鉆井工程課程設(shè)計(jì)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(jì)算內(nèi)容復(fù)雜，涉及專業(yè)知識(shí)廣泛，設(shè)計(jì)任務(wù)繁多，僅僅借助于多媒體講授，學(xué)生手動(dòng)計(jì)算等傳統(tǒng)課程教學(xué)活動(dòng)難以產(chǎn)生立竿見影的教學(xué)效果，如何在實(shí)踐教學(xué)中引入信息化、智能化鉆井工程設(shè)計(jì)，是一個(gè)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(xué)案例和教學(xué)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(shí)現(xiàn)全面的互動(dòng)式、交流式學(xué)習(xí)，幫助教師掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)及設(shè)計(jì)完成情況，提高教學(xué)效果。

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

［中圖分類號(hào)］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）14-0026-03

近年來，隨著高等教育的改革，工科大學(xué)教育領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上還存在許多問題。課程設(shè)計(jì)作為本科教育中持續(xù)進(jìn)行的實(shí)踐環(huán)節(jié)，它的應(yīng)用對(duì)于實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)有著重要的作用。石油工程設(shè)計(jì)作為石油工程主干專業(yè)課程后進(jìn)行的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，各石油類高校都已將其納入了專業(yè)必修實(shí)踐課程之列[1]。通過石油工程設(shè)計(jì)課程的教學(xué)，學(xué)生不僅可以將以前所學(xué)的理論和方法運(yùn)用到實(shí)踐中，還可以將不同課程所學(xué)的知識(shí)進(jìn)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(jì)評(píng)價(jià)等生產(chǎn)科研工作的技能，解決石油工程領(lǐng)域的實(shí)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(jì)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(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)協(xié)同完成。這對(duì)石油工程專業(yè)在校本科生的鉆井工程課程教學(xué)，特別是鉆井工程課程設(shè)計(jì)提出了更高的要求，因此，高校需要加強(qiáng)學(xué)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(jìn)行教學(xué)，學(xué)生根據(jù)教師給定的任務(wù)書，按照鉆井工程的基本理論和方法，從頭到尾實(shí)現(xiàn)一口簡(jiǎn)單直井的基本設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，學(xué)生之間缺少交流與協(xié)作，也與油田企業(yè)的實(shí)際工作模式不一致。在實(shí)踐教學(xué)中，重要的是讓學(xué)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(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地完成課程學(xué)習(xí)。但這對(duì)于大多數(shù)學(xué)生來說十分困難，學(xué)生的完成情況難以體現(xiàn)顯著的教學(xué)效果[4]。

針對(duì)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(shí)現(xiàn)鉆井工程設(shè)計(jì)案例、現(xiàn)場(chǎng)資料、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的日常維護(hù)與管理，減少在教與學(xué)兩個(gè)環(huán)節(jié)中為準(zhǔn)備資料、檢索資料、繁雜的工程設(shè)計(jì)計(jì)算所做的重復(fù)無效的工作量，提高設(shè)計(jì)的針對(duì)性、有效性和教學(xué)效率[5]。學(xué)生通過對(duì)本課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，在掌握鉆井工程基本原理、基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法等綜合應(yīng)用基礎(chǔ)上，能夠完成鉆井工藝的關(guān)鍵內(nèi)容設(shè)計(jì)，包括井眼軌跡剖面設(shè)計(jì)、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、固井注水泥設(shè)計(jì)等內(nèi)容，給出合理可行的設(shè)計(jì)方案。課題組在此基礎(chǔ)上完善了鉆井工程課程設(shè)計(jì)的教學(xué)手段與教學(xué)方法，開發(fā)研制了鉆井工程課程設(shè)計(jì)一體化協(xié)同工作系統(tǒng)，為學(xué)生提供鉆井各環(huán)節(jié)較為完善的工程設(shè)計(jì)和計(jì)算基本模塊軟件，并層層分解鉆井工程課程設(shè)計(jì)目標(biāo)任務(wù)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式提高學(xué)生的積極性，從而實(shí)現(xiàn)高效、有指導(dǎo)、自主設(shè)計(jì)的鉆井工程綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐。

一、一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及功能特點(diǎn)

鉆井工程課程設(shè)計(jì)一體化協(xié)同工作系統(tǒng)立足工程教育專業(yè)認(rèn)證，將信息技術(shù)融入鉆井工程課程設(shè)計(jì)中，利用協(xié)同工作模式增強(qiáng)師生互動(dòng)、強(qiáng)化學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)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(jì)教學(xué)環(huán)境，并通過引導(dǎo)式、啟發(fā)式教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和協(xié)同創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

按照課程設(shè)計(jì)目標(biāo)，鉆井工程課程設(shè)計(jì)一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程主要涵蓋教師任務(wù)下發(fā)及管理、學(xué)生具體設(shè)計(jì)任務(wù)完成、設(shè)計(jì)匯總交流三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)分別確定二級(jí)具體任務(wù)（見圖1）。

（二）系統(tǒng)主要的功能及特點(diǎn)

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

1.設(shè)計(jì)分組登錄

設(shè)計(jì)分組登錄主要功能有教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組管理，并在每一個(gè)設(shè)計(jì)小組指定一名管理員，負(fù)責(zé)協(xié)助管理小組，每一位學(xué)生在分配到賬號(hào)后，可自行登錄并進(jìn)入系統(tǒng)。

2.協(xié)同設(shè)計(jì)任務(wù)分配

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

3.設(shè)備工具、常量標(biāo)準(zhǔn)查閱

根據(jù)國內(nèi)外的鉆井手冊(cè)，整理歸納套管數(shù)據(jù)、鉆桿數(shù)據(jù)、鉆井泵參數(shù)、鉆機(jī)參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中可隨時(shí)提取數(shù)據(jù)查閱。

4.協(xié)同鉆井工程設(shè)計(jì)

提供專業(yè)工程計(jì)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(jì)過程中，地質(zhì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)過程參數(shù)、實(shí)鉆數(shù)據(jù)充分共享，實(shí)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(shí)，要體現(xiàn)不同壓力等級(jí)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(xué)生的工程概念。

二、一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的運(yùn)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(xué)過程，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

（一）教學(xué)準(zhǔn)備階段

在課程開始之前，教師仔細(xì)研究該系統(tǒng)提供的綜合性案例和知識(shí)庫，了解其中的設(shè)計(jì)模型、算法和內(nèi)容。同時(shí)，教師可以利用系統(tǒng)的擴(kuò)充功能進(jìn)一步完善特殊工藝設(shè)計(jì)，例如復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、欠平衡鉆井、多分支井等。明確教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)后，教師可以將課程設(shè)計(jì)任務(wù)模塊化，并根據(jù)學(xué)生的能力和學(xué)習(xí)進(jìn)度設(shè)置不同的任務(wù)。

在課程預(yù)習(xí)階段，教師通過報(bào)告、圖片、視頻、PPT等方式將學(xué)習(xí)資源發(fā)布到系統(tǒng)上，學(xué)生可通過系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)。教師還可以通過系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，安排不同組的學(xué)生承擔(dān)不同的設(shè)計(jì)任務(wù)，并明確具體的鉆井工程設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)內(nèi)容。

（二）引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)

通過一體化協(xié)同工作系統(tǒng)提供的設(shè)計(jì)模型、算法和知識(shí)庫，教師引導(dǎo)學(xué)生按照設(shè)計(jì)需求查閱和學(xué)習(xí)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(xué)，而是轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生作為被動(dòng)接受者的角色，引導(dǎo)學(xué)生在充分交流思想、制定方案、協(xié)作實(shí)施的過程中，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，主動(dòng)獲取知識(shí)，并在自主學(xué)習(xí)的過程中進(jìn)行深度思考，促進(jìn)綜合能力的提升。

（三）設(shè)計(jì)任務(wù)分解與指導(dǎo)

教師可以將課程設(shè)計(jì)任務(wù)分解為不同的模塊，并在一體化協(xié)同工作系統(tǒng)中進(jìn)行明確指導(dǎo)。針對(duì)任務(wù)的難度和復(fù)雜性，教師可以提供不同層次的指導(dǎo)，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。同時(shí)，教師可以通過系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督與控制，使學(xué)生在具體的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)計(jì)算過程中及時(shí)獲取相關(guān)的專業(yè)知識(shí)和設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)將繁雜的計(jì)算和大量數(shù)據(jù)的收集工程進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少了繁雜的計(jì)算工作，幫助學(xué)生克服了以往面對(duì)大量計(jì)算任務(wù)時(shí)的畏難情緒，激發(fā)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手的興趣，培養(yǎng)深度思考的能力，從而提高設(shè)計(jì)工作的效率。

（四）鼓勵(lì)實(shí)踐與發(fā)散思維

教師通過進(jìn)一步拓展一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的功能，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用過程中獨(dú)立思考和發(fā)散思維，如鼓勵(lì)學(xué)生自主開發(fā)算法模型。學(xué)生通過拓展創(chuàng)新性思維，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、更加具有實(shí)際意義的鉆井工程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高解決復(fù)雜問題的能力。

（五）協(xié)同設(shè)計(jì)與團(tuán)隊(duì)合作

在協(xié)同設(shè)計(jì)中，教師充當(dāng)引導(dǎo)者的角色，學(xué)生之間可實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)，即一個(gè)任務(wù)可細(xì)分為相互銜接的子任務(wù)，并由不同的學(xué)生負(fù)責(zé)完成。這些任務(wù)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(jì)任務(wù)過程中促進(jìn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的提升。在這一過程中出現(xiàn)任何難點(diǎn)或者疑問，學(xué)生可在小組中與教師或同組同學(xué)展開詳細(xì)討論。在完成設(shè)計(jì)任務(wù)之后，由教師對(duì)結(jié)果進(jìn)行審核評(píng)價(jià)，最后形成鉆井工程設(shè)計(jì)報(bào)告。

（六）綜合評(píng)估與反饋

教師可以及時(shí)對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)報(bào)告進(jìn)行綜合評(píng)估，并提供積極的反饋。教師可以通過后臺(tái)掌握學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成的相關(guān)數(shù)據(jù)，如學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)資料的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、對(duì)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(jì)報(bào)告評(píng)估過程中，著重對(duì)報(bào)告中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行審核，并對(duì)報(bào)告中數(shù)據(jù)的完成程度、報(bào)告提交的時(shí)間、完成后的拓展思考等情況進(jìn)行綜合考慮。除了考查學(xué)生設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，教師還可以評(píng)價(jià)學(xué)生解決問題的能力、創(chuàng)新性思維和團(tuán)隊(duì)合作能力。通過給予個(gè)性化的反饋，鼓勵(lì)學(xué)生不斷進(jìn)步，更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

教師通過一體化協(xié)同工作系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)，將學(xué)生變成實(shí)踐教學(xué)的主角，主動(dòng)投入學(xué)習(xí)，并在協(xié)同設(shè)計(jì)中發(fā)揮更大的能動(dòng)性。教師與學(xué)生在這一新型教學(xué)模式下形成雙主體，共同推進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。這種教學(xué)模式有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和獨(dú)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(shí)，通過一體化協(xié)同工作系統(tǒng)的使用，幫助學(xué)生更好地適應(yīng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的工程實(shí)踐環(huán)境，提高他們?cè)谑凸I(yè)領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

三、結(jié)語

如何將信息技術(shù)融入鉆井工程課程設(shè)計(jì)中，以信息化技術(shù)支撐服務(wù)專業(yè)領(lǐng)域，是現(xiàn)階段課程設(shè)計(jì)中亟待解決的問題。事實(shí)證明，將鉆井工程設(shè)計(jì)分解成既有不同的側(cè)重內(nèi)容又相互聯(lián)系的各個(gè)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(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)與教師教的關(guān)系的轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生獨(dú)立思考的能力和學(xué)習(xí)興趣。該系統(tǒng)通過結(jié)合典型案例，促使學(xué)生通過模仿、借鑒完成積累，實(shí)現(xiàn)自我成長(zhǎng)，進(jìn)而提升創(chuàng)新的有效性，充分實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體的，以自主、探索、合作為特征的教學(xué)優(yōu)勢(shì)。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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[2] 黃耀琴，張樹林.“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”式的合作學(xué)習(xí)在“石油工程課程設(shè)計(jì)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)教育，2007（4）：101-104.

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［責(zé)任編輯：黃緊德］