王志華，張繼紅，曹廣勝

優(yōu)質(zhì)實驗資源共享環(huán)境下的虛擬仿真教學(xué)實踐

王志華，張繼紅，曹廣勝

(東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶， 163318)

結(jié)合啟動虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的背景，針對東北石油大學(xué)油氣儲運工程虛擬仿真實驗室的發(fā)展歷程和建設(shè)現(xiàn)狀，從共享可能性、共享模式及共享成效出發(fā)，闡述了該實驗室優(yōu)質(zhì)資源的開放與共享狀況，進而對優(yōu)質(zhì)實驗資源共享背景下的專業(yè)虛擬仿真教學(xué)進行了展示。教學(xué)實踐表明，基于專業(yè)綜合虛擬仿真訓(xùn)練和學(xué)科前沿虛擬仿真認知兩個層次的教學(xué)模式，初步形成了教學(xué)過程的設(shè)計與管理舉措，構(gòu)建了教學(xué)效果評價與質(zhì)量監(jiān)控的方法，提高了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，也使實驗教學(xué)示范中心的內(nèi)涵建設(shè)取得成效，學(xué)科專業(yè)間資源布局的科學(xué)性進一步得到了彰顯。

實驗資源；開放共享；仿真教學(xué)；人才培養(yǎng)

虛擬仿真實驗教學(xué)作為高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，主要依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，以期學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果和人才培養(yǎng)目標[1]。教育部為貫徹落實 《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》(教高(2012)4號)及 《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》的文件精神，在2013年8月就研究決定分年度建設(shè)一批具有示范引領(lǐng)作用的虛擬仿真實驗教學(xué)中心，截至目前，全國已建成200個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。作為學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，虛擬仿真實驗教學(xué)旨在推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新、全面提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量，但其核心仍在于共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源[2]。優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的共享能夠?qū)⒂邢薜馁Y源用于無限的客體，既可以避免資源浪費，而且還可以使資源的效用達到最優(yōu)，促成高等教育教學(xué)的良性發(fā)展，從而為實現(xiàn)高校人才培養(yǎng)、科學(xué)研究及服務(wù)社會3大根本任務(wù)提供有益保障[3]。眾所周知，近年來，一大批國家級實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)與發(fā)展有力促成了實驗教學(xué)資源的共享，尤其是校內(nèi)實驗教學(xué)資源的普遍開放與共享。因此，在此背景下，繼續(xù)堅持 “科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，推進虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)與發(fā)展，多元化開展虛實結(jié)合、相互補充的虛擬仿真實驗教學(xué)，對于拓展實踐領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容、降低教學(xué)成本和風(fēng)險、全面提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力均具有重要意義。

1 虛擬仿真實驗室概況

東北石油大學(xué)石油與天然氣工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心入選為2013年首批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，該中心依托東北石油大學(xué)石油工程與地質(zhì)國家級實驗教學(xué)示范中心，建設(shè)有油氣井工程虛擬仿真實驗室、油氣藏工程虛擬仿真實驗室、采油采氣工程虛擬仿真實驗室和油氣儲運工程虛擬仿真實驗室。其中，油氣儲運工程虛擬仿真實驗室建設(shè)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(xué)資源的開發(fā)與應(yīng)用[4]。石油與天然氣在儲存與運輸過程，發(fā)生在數(shù)萬立方米的儲罐和數(shù)千米長的密閉油氣管道中，許多現(xiàn)象無法直接觀察和描述，參數(shù)難以全部獲取，大部分操作又是在高溫高壓、有毒有害的危險環(huán)境下進行，且系統(tǒng)復(fù)雜、操作規(guī)模龐大、操作成本高。因此，在構(gòu)建科學(xué)化教育教學(xué)體系的背景下，鑒于在傳統(tǒng)教學(xué)中這些環(huán)節(jié)因受場地、資源限制而無法用真實的實驗來實現(xiàn)，學(xué)生只能憑想象去理解，缺少感性認識，在一定程度上制約學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，達不到應(yīng)有的教學(xué)效果，東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院在已有這兩部分實驗教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，針對石油與天然氣集輸、凈化處理及儲存、輸運等各項工程，通過不斷引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，探索解決上述問題的有效途徑，力求學(xué)生的視野能夠穿透工藝設(shè)備、管道和時空，直觀再現(xiàn)油氣儲運過程中的存在狀態(tài)和現(xiàn)象。

目前，油氣儲運工程虛擬仿真實驗室結(jié)合本專業(yè)所研究和從事的行業(yè)領(lǐng)域，以實際工程為背景，初步建成了油氣集輸環(huán)節(jié)的 “油氣水分離”和“原油脫水”虛擬仿真教學(xué)資源、油品儲存環(huán)節(jié)的“油庫工藝運行”虛擬仿真教學(xué)資源、油氣輸運環(huán)節(jié)的 “油品裝卸過程”虛擬仿真教學(xué)資源、“輸油站泵機組切換工藝”虛擬仿真教學(xué)資源、“長距離輸油管道運行”虛擬仿真教學(xué)資源和 “天然氣輸送工藝”虛擬仿真教學(xué)資源，形成了軟硬件充分結(jié)合、信息化較為完備、資源開放共享的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，有效推進了信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，在本專業(yè)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面發(fā)揮著重要作用。

2 實驗室資源的開放與共享

開放共享主要是指不同主體對于資源在不同程度上的開放式共同享有、享受和使用[5]。實驗室資源的開放與共享包括校內(nèi)資源的開放共享和校際資源的開放共享。本文主要介紹校內(nèi)優(yōu)質(zhì)實驗資源，特別是相關(guān)專業(yè)實驗室資源的共享及其對虛擬仿真實驗教學(xué)平臺搭建所發(fā)揮的作用。

2.1 實驗教學(xué)資源共享的可能性

除了共享的需求外，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持以其特有的交互性、開放性和流動性為優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源共享提供了技術(shù)上的支持，使得高校內(nèi)部有了共享優(yōu)質(zhì)資源的可能，專業(yè)之間的空間位置已不再是資源共享不可逾越的鴻溝。于是，有條件充分利用其他專業(yè)各種適合的網(wǎng)絡(luò)平臺或信息資源庫，在共享環(huán)境下搭建相關(guān)教學(xué)實踐平臺。

2.2 實驗教學(xué)資源共享的模式

借鑒國外學(xué)術(shù)共同市場、組建聯(lián)盟及開放網(wǎng)絡(luò)課程 “慕課”等一些比較成功的共享模式范例[6]，對于優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享，在頂層規(guī)劃方面，國內(nèi)主要形成了高校與地方共建的聯(lián)盟模式，旨在實現(xiàn)資源共享、提高學(xué)術(shù)水平、抑制過度競爭，以戰(zhàn)略聯(lián)盟的形式推動高校的快速發(fā)展[7-9]。不過，在具體運行中，仍然以校內(nèi)資源共享模式為主，且相對比較成熟，如其特色學(xué)科建設(shè)成果的共享、優(yōu)質(zhì)課程的共享、實驗室高端儀器設(shè)備的共享等。面對信息化條件下自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)等實驗教學(xué)方法改革的需要，我們結(jié)合油氣儲運工程專業(yè)特點和軟硬件條件實際情況，以擴展建設(shè)操作控制臺、投影系統(tǒng)等硬件設(shè)施和系統(tǒng)整合相關(guān)專業(yè)間的信息化實驗教學(xué)資源為出發(fā)點，從網(wǎng)絡(luò)平臺及信息資源庫的開放共享入手，進一步拓展這種共享模式，將石油與天然氣工程類專業(yè)實驗教學(xué)的運行與管理網(wǎng)絡(luò)平臺及開放性、創(chuàng)新性實驗綜合信息資源庫等教學(xué)資源進行開放，并針對本專業(yè)所設(shè)計的各類虛擬仿真實驗教學(xué)資源，在拓展接口上進行開發(fā)，使不同的仿真教學(xué)資源運行在同一臺服務(wù)器上，共享其中部分軟硬件的同時，以低的成本促成了虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的搭建，進而形成持續(xù)服務(wù)實驗教學(xué)，保證優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源開放共享的有機整體。

2.3 實驗教學(xué)資源共享的成效

1)以網(wǎng)絡(luò)通信、信息資源為主的共享體制機制基本形成。雖然在自主權(quán)缺乏、管理模式相對封閉、管理理念相對滯后的大環(huán)境下，校內(nèi)資源共享仍然不夠完善，但緣于示范中心發(fā)展、虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)以及信息渠道更為公開的合力作用，以同一一級學(xué)科內(nèi)專業(yè)間網(wǎng)絡(luò)通信、信息資源為主的共享體制機制基本形成。

2)專業(yè)實驗室間資源共享意識得以提升，共享制度日趨完善。虛擬仿真實驗室建設(shè)中虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則要求，使得資源共享意識普遍提高，尤其是對相關(guān)性專業(yè)實驗室之間。同時，由于信息技術(shù)資源對時空沒有過多的依賴性，制定的共享制度執(zhí)行順暢、可操作性強，且在教學(xué)運行及管理中發(fā)揮著積極作用，有效保證了實驗教學(xué)資源開放共享的質(zhì)量。

3)推動了虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的搭建，豐富了虛擬仿真教學(xué)資源，提升了優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的使用效益。虛擬仿真實驗教學(xué)以共享優(yōu)質(zhì)資源為核心，因此，這種開放共享又同步會促進虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建，并豐富教學(xué)內(nèi)容。同時，通過這種開放共享，一方面使資源和經(jīng)費投入不足的專業(yè)可以充分利用本學(xué)科其他相關(guān)性專業(yè)的資源繼續(xù)完成培養(yǎng)學(xué)生的目標；另一方面使優(yōu)質(zhì)資源擁有專業(yè)充分發(fā)揮資源使用效益，避免因使用不足導(dǎo)致的閑置或浪費，從而有效緩解專業(yè)建設(shè)投入不足、資源分布欠均衡的矛盾。

4)促進了實驗教學(xué)示范中心的內(nèi)涵建設(shè)，使學(xué)科專業(yè)間資源布局更具科學(xué)性，更為明顯的輻射引領(lǐng)效應(yīng)逐步彰顯。通過優(yōu)質(zhì)資源的開放共享，使得專業(yè)實驗教學(xué)內(nèi)容更具層次化、教學(xué)方法更加多樣化、開設(shè)實驗更為自主化、對本專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)更加個性化、教與學(xué)的時間進一步自由化、教學(xué)管理也更加信息化、學(xué)生的綜合能力也更向多維化發(fā)展，而這正是國家級實驗教學(xué)示范中心內(nèi)涵建設(shè)的核心與關(guān)鍵。

3 虛擬仿真教學(xué)案例

3.1 教學(xué)層次和內(nèi)容的劃分

基于實驗室現(xiàn)有的虛擬仿真教學(xué)資源和平臺，按照 “油氣集輸”“油庫設(shè)計與管理” “輸油管道設(shè)計與管理”及 “輸氣管道設(shè)計與管理”等不同的課程及其教學(xué)大綱，著眼于學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)的深度融合及學(xué)生創(chuàng)新精神與實踐能力的培養(yǎng)訓(xùn)練，同時把握以實為本、虛實結(jié)合的原則，劃分了專業(yè)綜合虛擬仿真訓(xùn)練、學(xué)科前沿虛擬仿真認知兩個層次的虛擬仿真實驗教學(xué)模式。在具體教學(xué)內(nèi)容上，按照油氣儲運工程背景，依次劃分為油氣集輸工藝與設(shè)備虛擬仿真訓(xùn)練、油品儲存與裝卸工藝虛擬仿真訓(xùn)練、原油管道系統(tǒng)運行虛擬仿真訓(xùn)練和天然氣輸送虛擬仿真認知。

3.2 教學(xué)過程的設(shè)計與管理

在教學(xué)過程設(shè)計中，除了積極探索各種類型實驗的優(yōu)勢互補，將動畫模擬、虛擬仿真和實物實驗進行優(yōu)化組合外，基于網(wǎng)上構(gòu)建的實驗教學(xué)環(huán)境，學(xué)生訪問獲取實驗相關(guān)信息、開展虛擬實驗、提交實驗報告并與教師和其他學(xué)生交流。如圖1所示，對于所設(shè)計的教學(xué)過程，學(xué)生可以方便地修正、重組、查驗和嘗試，既滿足了實驗的靈活性和有效性的要求，又極大地減少了實驗成本和資源消耗。

圖1 單體設(shè)備與主體工藝的虛擬重組

在教學(xué)過程管理中，力求流程化，使學(xué)生在最短的時間內(nèi)進入實驗狀態(tài)，也就是通過對實驗課程管理、實驗教學(xué)設(shè)計、實驗教學(xué)安排、實驗前預(yù)習(xí)、實驗過程指導(dǎo)，到最后實驗結(jié)果的批改、實驗成績的分析等，實現(xiàn)對整個虛擬仿真實驗教學(xué)過程的全流程跟蹤。特別是東北石油大學(xué)借鑒其他高校的做法[10-12]，正探索基于網(wǎng)絡(luò)的流程化管理來有效促進包括虛擬仿真實驗在內(nèi)的專業(yè)實驗的統(tǒng)一安排、優(yōu)化組合，以提高實驗教學(xué)工作的效率和規(guī)范，尤其為開放共享虛擬仿真實驗資源奠定良好基礎(chǔ)。

3.3 教學(xué)效果的評價與質(zhì)量監(jiān)控

在虛擬仿真教學(xué)效果的評價中，對于學(xué)生能力的培養(yǎng)，我們目前從兩個層面進行評估和反饋。首先是針對教學(xué)過程本身，包括學(xué)生的操作能力、分析和診斷能力、設(shè)計能力及創(chuàng)新能力，在單次實驗項目評價的基礎(chǔ)上，專業(yè)課程結(jié)束時舉行所有層次仿真的搭建與應(yīng)用考核，一方面鞏固虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容，另一方面也是對教學(xué)效果的整體評價；其次，東北石油大學(xué)以與實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)極具關(guān)聯(lián)性的中國石油工程設(shè)計大賽為背景和契機，對學(xué)生完成的單項與綜合方案設(shè)計作品進行展示、答辯和評定，全方位監(jiān)控虛擬仿真教學(xué)的效果和質(zhì)量。

4 認識與展望

總之，在優(yōu)質(zhì)實驗資源的開放共享下，虛擬仿真實驗教學(xué)有利于學(xué)生實現(xiàn)從知識學(xué)習(xí)到實驗動手的跨越，這種虛實結(jié)合、相互輔助的實驗教學(xué)形式更能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效提升實驗教學(xué)的質(zhì)量。教學(xué)實踐表明，對工程背景較強的學(xué)科專業(yè)的學(xué)生來說，虛擬仿真實驗室的操作環(huán)境和實驗對象雖然是虛擬的，但都很逼真。在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中可以開展更高效、安全，且經(jīng)濟的實驗，尤其是對于那些涉及高壓力、易燃易爆的高危或極端環(huán)境，不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目，學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力取得明顯提高。當然，豐富的虛擬仿真實驗教學(xué)資源和全新的虛擬仿真實驗教學(xué)管理共享平臺依然是虛擬仿真實驗室建設(shè)的重要內(nèi)容，在現(xiàn)有虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境中進一步重視相關(guān)課程和相應(yīng)實驗的擴展，繼續(xù)以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點、以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，是實現(xiàn)高層次實驗室建設(shè)、高質(zhì)量實驗教學(xué)和高水平人才培養(yǎng)的一項長期任務(wù)。

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The Teaching Practice of Virtual Simulation Under The Environment of High Quality Experiment Resources Sharing

WANG Zhihua， ZHANG Jihong， CAO Guangsheng
(College of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China)

Combined with the background of starting the virtual simulation experiment teaching center construction，this paper introduces the development course and construction status of virtual simulation laboratory of oil and gas storage and transportation engineering in our university.From the sharing the possibility， sharing mode and sharing effect， this paper expounds the opening and sharing of quality resources of the laboratory，and then displays the professional virtual simulation teaching under the background of the high quality experimental resources sharing.Teaching practice shows that based on the two levels'teaching mode of the professional comprehensive virtual simulation training and frontier virtual simulation cognition，it has formed the design and management initiatives of the teaching process， constructed the method of teaching effect evaluation and quality control， improved the students'innovative spirit and practical ability.The connotation construction of the experimental teaching demonstration center gets result，scientific of the resource layout of the subject major has been further demonstrated.

experimental resources； open sharing； simulation teaching； personnel training

G482

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.018

2016-02-29；修改日期:2016-10-11

黑龍江省高等教育教學(xué)改革項目 “教育信息化視角下石油與天然氣工程虛擬仿真實驗資源建設(shè)與實踐”資助。

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(xué)與研究工作。