鉆井工程課程設(shè)計一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的開發(fā)

王六鵬　劉志坤　高曉榮　倪維軍

［摘 要］鉆井工程課程計算內(nèi)容復雜，涉及專業(yè)知識廣泛，設(shè)計任務繁多，僅僅借助于多媒體講授，學生手動計算等傳統(tǒng)課程教學活動難以產(chǎn)生立竿見影的教學效果，如何在實踐教學中引入信息化、智能化鉆井工程設(shè)計，是一個急需解決的問題。文章通過構(gòu)建一體化協(xié)同工作系統(tǒng)，增加豐富的教學案例和教學資源，使一體化協(xié)同工作系統(tǒng)與鉆井工程理論背景深度融合，可以幫助師生實現(xiàn)全面的互動式、交流式學習，幫助教師掌握學生的學習動態(tài)及設(shè)計完成情況，提高教學效果。

［關(guān)鍵詞］鉆井工程；課程設(shè)計；協(xié)同工作系統(tǒng)

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）14-0026-03

近年來，隨著高等教育的改革，工科大學教育領(lǐng)域取得了長足進步，但在實踐教學環(huán)節(jié)上還存在許多問題。課程設(shè)計作為本科教育中持續(xù)進行的實踐環(huán)節(jié)，它的應用對于實踐教學改進有著重要的作用。石油工程設(shè)計作為石油工程主干專業(yè)課程后進行的實踐性教學環(huán)節(jié)，各石油類高校都已將其納入了專業(yè)必修實踐課程之列[1]。通過石油工程設(shè)計課程的教學，學生不僅可以將以前所學的理論和方法運用到實踐中，還可以將不同課程所學的知識進行相互滲透，掌握從事油氣田開發(fā)地質(zhì)、油藏工程、采油工程、經(jīng)濟評價等生產(chǎn)科研工作的技能，解決石油工程領(lǐng)域的實際問題[2]。目前，國內(nèi)外的油田企業(yè)均有專門的鉆井設(shè)計部門，需要工程、固井、鉆井液等不同專業(yè)技術(shù)人員借助先進的計算機軟件系統(tǒng)協(xié)同完成。這對石油工程專業(yè)在校本科生的鉆井工程課程教學，特別是鉆井工程課程設(shè)計提出了更高的要求，因此，高校需要加強學生軟件工具的使用和協(xié)同工作能力的培養(yǎng)[3]。

目前，許多院校石油工程專業(yè)本科生鉆井工程課程仍然采用傳統(tǒng)的手算方式進行教學，學生根據(jù)教師給定的任務書，按照鉆井工程的基本理論和方法，從頭到尾實現(xiàn)一口簡單直井的基本設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容相對簡單，學生之間缺少交流與協(xié)作，也與油田企業(yè)的實際工作模式不一致。在實踐教學中，重要的是讓學生能夠在大量的數(shù)據(jù)和材料中快速找到所需的信息，從而在較短的時間內(nèi)高質(zhì)量地完成課程學習。但這對于大多數(shù)學生來說十分困難，學生的完成情況難以體現(xiàn)顯著的教學效果[4]。

針對這一問題，通過構(gòu)建一體化協(xié)同工作系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)庫和信息管理系統(tǒng)技術(shù)，可以實現(xiàn)鉆井工程設(shè)計案例、現(xiàn)場資料、設(shè)計數(shù)據(jù)的日常維護與管理，減少在教與學兩個環(huán)節(jié)中為準備資料、檢索資料、繁雜的工程設(shè)計計算所做的重復無效的工作量，提高設(shè)計的針對性、有效性和教學效率[5]。學生通過對本課程的系統(tǒng)學習，在掌握鉆井工程基本原理、基礎(chǔ)知識和設(shè)計計算方法等綜合應用基礎(chǔ)上，能夠完成鉆井工藝的關(guān)鍵內(nèi)容設(shè)計，包括井眼軌跡剖面設(shè)計、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、固井注水泥設(shè)計等內(nèi)容，給出合理可行的設(shè)計方案。課題組在此基礎(chǔ)上完善了鉆井工程課程設(shè)計的教學手段與教學方法，開發(fā)研制了鉆井工程課程設(shè)計一體化協(xié)同工作系統(tǒng)，為學生提供鉆井各環(huán)節(jié)較為完善的工程設(shè)計和計算基本模塊軟件，并層層分解鉆井工程課程設(shè)計目標任務，以任務驅(qū)動方式提高學生的積極性，從而實現(xiàn)高效、有指導、自主設(shè)計的鉆井工程綜合設(shè)計實踐。

一、一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的設(shè)計思路及功能特點

鉆井工程課程設(shè)計一體化協(xié)同工作系統(tǒng)立足工程教育專業(yè)認證，將信息技術(shù)融入鉆井工程課程設(shè)計中，利用協(xié)同工作模式增強師生互動、強化學生之間的團隊協(xié)作，加強實踐教學的信息交互、持續(xù)溝通和資源共享，構(gòu)建一體化協(xié)同鉆井工程設(shè)計教學環(huán)境，并通過引導式、啟發(fā)式教學模式，促進學生自主學習能力和協(xié)同創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

（一）系統(tǒng)設(shè)計思路

按照課程設(shè)計目標，鉆井工程課程設(shè)計一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的設(shè)計流程主要涵蓋教師任務下發(fā)及管理、學生具體設(shè)計任務完成、設(shè)計匯總交流三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)分別確定二級具體任務（見圖1）。

（二）系統(tǒng)主要的功能及特點

基于設(shè)計流程，鉆井工程課程設(shè)計一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的主要功能界面及功能特點如下：

1.設(shè)計分組登錄

設(shè)計分組登錄主要功能有教師對學生進行分組管理，并在每一個設(shè)計小組指定一名管理員，負責協(xié)助管理小組，每一位學生在分配到賬號后，可自行登錄并進入系統(tǒng)。

2.協(xié)同設(shè)計任務分配

管理員新建設(shè)計任務，錄入設(shè)計井型、井別等基本信息，系統(tǒng)按照基本信息自動生成設(shè)計模塊（如定向井、水平井出現(xiàn)軌道設(shè)計模塊）。管理員為小組內(nèi)每一位成員分配協(xié)同設(shè)計的具體任務。

3.設(shè)備工具、常量標準查閱

根據(jù)國內(nèi)外的鉆井手冊，整理歸納套管數(shù)據(jù)、鉆桿數(shù)據(jù)、鉆井泵參數(shù)、鉆機參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，學生在設(shè)計過程中可隨時提取數(shù)據(jù)查閱。

4.協(xié)同鉆井工程設(shè)計

提供專業(yè)工程計算算法模塊，結(jié)果數(shù)據(jù)以圖表方式直觀展示，在設(shè)計過程中，地質(zhì)數(shù)據(jù)、設(shè)計過程參數(shù)、實鉆數(shù)據(jù)充分共享，實現(xiàn)協(xié)同工作。

5.專業(yè)圖形繪制

例如井口裝置圖繪制時，要體現(xiàn)不同壓力等級井口裝置的組成、節(jié)流及壓井管匯的組成都是不同的，通過系統(tǒng)設(shè)定的參考體系，培養(yǎng)學生的工程概念。

二、一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的運用

教師可以充分利用一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的豐富資源和功能融入教學過程，以實現(xiàn)教學目標。

（一）教學準備階段

在課程開始之前，教師仔細研究該系統(tǒng)提供的綜合性案例和知識庫，了解其中的設(shè)計模型、算法和內(nèi)容。同時，教師可以利用系統(tǒng)的擴充功能進一步完善特殊工藝設(shè)計，例如復雜結(jié)構(gòu)井、欠平衡鉆井、多分支井等。明確教學目標和任務后，教師可以將課程設(shè)計任務模塊化，并根據(jù)學生的能力和學習進度設(shè)置不同的任務。

在課程預習階段，教師通過報告、圖片、視頻、PPT等方式將學習資源發(fā)布到系統(tǒng)上，學生可通過系統(tǒng)自主學習基礎(chǔ)知識。教師還可以通過系統(tǒng)對學生進行分組，安排不同組的學生承擔不同的設(shè)計任務，并明確具體的鉆井工程設(shè)計流程和設(shè)計內(nèi)容。

（二）引導學生獨立學習

通過一體化協(xié)同工作系統(tǒng)提供的設(shè)計模型、算法和知識庫，教師引導學生按照設(shè)計需求查閱和學習相關(guān)資料。通過該系統(tǒng)，教師不再局限于傳統(tǒng)的課堂教學，而是轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)教學中學生作為被動接受者的角色，引導學生在充分交流思想、制定方案、協(xié)作實施的過程中，充分發(fā)揮主觀能動性，主動獲取知識，并在自主學習的過程中進行深度思考，促進綜合能力的提升。

（三）設(shè)計任務分解與指導

教師可以將課程設(shè)計任務分解為不同的模塊，并在一體化協(xié)同工作系統(tǒng)中進行明確指導。針對任務的難度和復雜性，教師可以提供不同層次的指導，滿足學生的學習需求。同時，教師可以通過系統(tǒng)對學生的學習進度和學習質(zhì)量進行監(jiān)督與控制，使學生在具體的設(shè)計和數(shù)據(jù)計算過程中及時獲取相關(guān)的專業(yè)知識和設(shè)計方法。系統(tǒng)將繁雜的計算和大量數(shù)據(jù)的收集工程進行簡化，減少了繁雜的計算工作，幫助學生克服了以往面對大量計算任務時的畏難情緒，激發(fā)學生實踐動手的興趣，培養(yǎng)深度思考的能力，從而提高設(shè)計工作的效率。

（四）鼓勵實踐與發(fā)散思維

教師通過進一步拓展一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的功能，鼓勵學生在實際應用過程中獨立思考和發(fā)散思維，如鼓勵學生自主開發(fā)算法模型。學生通過拓展創(chuàng)新性思維，實現(xiàn)更加復雜、更加具有實際意義的鉆井工程設(shè)計，進一步提高解決復雜問題的能力。

（五）協(xié)同設(shè)計與團隊合作

在協(xié)同設(shè)計中，教師充當引導者的角色，學生之間可實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計，即一個任務可細分為相互銜接的子任務，并由不同的學生負責完成。這些任務之間既有不同的側(cè)重內(nèi)容又相互關(guān)聯(lián)，在完成設(shè)計任務過程中促進團隊協(xié)作能力的提升。在這一過程中出現(xiàn)任何難點或者疑問，學生可在小組中與教師或同組同學展開詳細討論。在完成設(shè)計任務之后，由教師對結(jié)果進行審核評價，最后形成鉆井工程設(shè)計報告。

（六）綜合評估與反饋

教師可以及時對學生的設(shè)計報告進行綜合評估，并提供積極的反饋。教師可以通過后臺掌握學生在學習過程中形成的相關(guān)數(shù)據(jù)，如學生對學習資料的學習時長、對于相關(guān)資料的查閱次數(shù)、在小組討論區(qū)的活躍程度等。在設(shè)計報告評估過程中，著重對報告中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行審核，并對報告中數(shù)據(jù)的完成程度、報告提交的時間、完成后的拓展思考等情況進行綜合考慮。除了考查學生設(shè)計結(jié)果的準確性，教師還可以評價學生解決問題的能力、創(chuàng)新性思維和團隊合作能力。通過給予個性化的反饋，鼓勵學生不斷進步，更好地實現(xiàn)教學目標。

教師通過一體化協(xié)同工作系統(tǒng)對學生的引導，將學生變成實踐教學的主角，主動投入學習，并在協(xié)同設(shè)計中發(fā)揮更大的能動性。教師與學生在這一新型教學模式下形成雙主體，共同推進教學目標的實現(xiàn)。這種教學模式有助于培養(yǎng)學生的自主學習和獨立思考的能力，成為更具有創(chuàng)新精神的石油工業(yè)人才。同時，通過一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的使用，幫助學生更好地適應數(shù)字化轉(zhuǎn)型的工程實踐環(huán)境，提高他們在石油工業(yè)領(lǐng)域的核心競爭力。

三、結(jié)語

如何將信息技術(shù)融入鉆井工程課程設(shè)計中，以信息化技術(shù)支撐服務專業(yè)領(lǐng)域，是現(xiàn)階段課程設(shè)計中亟待解決的問題。事實證明，將鉆井工程設(shè)計分解成既有不同的側(cè)重內(nèi)容又相互聯(lián)系的各個模塊，結(jié)合信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)來管理所需的各種資料和數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)學生學與教師教的關(guān)系的轉(zhuǎn)變，提高學生獨立思考的能力和學習興趣。該系統(tǒng)通過結(jié)合典型案例，促使學生通過模仿、借鑒完成積累，實現(xiàn)自我成長，進而提升創(chuàng)新的有效性，充分實現(xiàn)以學生為主體的，以自主、探索、合作為特征的教學優(yōu)勢。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 楊明合，夏宏南，朱忠喜，等.對改進石油工程設(shè)計教學模式的探討[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2009（12）：199-200.

[2] 黃耀琴，張樹林.“任務驅(qū)動”式的合作學習在“石油工程課程設(shè)計”教學中的應用[J].中國地質(zhì)教育，2007（4）：101-104.

[3] 王均，劉曉慶.《鉆井工程課程設(shè)計》教學方法改革與實踐[J].教育教學論壇，2019（31）：86-87.

[4] 馮福平，張繼紅，李士斌，等.卓越工程師鉆井工程課程設(shè)計的改進措施[J].石油教育，2015（2）：62-64.

[5] 呂苗榮，黃靜，崔金棟，等.鉆井工程課程設(shè)計輔助教學系統(tǒng)的開發(fā)[J].中國地質(zhì)教育，2014，23（2）：70-75.

［責任編輯：黃緊德］