教育信息化视角下的虚拟仿真实验资源建设

王志华，曹广胜，张立刚

(东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318)

教育信息化视角下的虚拟仿真实验资源建设

王志华，曹广胜，张立刚

(东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318)

开展虚拟仿真实验教学是教育信息化视角下推进实验教学示范中心内涵建设的重要内容和有效途径。该文在介绍东北石油大学油气储运工程专业虚拟仿真实验教学平台建设概况的基础上，阐述了本专业基于多元化教学模式的虚拟仿真实验资源配置特征与内容，并从教学理念的秉承、教学过程的创新、教学特色的凝练、教学效果的提升及示范辐射效应发挥等方面展示了虚拟仿真教学的运行实践。作为一个学科专业与信息技术深度融合的案例，油气储运工程虚拟仿真实验教学资源的开发建设对于进一步促进虚拟仿真技术应用、推动实验室信息共享、落实创新创业型人才培养战略、构建一种高校实验室可持续发展的机制具有积极的借鉴意义。

信息化；仿真教学；实验资源；集成创新；人才培养

随着我国教育体制改革的不断深入，创新驱动发展引领下的创新、创业型人才培养成为科教兴国、人才强国战略的核心要素，高等学校实验室和实验教学则是创新、创业型人才培养的重要基地和关键性环节[1]。继2005年教育部贯彻国务院“2003-2007年教学振兴行动计划”启动了高等学校实验教学示范中心建设工作后，2013年又为了贯彻“教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见”和“教育信息化十年发展规划(2011-2020年)”而启动了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，这些工作旨在推动高等学校的实验室建设和实验教学改革，促进优质实验教学资源的整合与共享，全面提升高等学校的办学质量，深化创新创业教育改革，为大众创业、万众创新“蓄势”[2-3]。截止2015年初，我国已在27个省、自治区、直辖市建设了涵盖理、工、农、医、文等学科的200个虚拟仿真实验教学中心，这些中心的建设对于推动我国高等学校实验教学改革和实验条件改善，进一步完善高等学校的实验教学管理体系，促进高等学校优质教学资源的整合与开放共享，深层次提升高等学校的办学水平和教育质量，着力推动学生的实践动手能力和创新创业能力，以及促进社会经济的可持续发展和国家科技创新均具有积极的作用[4]。因此，在教育信息化视角下，充分利用现代化教学手段，重视虚拟仿真实验教学资源的建设，有效实现虚拟仿真与现实设备的互动，已成为高等学校实验教学中心内涵建设的必然方向和行之有效的途径，同时也是示范中心建设和发展的延续，对于拓展实践领域、丰富教学内容、降低教学成本和风险、全面提高学生的工程实践能力和集成创新意识具有重要意义。

1 现代化教学手段对学习兴趣的驱动

现代化教学手段作为教学方法现代化的重要组成部分，除了能使教学中信息传递的数量与质量速度均发生质的变化外，由于它集声音、图像、视频和文字等媒体为一体，有着形象性、多样性、新颖性、趣味性、直观性和丰富性等特点，应用于专业实践教学中，尤其是高温、高耗、高危不可逆、不可及和极端工况实验项目，能够创设形象逼真的教学环境、声像同步的教学情景、动静结合的教学图像，以及生动活泼的教学气氛，因此可充分调动学生的多种感官、有效驱动其学习兴趣[5]。例如，石油与天然气的储存与运输过程往往发生在数万立方米的密闭储罐和数千米长的密闭埋地管道中，许多赋存现象无法直接描述，流动参数难以全部获取，大部分生产操作又是在高温高压、有毒有害的危险环境下开展，且系统复杂、操作规模庞大、成本高昂，这就在专业人才培养中为现代化教学手段的运用提供了舞台，同时也就要求迎合工程背景和实践培养的需要，以现代化教学手段来配置虚拟仿真实验资源。从而，在这样的教学情境中，学生用计算机等现代化媒介进行全方位多层面的学习和实践，面对的是具有很强交互能力的学习工具，既可以学习必需而够用的理论知识，又可借助教学系统完成实践性环节的训练。

2 虚拟仿真实验平台建设

油气储运工程虚拟仿真实验平台作为东北石油大学“石油工程与地质”国家级实验教学示范中心和“石油与天然气工程”国家级虚拟仿真实验教学中心的核心组成，其建设之初是原油管道系统仿真和油库流程仿真两部分实验教学资源的开发与应用[6]。之后，在教育信息化视角下，我们不断推进信息技术与实验教学的深度融合，结合工程背景和本专业分阶段、分层次、分类别人才培养的理念，相继又针对石油与天然气的集输、石油与天然气的净化处理及储存、石油与天然气的运输等模块，引入了虚拟现实技术，坚持能实不虚、虚实结合、相互补充的原则，拓展了虚拟资源平台，并探索了平台的运行模式。

目前，油气储运工程虚拟仿真实验平台已基本建成了油气水分离虚拟仿真、原油脱水虚拟仿真、油库工艺运行虚拟仿真、油品装卸过程虚拟仿真、输油站泵机组切换工艺虚拟仿真、长距离输油管道运行虚拟仿真和天然气输送工艺虚拟仿真7个子平台，在实验教学改革、实验技术队伍建设、虚拟仿真技术应用与实验室信息共享方面凝练了一定的特色，取得了一定的成效，在石油与天然气工程类专业学生的工程实践能力与集成创新能力培养方面发挥着不可或缺的作用。

3 虚拟仿真实验资源配置

虚拟仿真实验资源的3个本质特征在于具有信息化技术特征、高度仿真和满足教学要求，其教学模式可分为桌面式虚拟仿真模式、分布式虚拟仿真模式、沉浸式虚拟仿真模式和增强型虚拟仿真模式[7-8]。

3.1 桌面式虚拟仿真模式的实验资源配置

桌面式虚拟仿真模式就是在计算机桌面得以呈现，用于各阶段及远程教学。按照教学大纲，平台配置的油气水分离虚拟仿真、原油脱水虚拟仿真、油品装卸过程虚拟仿真均属于这类实验资源。资源的开发严格遵循油气集输装置、油品装卸装置各单体设备及其动态生产过程的数学模型，从而实现油气水分离、原油脱水及油品装卸过程的动态仿真。具有生产装置原理再现、生产过程控制操作及油气比不同、含水量不同、装卸方式不同等具体生产工况变化的操作等几个方面的仿真训练功能。

3.2 分布式虚拟仿真模式的实验资源配置

分布式虚拟仿真模式主要是用于针对多人在线的互动操作及仿真训练。按照教学大纲划分，平台配置的长距离输油管道运行虚拟仿真便属于这类实验资源，与我国东北输油网在线运行的SCADA系统有着相似的用户操作界面，包括沿线阀室控制、泵房控制、流程控制、温度与压力参数的调节、显示等，该资源通过局域网连接各子站与控制中心，建立多人在线的操作模式，在站控状态下互动操作，实现对长距离输油管道各种工艺过程的仿真训练[9]。

3.3 沉浸式虚拟仿真模式的实验资源配置

沉浸式虚拟仿真模式主要用于工艺操作、事故还原及设备拆装训练。按照教学大纲划分，平台配置的油库工艺运行虚拟仿真、输油站泵机组切换工艺虚拟仿真、天然气输送工艺虚拟仿真均属于这类实验资源。在油库工艺运行虚拟仿真资源中，可以实现典型成品油管道输送、铁路装卸、水路装卸、公路装卸及灌桶作业等工艺操作的仿真训练；在输油站泵机组切换工艺虚拟仿真资源中，可进行站事故停电、事故停泵等事故工况的还原与模拟训练；在天然气输送工艺虚拟仿真资源中，可仿真以我国西气东输为实际工程背景的天然气长距离管道输送工艺操作[10]，可进行天然气分离、计量设备的简单拆装训练，以及清管球接收和发送过程还原。

3.4 增强型虚拟仿真模式的实验资源配置

增强型虚拟仿真模式就是采用实物仿真模型辅以3D动画场景引擎混合体系框架进行。实验室建有的密闭输送系统模拟装置、油气集输系统仿真沙盘模型为该模式资源的配置奠定了基础，也是油气储运工程虚拟仿真实验平台需要进一步建设的内容和有待拓展实现的教学功能。

4 虚拟仿真实验教学运行实践

几年来的虚拟仿真实验教学运行实践在教学理念构建、教学过程创新、教学特色凝练、教学效果发挥、示范引领等方面取得了一定的成效，相关经验也在2015年的国家级实验教学示范中心十年建设成果展示交流会上进行了学科组报告交流、讨论。

4.1 教学理念的秉承

在秉承“石油工程与地质”国家级实验教学示范中心“以培养学生为中心，以强化学生基本技能、综合技能、创新能力和工程意识为核心”这一教学理念的同时，在课内外相结合、校内校外相结合、实验实习实训相结合的基础上，通过虚拟与现实的结合，进一步提炼教学理念的内涵，从而在教学内容上更注重综合、在培养目标上更注重素质、在学生创新创业能力的提升上更注重个性。

4.2 教学过程的创新

为了提升虚拟仿真实验平台的功能，确保虚拟仿真实验资源投资效益最大化及人才培养质量，除了充分引入现代信息技术，使传统实验再现生机外，积极探索创新举措，在虚拟仿真实验教学过程中，通过将虚拟仿真资源与现实设备的有机融合，一方面注重人才的工程实践和集成创新意识，将教学过程与培养学生的实践兴趣和基本科研素质、创新设计能力相结合；另一方面兼顾科学与技术层次培养并重的模式，将教学过程与培养学生的科研思维、创造个性及科研能力相结合，同时将教学过程与教师的科研相结合，缔造科学研究支撑并不断提炼实验教学项目的有利条件。

4.3 教学特色的凝练

针对新形势下石油行业对全面发展与个性发展、创新思维与社会实践相紧密结合的人才培养需求，在示范中心已有“科研与实验教学互动、理论与实验训练互动”的实验教学特色基础上，融入虚拟仿真与现实设备的互动，凝练了“理论与实验互补、虚拟仿真与现实设备互动、科学研究、教学研究与教学实践联动”的实验教学新特色。

4.4 教学效果的评估

通过虚拟仿真实验教学的运行实践，尤其针对复杂的工艺设备和庞大的工艺系统实验，信息化技术的应用有效提高了实验效率，增强了学生的实验学习兴趣，同时延伸了学生实验训练的空间。另外，学生可以在课上实际训练操作之前，进行网络虚拟认知和预习，极大地培养了其自主实验能力。

4.5 教学功能的示范辐射

油气储运工程虚拟仿真实验平台充分发挥其在油气集输、油气净化处理、油气输送等复杂、高危环境领域的教学功能与优势，辐射到如何开展在数千米深的地层进行钻井、开采的创新教学，相继带动了同属“石油与天然气工程”国家级虚拟仿真实验教学中心的油气井工程虚拟仿真、采油采气工程虚拟仿真及油气藏工程虚拟仿真等一批虚拟仿真平台的开发与建设。

5 结束语

教育信息化通过充分发挥现代信息技术的优势，侧重于信息技术与教育的深度融合，对于当前促进教育公平和实现优质教育资源广泛共享、提高教育教学质量、推动教育教学理念的变革及培养具有国际竞争力的创新创业型人才均具有重要的作用。虚拟仿真实验教学资源建设作为虚拟仿真实验教学中心建设工作的重要内容，是实验教学信息化工作的核心组成和基本途径。结合专业实际，以顶层规划纲要为引领，我们不断建设并丰富了油气储运工程虚拟仿真实验平台，并按照教学大纲要求，配置了不同形式的虚拟仿真实验教学资源，有效克服了在油气储运真实工业环境中认知、操作的诸多限制，激发了学生自主学习的兴趣和积极性，形成了理论与实验、传统与现代、课内与课外良性互动的虚拟仿真实验资源建设模式。几年来的运行实践在教学理念秉承、教学过程创新、教学特色凝练、教学效果提升及示范辐射等方面取得了一些认识与成效。当然，随着能源供需形势的逐年严峻给油气储运行业发展带来的各种机遇和挑战，满足本专业创新创业型人才培养需求的虚拟仿真实验教学资源的建设并无止境，同时，作为构成虚拟仿真实验教学中心的整体，除了教学资源的建设，实验室管理与共享平台、实验室教学管理队伍及实验室管理体系的建设与梳理仍是一项长期而艰巨的任务。

[1]左铁镛.高等学校实验室建设的作用与思考[J].实验室研究与探索，2011，30(4)：1-5.

[2] 李滨，王芳，张立立，等.农业生物学实验优质教学资源共享平台的构建[J].实验室研究与探索，2014，33(5)：268-270.

[3] 毛玉明.通信与信息系统国家级实验教学示范中心建设[J].实验科学与技术，2012，10(4)：293-297.

[4] 王晓东，朱华，张亮.加强实验教学示范中心建设 促进实验教学改革[J].实验室研究与探索，2015，34(1)：150-153.

[5] 顾铁凤，王晓君，郭美卿.依托网络教学平台 设计力学模型动态化教学新体系[J].实验技术与管理，2014，31(11)：177-179.

[6] 王志华，龙安厚， 王利生.仿真系统在油气储运工程实验教学中的开发与应用[J].实验技术与管理，2010,27(10)：116-118.

[7] 冯其红，李晓东，马建民，等.石油勘探开发工业虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验技术与管理，2014，31(9)：1-4.

[8] 马建民，李晓东，赵仕俊.加强工程训练中心建设，提高大学生工程技能素质[J].实验技术与管理，2007，24(8)：99-101..

[9] 于达，宫敬，文继军.输油管道仿真教学系统开发研究[J].实验室研究与探索，2005，24(2)：29-32.

[10]郑建国，宋飞，陈国群，等.大型天然气管道仿真软件RealPipe-Gas 研发[J].油气储运，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

黑龙江省高等教育教学改革项目(2017年5月20日)。

王志华(1981-)，男，博士，副教授，主要从事油气储运工程专业实验教学与科研工作。

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.041