教育信息化視角下的虛擬仿真實驗資源建設

王志華，曹廣勝，張立剛

(東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318)

教育信息化視角下的虛擬仿真實驗資源建設

王志華，曹廣勝，張立剛

(東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318)

開展虛擬仿真實驗教學是教育信息化視角下推進實驗教學示范中心內(nèi)涵建設的重要內(nèi)容和有效途徑。該文在介紹東北石油大學油氣儲運工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺建設概況的基礎上，闡述了本專業(yè)基于多元化教學模式的虛擬仿真實驗資源配置特征與內(nèi)容，并從教學理念的秉承、教學過程的創(chuàng)新、教學特色的凝練、教學效果的提升及示范輻射效應發(fā)揮等方面展示了虛擬仿真教學的運行實踐。作為一個學科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的案例，油氣儲運工程虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)建設對于進一步促進虛擬仿真技術(shù)應用、推動實驗室信息共享、落實創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)戰(zhàn)略、構(gòu)建一種高校實驗室可持續(xù)發(fā)展的機制具有積極的借鑒意義。

信息化；仿真教學；實驗資源；集成創(chuàng)新；人才培養(yǎng)

隨著我國教育體制改革的不斷深入，創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展引領下的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)成為科教興國、人才強國戰(zhàn)略的核心要素，高等學校實驗室和實驗教學則是創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)的重要基地和關鍵性環(huán)節(jié)[1]。繼2005年教育部貫徹國務院“2003-2007年教學振興行動計劃”啟動了高等學校實驗教學示范中心建設工作后，2013年又為了貫徹“教育部關于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見”和“教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)”而啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作，這些工作旨在推動高等學校的實驗室建設和實驗教學改革，促進優(yōu)質(zhì)實驗教學資源的整合與共享，全面提升高等學校的辦學質(zhì)量，深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，為大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新“蓄勢”[2-3]。截止2015年初，我國已在27個省、自治區(qū)、直轄市建設了涵蓋理、工、農(nóng)、醫(yī)、文等學科的200個虛擬仿真實驗教學中心，這些中心的建設對于推動我國高等學校實驗教學改革和實驗條件改善，進一步完善高等學校的實驗教學管理體系，促進高等學校優(yōu)質(zhì)教學資源的整合與開放共享，深層次提升高等學校的辦學水平和教育質(zhì)量，著力推動學生的實踐動手能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，以及促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和國家科技創(chuàng)新均具有積極的作用[4]。因此，在教育信息化視角下，充分利用現(xiàn)代化教學手段，重視虛擬仿真實驗教學資源的建設，有效實現(xiàn)虛擬仿真與現(xiàn)實設備的互動，已成為高等學校實驗教學中心內(nèi)涵建設的必然方向和行之有效的途徑，同時也是示范中心建設和發(fā)展的延續(xù)，對于拓展實踐領域、豐富教學內(nèi)容、降低教學成本和風險、全面提高學生的工程實踐能力和集成創(chuàng)新意識具有重要意義。

1 現(xiàn)代化教學手段對學習興趣的驅(qū)動

現(xiàn)代化教學手段作為教學方法現(xiàn)代化的重要組成部分，除了能使教學中信息傳遞的數(shù)量與質(zhì)量速度均發(fā)生質(zhì)的變化外，由于它集聲音、圖像、視頻和文字等媒體為一體，有著形象性、多樣性、新穎性、趣味性、直觀性和豐富性等特點，應用于專業(yè)實踐教學中，尤其是高溫、高耗、高危不可逆、不可及和極端工況實驗項目，能夠創(chuàng)設形象逼真的教學環(huán)境、聲像同步的教學情景、動靜結(jié)合的教學圖像，以及生動活潑的教學氣氛，因此可充分調(diào)動學生的多種感官、有效驅(qū)動其學習興趣[5]。例如，石油與天然氣的儲存與運輸過程往往發(fā)生在數(shù)萬立方米的密閉儲罐和數(shù)千米長的密閉埋地管道中，許多賦存現(xiàn)象無法直接描述，流動參數(shù)難以全部獲取，大部分生產(chǎn)操作又是在高溫高壓、有毒有害的危險環(huán)境下開展，且系統(tǒng)復雜、操作規(guī)模龐大、成本高昂，這就在專業(yè)人才培養(yǎng)中為現(xiàn)代化教學手段的運用提供了舞臺，同時也就要求迎合工程背景和實踐培養(yǎng)的需要，以現(xiàn)代化教學手段來配置虛擬仿真實驗資源。從而，在這樣的教學情境中，學生用計算機等現(xiàn)代化媒介進行全方位多層面的學習和實踐，面對的是具有很強交互能力的學習工具，既可以學習必需而夠用的理論知識，又可借助教學系統(tǒng)完成實踐性環(huán)節(jié)的訓練。

2 虛擬仿真實驗平臺建設

油氣儲運工程虛擬仿真實驗平臺作為東北石油大學“石油工程與地質(zhì)”國家級實驗教學示范中心和“石油與天然氣工程”國家級虛擬仿真實驗教學中心的核心組成，其建設之初是原油管道系統(tǒng)仿真和油庫流程仿真兩部分實驗教學資源的開發(fā)與應用[6]。之后，在教育信息化視角下，我們不斷推進信息技術(shù)與實驗教學的深度融合，結(jié)合工程背景和本專業(yè)分階段、分層次、分類別人才培養(yǎng)的理念，相繼又針對石油與天然氣的集輸、石油與天然氣的凈化處理及儲存、石油與天然氣的運輸?shù)饶K，引入了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，堅持能實不虛、虛實結(jié)合、相互補充的原則，拓展了虛擬資源平臺，并探索了平臺的運行模式。

目前，油氣儲運工程虛擬仿真實驗平臺已基本建成了油氣水分離虛擬仿真、原油脫水虛擬仿真、油庫工藝運行虛擬仿真、油品裝卸過程虛擬仿真、輸油站泵機組切換工藝虛擬仿真、長距離輸油管道運行虛擬仿真和天然氣輸送工藝虛擬仿真7個子平臺，在實驗教學改革、實驗技術(shù)隊伍建設、虛擬仿真技術(shù)應用與實驗室信息共享方面凝練了一定的特色，取得了一定的成效，在石油與天然氣工程類專業(yè)學生的工程實踐能力與集成創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面發(fā)揮著不可或缺的作用。

3 虛擬仿真實驗資源配置

虛擬仿真實驗資源的3個本質(zhì)特征在于具有信息化技術(shù)特征、高度仿真和滿足教學要求，其教學模式可分為桌面式虛擬仿真模式、分布式虛擬仿真模式、沉浸式虛擬仿真模式和增強型虛擬仿真模式[7-8]。

3.1 桌面式虛擬仿真模式的實驗資源配置

桌面式虛擬仿真模式就是在計算機桌面得以呈現(xiàn)，用于各階段及遠程教學。按照教學大綱，平臺配置的油氣水分離虛擬仿真、原油脫水虛擬仿真、油品裝卸過程虛擬仿真均屬于這類實驗資源。資源的開發(fā)嚴格遵循油氣集輸裝置、油品裝卸裝置各單體設備及其動態(tài)生產(chǎn)過程的數(shù)學模型，從而實現(xiàn)油氣水分離、原油脫水及油品裝卸過程的動態(tài)仿真。具有生產(chǎn)裝置原理再現(xiàn)、生產(chǎn)過程控制操作及油氣比不同、含水量不同、裝卸方式不同等具體生產(chǎn)工況變化的操作等幾個方面的仿真訓練功能。

3.2 分布式虛擬仿真模式的實驗資源配置

分布式虛擬仿真模式主要是用于針對多人在線的互動操作及仿真訓練。按照教學大綱劃分，平臺配置的長距離輸油管道運行虛擬仿真便屬于這類實驗資源，與我國東北輸油網(wǎng)在線運行的SCADA系統(tǒng)有著相似的用戶操作界面，包括沿線閥室控制、泵房控制、流程控制、溫度與壓力參數(shù)的調(diào)節(jié)、顯示等，該資源通過局域網(wǎng)連接各子站與控制中心，建立多人在線的操作模式，在站控狀態(tài)下互動操作，實現(xiàn)對長距離輸油管道各種工藝過程的仿真訓練[9]。

3.3 沉浸式虛擬仿真模式的實驗資源配置

沉浸式虛擬仿真模式主要用于工藝操作、事故還原及設備拆裝訓練。按照教學大綱劃分，平臺配置的油庫工藝運行虛擬仿真、輸油站泵機組切換工藝虛擬仿真、天然氣輸送工藝虛擬仿真均屬于這類實驗資源。在油庫工藝運行虛擬仿真資源中，可以實現(xiàn)典型成品油管道輸送、鐵路裝卸、水路裝卸、公路裝卸及灌桶作業(yè)等工藝操作的仿真訓練；在輸油站泵機組切換工藝虛擬仿真資源中，可進行站事故停電、事故停泵等事故工況的還原與模擬訓練；在天然氣輸送工藝虛擬仿真資源中，可仿真以我國西氣東輸為實際工程背景的天然氣長距離管道輸送工藝操作[10]，可進行天然氣分離、計量設備的簡單拆裝訓練，以及清管球接收和發(fā)送過程還原。

3.4 增強型虛擬仿真模式的實驗資源配置

增強型虛擬仿真模式就是采用實物仿真模型輔以3D動畫場景引擎混合體系框架進行。實驗室建有的密閉輸送系統(tǒng)模擬裝置、油氣集輸系統(tǒng)仿真沙盤模型為該模式資源的配置奠定了基礎，也是油氣儲運工程虛擬仿真實驗平臺需要進一步建設的內(nèi)容和有待拓展實現(xiàn)的教學功能。

4 虛擬仿真實驗教學運行實踐

幾年來的虛擬仿真實驗教學運行實踐在教學理念構(gòu)建、教學過程創(chuàng)新、教學特色凝練、教學效果發(fā)揮、示范引領等方面取得了一定的成效，相關經(jīng)驗也在2015年的國家級實驗教學示范中心十年建設成果展示交流會上進行了學科組報告交流、討論。

4.1 教學理念的秉承

在秉承“石油工程與地質(zhì)”國家級實驗教學示范中心“以培養(yǎng)學生為中心，以強化學生基本技能、綜合技能、創(chuàng)新能力和工程意識為核心”這一教學理念的同時，在課內(nèi)外相結(jié)合、校內(nèi)校外相結(jié)合、實驗實習實訓相結(jié)合的基礎上，通過虛擬與現(xiàn)實的結(jié)合，進一步提煉教學理念的內(nèi)涵，從而在教學內(nèi)容上更注重綜合、在培養(yǎng)目標上更注重素質(zhì)、在學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的提升上更注重個性。

4.2 教學過程的創(chuàng)新

為了提升虛擬仿真實驗平臺的功能，確保虛擬仿真實驗資源投資效益最大化及人才培養(yǎng)質(zhì)量，除了充分引入現(xiàn)代信息技術(shù)，使傳統(tǒng)實驗再現(xiàn)生機外，積極探索創(chuàng)新舉措，在虛擬仿真實驗教學過程中，通過將虛擬仿真資源與現(xiàn)實設備的有機融合，一方面注重人才的工程實踐和集成創(chuàng)新意識，將教學過程與培養(yǎng)學生的實踐興趣和基本科研素質(zhì)、創(chuàng)新設計能力相結(jié)合；另一方面兼顧科學與技術(shù)層次培養(yǎng)并重的模式，將教學過程與培養(yǎng)學生的科研思維、創(chuàng)造個性及科研能力相結(jié)合，同時將教學過程與教師的科研相結(jié)合，締造科學研究支撐并不斷提煉實驗教學項目的有利條件。

4.3 教學特色的凝練

針對新形勢下石油行業(yè)對全面發(fā)展與個性發(fā)展、創(chuàng)新思維與社會實踐相緊密結(jié)合的人才培養(yǎng)需求，在示范中心已有“科研與實驗教學互動、理論與實驗訓練互動”的實驗教學特色基礎上，融入虛擬仿真與現(xiàn)實設備的互動，凝練了“理論與實驗互補、虛擬仿真與現(xiàn)實設備互動、科學研究、教學研究與教學實踐聯(lián)動”的實驗教學新特色。

4.4 教學效果的評估

通過虛擬仿真實驗教學的運行實踐，尤其針對復雜的工藝設備和龐大的工藝系統(tǒng)實驗，信息化技術(shù)的應用有效提高了實驗效率，增強了學生的實驗學習興趣，同時延伸了學生實驗訓練的空間。另外，學生可以在課上實際訓練操作之前，進行網(wǎng)絡虛擬認知和預習，極大地培養(yǎng)了其自主實驗能力。

4.5 教學功能的示范輻射

油氣儲運工程虛擬仿真實驗平臺充分發(fā)揮其在油氣集輸、油氣凈化處理、油氣輸送等復雜、高危環(huán)境領域的教學功能與優(yōu)勢，輻射到如何開展在數(shù)千米深的地層進行鉆井、開采的創(chuàng)新教學，相繼帶動了同屬“石油與天然氣工程”國家級虛擬仿真實驗教學中心的油氣井工程虛擬仿真、采油采氣工程虛擬仿真及油氣藏工程虛擬仿真等一批虛擬仿真平臺的開發(fā)與建設。

5 結(jié)束語

教育信息化通過充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢，側(cè)重于信息技術(shù)與教育的深度融合，對于當前促進教育公平和實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源廣泛共享、提高教育教學質(zhì)量、推動教育教學理念的變革及培養(yǎng)具有國際競爭力的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才均具有重要的作用。虛擬仿真實驗教學資源建設作為虛擬仿真實驗教學中心建設工作的重要內(nèi)容，是實驗教學信息化工作的核心組成和基本途徑。結(jié)合專業(yè)實際，以頂層規(guī)劃綱要為引領，我們不斷建設并豐富了油氣儲運工程虛擬仿真實驗平臺，并按照教學大綱要求，配置了不同形式的虛擬仿真實驗教學資源，有效克服了在油氣儲運真實工業(yè)環(huán)境中認知、操作的諸多限制，激發(fā)了學生自主學習的興趣和積極性，形成了理論與實驗、傳統(tǒng)與現(xiàn)代、課內(nèi)與課外良性互動的虛擬仿真實驗資源建設模式。幾年來的運行實踐在教學理念秉承、教學過程創(chuàng)新、教學特色凝練、教學效果提升及示范輻射等方面取得了一些認識與成效。當然，隨著能源供需形勢的逐年嚴峻給油氣儲運行業(yè)發(fā)展帶來的各種機遇和挑戰(zhàn)，滿足本專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)需求的虛擬仿真實驗教學資源的建設并無止境，同時，作為構(gòu)成虛擬仿真實驗教學中心的整體，除了教學資源的建設，實驗室管理與共享平臺、實驗室教學管理隊伍及實驗室管理體系的建設與梳理仍是一項長期而艱巨的任務。

[1]左鐵鏞.高等學校實驗室建設的作用與思考[J].實驗室研究與探索，2011，30(4)：1-5.

[2] 李濱，王芳，張立立，等.農(nóng)業(yè)生物學實驗優(yōu)質(zhì)教學資源共享平臺的構(gòu)建[J].實驗室研究與探索，2014，33(5)：268-270.

[3] 毛玉明.通信與信息系統(tǒng)國家級實驗教學示范中心建設[J].實驗科學與技術(shù)，2012，10(4)：293-297.

[4] 王曉東，朱華，張亮.加強實驗教學示范中心建設 促進實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2015，34(1)：150-153.

[5] 顧鐵鳳，王曉君，郭美卿.依托網(wǎng)絡教學平臺 設計力學模型動態(tài)化教學新體系[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31(11)：177-179.

[6] 王志華，龍安厚， 王利生.仿真系統(tǒng)在油氣儲運工程實驗教學中的開發(fā)與應用[J].實驗技術(shù)與管理，2010,27(10)：116-118.

[7] 馮其紅，李曉東，馬建民，等.石油勘探開發(fā)工業(yè)虛擬仿真實驗教學中心建設[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31(9)：1-4.

[8] 馬建民，李曉東，趙仕俊.加強工程訓練中心建設，提高大學生工程技能素質(zhì)[J].實驗技術(shù)與管理，2007，24(8)：99-101..

[9] 于達，宮敬，文繼軍.輸油管道仿真教學系統(tǒng)開發(fā)研究[J].實驗室研究與探索，2005，24(2)：29-32.

[10]鄭建國，宋飛，陳國群，等.大型天然氣管道仿真軟件RealPipe-Gas 研發(fā)[J].油氣儲運，2011，30(9)：659-662.

TheConstructionofVirtualSimulationExperimentResourcesinthePerspectiveofEducationalInformationization

WANG Zhihua，CAO Guangsheng，ZHANG Ligang

(College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China)

Carrying out virtual simulation experiment teaching is an important content and effective way to promote the connotation construction of the experimental teaching demonstration center from the perspective of educational informationization.Based on the introduction of the virtual simulation experiment platform of the oil and gas storage and transportation engineering specialty of the Northeast Petroleum University，this paper expounds the characteristics and contents of the resource allocation of virtual simulation experiment based on the diversified teaching mode.And the practice of virtual simulation teaching is demonstrated to teaching ideas，innovation in teaching process，abstracting to teaching characteristics，improvement of teaching effect，development of demonstration radiation effect.As a case of deep integration of subject disciplines and information technology，the development and construction of virtual simulation experiment teaching resources for oil and gas storage and transportation engineering to further promote the application of virtual simulation technology，has a positive reference significance for promoting the application of virtual simulation technology，promoting laboratory information sharing，carrying out the strategy of innovative entrepreneurial talent cultivation，and building a sustainable development of university laboratory mechanism.

informatization；simulation teaching；experiment resources；integrated innovation；personnel training

2016-01-05；修改日期:2017-05-31

黑龍江省高等教育教學改革項目(2017年5月20日)。

王志華(1981-)，男，博士，副教授，主要從事油氣儲運工程專業(yè)實驗教學與科研工作。

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.041