基于IOS 6開發(fā)環(huán)境的《油層物理》課程仿真實驗系統(tǒng)建設(shè)

孫致學(xué) 劉麗娜 李愛芬 孫仁遠 張凱

《油層物理》是石油工程專業(yè)基礎(chǔ)課，其任務(wù)是通過室內(nèi)實驗、課堂教學(xué)，使學(xué)生掌握石油工程的基本概念方法以及實驗技能，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)及工作打下基礎(chǔ)。依托高速無線通信網(wǎng)絡(luò)及移動終端設(shè)備，開發(fā)和豐富移動學(xué)習(xí)的教學(xué)資源，探索新的教育模式，讓大學(xué)生充分利用碎片化時間實現(xiàn)泛在學(xué)習(xí)狀態(tài)是教師需要思索的課題。筆者在總結(jié)回顧不同通信技術(shù)發(fā)展時期遠程教育特點的基礎(chǔ)上，針對《油層物理》課程特點及實驗內(nèi)容，結(jié)合智能移動終端所具有的便攜性、方便的上網(wǎng)功能和強大的信息處理能力探討了無線互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)下的課程移動學(xué)習(xí)的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，基于蘋果公司的IOS操作系統(tǒng)設(shè)計并開發(fā)《油層物理》仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，對智能移動終端在石油工程專業(yè)教學(xué)模式改革中的作用進行了初步的探索。

● 基于IOS 6開發(fā)環(huán)境的仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

針對《油層物理》實驗儀器多樣及流程較復(fù)雜的特點，對每個實驗諸多設(shè)備、裝置進行三維建模，將二維平面圖形構(gòu)建為虛擬現(xiàn)實所需要的三維模型，建立交互式、浸染式的滿足移動終端操作系統(tǒng)的油層物理實驗仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)開發(fā)主要包括以下三個步驟。

第一，油層物理實驗設(shè)備元器件三維建模。根據(jù)物理實驗內(nèi)容及類型，調(diào)研油藏油層物理實驗裝置及設(shè)備屬性參數(shù)，應(yīng)用Solid Works等三維CAD系統(tǒng)軟件構(gòu)建油藏油層物理實驗設(shè)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、連接管線等設(shè)備。

第二，油層物理仿真系統(tǒng)實驗流程建模。根據(jù)特定實驗內(nèi)容和要求，分別以巖心、油/水流體等作為建模主體，按照室內(nèi)物理實驗操作流程，構(gòu)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。

第三，油層物理仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)。根據(jù)實驗教學(xué)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?zāi)K。實驗理論模塊包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗裝置介紹、實驗內(nèi)容與步驟等部分。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(diào)度，應(yīng)用Unity3D建立物理實驗仿真流程模擬模塊。拓展實驗?zāi)K是除油藏油層物理基礎(chǔ)教學(xué)實驗之外，面向高年級用戶提供創(chuàng)新性實驗設(shè)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、3DMAX等工具軟件，調(diào)用IOS 6的編程接口應(yīng)用程序開發(fā)而成。

● 油層物理仿真實驗系統(tǒng)界面設(shè)計與應(yīng)用初探

根據(jù)《油層物理實驗講義》所涵蓋的實驗內(nèi)容，筆者開發(fā)出油層物理仿真實驗系統(tǒng)iLab V1.0版本，包括地層油高壓物性測定、流體飽和度測定等六個實驗。實驗具有相對獨立性，仿真系統(tǒng)搭建包括歡迎界面、實驗列表以及實驗內(nèi)容等三部分。仿真實驗系統(tǒng)中的高壓氣瓶、巖心夾持器、壓力表、驅(qū)替泵等嚴格按照實物應(yīng)用3DMAX進行三維建模，從幾何形態(tài)、設(shè)備參數(shù)等方面實現(xiàn)部件的模擬。

針對移動終端的油層物理實驗仿真系統(tǒng)具有三維擬真性強，操作性真實感強、高度交互性及實驗流程逼真、規(guī)范性及操作標準化等特點。學(xué)生通過系統(tǒng)交互包括滑動、輕按、擠壓及旋轉(zhuǎn)即可完成由某個仿真實驗全過程，包括實驗流程的組裝、元件選取、實驗條件的改變、數(shù)據(jù)采集及實驗報告的生成。目前，該系統(tǒng)測試版在筆者任課班級進行了初步應(yīng)用，各個實驗之間獨立性強，每個實驗運行時間約10分鐘左右，學(xué)生反饋信息表明，基于智能手機或iPad平板電腦學(xué)生可以充分利用乘車、運動間隙等碎片化時間，實現(xiàn)短、平、快的實驗預(yù)習(xí)和準備，為實驗室實際操作打下基礎(chǔ)。

● 結(jié)語

我國繼續(xù)教育領(lǐng)域資深專家、全國高校繼續(xù)教育學(xué)會副理事長兼秘書長嚴繼昌教授指出“移動學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)是終身教育體系人人皆學(xué)、處處可學(xué)、時時能學(xué)的最佳學(xué)習(xí)形式，互聯(lián)網(wǎng)和終端設(shè)備的發(fā)展使傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式得到改變，移動學(xué)習(xí)一定會成為學(xué)習(xí)型社會的主流”。目前，通識教育網(wǎng)絡(luò)課程等公開課的教學(xué)資源發(fā)展迅速，而針對石油工程等相對冷門工科專業(yè)的移動學(xué)習(xí)教學(xué)資源的相對欠缺。針對《油層物理》課程概念多、實驗操作復(fù)雜以及理論內(nèi)容抽象的特點，開發(fā)出蘋果公司IOS 6操作環(huán)境下的雙向/同步油層物理實驗仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)從教學(xué)效果上實現(xiàn)生動、直觀、形象的體驗式學(xué)習(xí)，從教育理念上實現(xiàn)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)過程的四大要素（情境、協(xié)作、會話和意義建構(gòu)）的協(xié)作互補的作用優(yōu)勢;從功能上用于油層物理基礎(chǔ)知識的理解深化、實驗流程的預(yù)習(xí)以及實驗報告生成。測試版應(yīng)用效果較好，實現(xiàn)學(xué)生碎片化時間的充分利用，但在功能和界面上需要進一步發(fā)展。借鑒該系統(tǒng)開發(fā)思路，可以形成輻射石油工程專業(yè)其他課程的移動學(xué)習(xí)教學(xué)資料的開發(fā)原則、流程和相應(yīng)技術(shù)方法?？傊S著智能移動終端設(shè)備的日益普及和高速無線互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，基于智能移動終端的移動學(xué)習(xí)理論將在石油工程專業(yè)教育中發(fā)揮更大的作用。