四、结语

交通工程结构实验室是培养学生工程实践能力和创新实践能力的重要基地，而实验教学内容要与工程实际相结合，通过结构仿真可拓展专业课的实验教学空间，既丰富课程体系与知识体系，又符合实际工程结构设计的流程。

在专业课实验教学中引入结构仿真软件的使用，体现了实验教学的特点，遵循了实验教学规律，有利于学生全面巩固和掌握所学知识，调动了主动研究的探索精神，有利于学生的创新能力与就业能力的提高。

[参考文献]

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