汪佳蓓，賴富強(qiáng)，李小剛，徐少華，何加成，黃兆輝，陳 青，朱章雄

重慶科技學(xué)院 石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331

2013年8月教育部印發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，正式啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作。文件指出，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校的信息化建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范性中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是信息技術(shù)與學(xué)科專業(yè)深度融合的產(chǎn)物[1]。2018年9月，關(guān)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化建設(shè)，教育部印發(fā)了《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》，在“構(gòu)建全方位全過(guò)程深度融合的協(xié)同育人新機(jī)制”中明確提出“綜合運(yùn)用校內(nèi)外資源，建設(shè)滿足實(shí)踐教學(xué)需要的實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”[2]。

重慶科技學(xué)院在《重慶科技學(xué)院高水平新工科建設(shè)高校建設(shè)方案》指出，抓實(shí)實(shí)踐教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)，積極推進(jìn)線上線下混合式教學(xué)改革，推進(jìn)信息技術(shù)和教育教學(xué)深度融合，充分體現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)的建立、創(chuàng)新和改革是教學(xué)改革的重中之重。加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)、抓實(shí)實(shí)踐教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)是我校一流應(yīng)用型本科建設(shè)的核心內(nèi)容之一。地震解釋虛擬仿真實(shí)踐項(xiàng)目建設(shè)正是我校本科重點(diǎn)教改項(xiàng)目之一，但學(xué)院地震解釋相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)尚處于建設(shè)初期，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源還比較缺乏。對(duì)于石油勘探類(lèi)諸多現(xiàn)象、特征和規(guī)律的認(rèn)知，充滿著高風(fēng)險(xiǎn)、不可見(jiàn)、不可達(dá)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段能夠直觀展示地下特征，通過(guò)虛擬仿真現(xiàn)實(shí)，構(gòu)建仿真虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，可以使學(xué)生在安全的環(huán)境下獲得直觀的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。

一、石油勘探開(kāi)發(fā)虛擬仿真建設(shè)現(xiàn)狀

虛擬仿真平臺(tái)是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合多媒體、人機(jī)交互等多種計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建的高度仿真虛擬環(huán)境[3]。該平臺(tái)體現(xiàn)了人機(jī)交互性、以實(shí)為本，虛實(shí)結(jié)合，且易于維護(hù)性。平臺(tái)的重點(diǎn)性體現(xiàn)在虛擬仿真系統(tǒng)能夠克服真實(shí)環(huán)境中存在的各種限制，提供經(jīng)濟(jì)安全、穩(wěn)定可靠的虛擬環(huán)境，滿足實(shí)踐教學(xué)的需求[4]。由于石油行業(yè)的不可及、不可視、高風(fēng)險(xiǎn)等操作過(guò)程的特點(diǎn)，因此實(shí)踐教學(xué)中需要利用信息化技術(shù)，借助于虛擬仿真手段，使地下特征變得直觀、形象，具可操作性，能夠鞏固對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知，從而提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力[5-6]。國(guó)外石油相關(guān)高校已經(jīng)有部分建設(shè)起沉浸式虛擬仿真系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)各個(gè)石油高校也在大力建設(shè)中，但總的來(lái)說(shuō)，由于建設(shè)成本較高，已經(jīng)建好并且形成廣泛應(yīng)用的高校較少，建設(shè)任務(wù)依然繁重。自從開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申報(bào)以來(lái)，認(rèn)定為國(guó)家級(jí)的項(xiàng)目中，地質(zhì)類(lèi)有11個(gè)，海洋科學(xué)類(lèi)和地球物理類(lèi)均為0個(gè)，11個(gè)項(xiàng)目見(jiàn)表1，均為2018年認(rèn)定結(jié)果。從認(rèn)定結(jié)果來(lái)看，和石油勘探聯(lián)系最緊密的有5個(gè)，分別為吉林大學(xué)的地震波動(dòng)理論實(shí)驗(yàn)和興城野外路線地質(zhì)虛擬仿真教學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)（華東）的油田地質(zhì)實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）的北京周口店野外地質(zhì)仿真模擬實(shí)習(xí)和東北石油大學(xué)的油氣勘探地球物理測(cè)井虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?？梢?jiàn)石油勘探相關(guān)專業(yè)的虛擬仿真建設(shè)依然還存在大量的建設(shè)空間。

表1 2017年以來(lái)石油勘探相關(guān)的國(guó)家級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目

二、我校開(kāi)展地震解釋仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的重要性

1.工程教育認(rèn)證特別強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力”

高等學(xué)校工程教育認(rèn)證越來(lái)越受到高校的重視，其中畢業(yè)要求達(dá)成度的分析和評(píng)價(jià)是高校工程教育認(rèn)證中的核心部分，而“解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力”又是畢業(yè)要求中的關(guān)鍵所在[7-8]?！芭囵B(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力”就是要求高校工程類(lèi)的相關(guān)專業(yè)需要緊密聯(lián)系實(shí)踐，在培養(yǎng)方案的制訂、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的加強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)等多方面都必須進(jìn)行探索和嘗試。通過(guò)以“復(fù)雜工程問(wèn)題”為目標(biāo)，加強(qiáng)實(shí)習(xí)基地的橫向聯(lián)系，搭建學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和產(chǎn)學(xué)研平臺(tái)建設(shè)，緊扣“培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力”的主題，開(kāi)展適應(yīng)我國(guó)工程教育新形勢(shì)的專業(yè)改革。地震解釋課程群是綜合性實(shí)踐性課程，是真正要求培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題能力的課程[9-10]。通過(guò)將油田現(xiàn)場(chǎng)解釋內(nèi)容轉(zhuǎn)化為實(shí)踐教學(xué)，在課堂授課與實(shí)踐訓(xùn)練的融合中進(jìn)行教學(xué)，用所建立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生通過(guò)參與實(shí)踐教學(xué)以加深對(duì)地震解釋方法原理的理解，并掌握地震解釋的操作流程。對(duì)實(shí)踐中遇到的難題，可結(jié)合虛擬仿真來(lái)加以分析研究，對(duì)提高學(xué)生“培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力”有很大幫助。

2.地震解釋課程群涵蓋課程廣且課程具有很強(qiáng)實(shí)踐性

地震解釋課程群是以資源勘查工程、地質(zhì)學(xué)和勘查技術(shù)與工程等專業(yè)的“地震資料綜合解釋”課程為核心，以“地震勘探原理”“地震地層學(xué)”“地震地下地質(zhì)學(xué)”“構(gòu)造地質(zhì)學(xué)”“地球物理課程設(shè)計(jì)”和研究生課程“地球物理綜合勘探實(shí)訓(xùn)”等系列理論和實(shí)踐課程為輔助，共同構(gòu)建的一個(gè)以解決地下地層構(gòu)造特征、地層特征和巖性特征的專業(yè)課程群。該課程群主要研究地下各種地質(zhì)體的構(gòu)造現(xiàn)象、組合形式、巖性特征及其形成和發(fā)育規(guī)律，探索地層中油氣形成和分布的過(guò)程，并解決油氣形成富集過(guò)程的構(gòu)造和巖性問(wèn)題。該課程群不僅對(duì)闡明地質(zhì)構(gòu)造在空間上的相互關(guān)系、探討何種地層形態(tài)下更易富集油氣具有重要的理論意義，而且對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，解決地震勘探、工程地質(zhì)、地震地質(zhì)及石油物探等方面的有關(guān)問(wèn)題具有重要實(shí)踐意義，學(xué)生可以把學(xué)到的知識(shí)與工程現(xiàn)場(chǎng)需求相對(duì)接，這樣能夠更好地開(kāi)拓學(xué)生的思維，且能很大程度提高學(xué)生的積極性和自主學(xué)習(xí)能力?，F(xiàn)在的大學(xué)生科技創(chuàng)新，各類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽包含全國(guó)油氣地質(zhì)大賽和“東方杯”勘探地球物理大賽，均要求學(xué)生具有很強(qiáng)的地震資料解釋的實(shí)踐能力。

三、仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的探索與實(shí)踐

1.平臺(tái)建設(shè)背景

地震解釋人機(jī)聯(lián)作仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)是基于地球物理計(jì)算中心和物探技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，該平臺(tái)是基于重慶科技學(xué)院和中國(guó)石油東方地球物理公司校企聯(lián)合共建實(shí)驗(yàn)室，目前主要包含地球物理計(jì)算中心和油氣儲(chǔ)層預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室兩個(gè)部分。地球物理計(jì)算中心現(xiàn)有主要設(shè)備為聯(lián)想深騰1800PC集群、大型交換機(jī)、解釋工作站、終端圖形工作站和GEOEAST軟件以及其他各類(lèi)配套設(shè)施，目前在海量數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力方面與西南地區(qū)同類(lèi)高校相比優(yōu)勢(shì)明顯。

2.地震解釋人機(jī)聯(lián)作仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)內(nèi)容

（1）不同沉積環(huán)境下地層數(shù)據(jù)三維可視化建設(shè)。

選取不同沉積環(huán)境下的原始地震數(shù)據(jù)，將地震數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真系統(tǒng)后轉(zhuǎn)換為可以視覺(jué)識(shí)別的三維體，利用已有的三維地震可視化解釋技術(shù)，將地震數(shù)據(jù)變成可調(diào)顏色的三維模型，學(xué)生能夠查看內(nèi)部特征（圖1）。通過(guò)不同高低值的振幅，顯示地震道，以便查看地下地層形態(tài)特征。同時(shí)可以對(duì)三維地震內(nèi)部信息進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部地層特征和結(jié)構(gòu)的觀察。通過(guò)不同顏色的調(diào)整和數(shù)據(jù)區(qū)域的選取，可以突出局部異常特征, 實(shí)現(xiàn)特殊地質(zhì)體或者異常體的分離觀察。在仿真系統(tǒng)中學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中某個(gè)沉積環(huán)境下的數(shù)據(jù)案例進(jìn)行查看和分析，有助于學(xué)生對(duì)地下地層的特征有直觀的感受，并得出自己的理解和認(rèn)識(shí)。

圖1 三維可視化地層特征彩色仿真圖

（2）不同屬性數(shù)據(jù)體的定義及切片演示模塊的建設(shè)。

將已經(jīng)提取好的屬性體及具有典型特征的不同切片圖導(dǎo)入仿真系統(tǒng)。屬性體數(shù)據(jù)可以有助于學(xué)生觀察到地層內(nèi)部的沉積和構(gòu)造特征。學(xué)生可以在仿真系統(tǒng)中選取相應(yīng)的屬性體，并能夠進(jìn)行屬性體切片的查看，同時(shí)屬性體旁邊對(duì)應(yīng)不同屬性體的定義和解釋，學(xué)生可以查看不同屬性對(duì)應(yīng)的含義，從而了解不同屬性體代表的含義。屬性體也可以展示地層的沉積特征，比如三角洲沉積、巖溶相沉積等；有的屬性體可以清楚地展示斷層的平面和剖面特征，比如切片上可以展示斷層在平面上的分布走向，剖面上可以展示斷層的不同構(gòu)造樣式。這樣學(xué)生通過(guò)選取不同屬性體，查看地層的沉積和構(gòu)造特征，該模塊可以讓學(xué)生獲得構(gòu)造特征或者沉積特征的直觀展示，還可以得出相關(guān)的解釋結(jié)論，提高了學(xué)生地震解釋能力。

（3）不同構(gòu)造背景下的斷層模型模塊的建設(shè)。

將不同構(gòu)造樣式的解釋模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真系統(tǒng)，并提供對(duì)應(yīng)的解釋結(jié)論。構(gòu)造樣式均來(lái)自前期大量油田真實(shí)構(gòu)造數(shù)據(jù)的整理和歸類(lèi)，具有真實(shí)性、實(shí)踐性強(qiáng)的特征。學(xué)生進(jìn)入仿真系統(tǒng)后，可以選取不同構(gòu)造背景下的數(shù)據(jù)，進(jìn)行斷層構(gòu)造樣式的查看，不同的構(gòu)造樣式對(duì)應(yīng)著不同的解釋，學(xué)生通過(guò)選取不同構(gòu)造背景下的斷層樣式，可以開(kāi)展構(gòu)造模型的仿真解釋。解釋完成后，可以查看對(duì)應(yīng)的解釋結(jié)論，檢查是否與自行解釋結(jié)果相吻合。該模塊提供了大量的原始構(gòu)造樣式和模型圖（圖2），學(xué)生可以瀏覽不同類(lèi)型的構(gòu)造樣式圖，提高學(xué)生對(duì)地層構(gòu)造特征的理解，增強(qiáng)學(xué)生的構(gòu)造特征解釋能力。這也與地震解釋類(lèi)課程的教學(xué)宗旨一致，致力于提高學(xué)生的地震解釋實(shí)踐水平。

圖2 斷層和地層切割關(guān)系三維立體仿真圖

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特色與創(chuàng)新

1.開(kāi)展不同沉積環(huán)境下地層特征的仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)建立了不同沉積環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，方便學(xué)生根據(jù)不同需求選擇數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。因此進(jìn)入仿真系統(tǒng)后，學(xué)生可以對(duì)一系列不同沉積環(huán)境下的地層特征進(jìn)行對(duì)比和選擇（圖3），可針對(duì)自己的需求實(shí)現(xiàn)多重選擇，在數(shù)據(jù)庫(kù)下進(jìn)行仿真練習(xí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的的查看和分析，加強(qiáng)自主分析能力和實(shí)際動(dòng)手能力，同時(shí)三維可視化環(huán)境也讓學(xué)生更直觀地感受地下地層特征，從而更加吸引學(xué)生注意力，保持對(duì)課程的興趣，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生針對(duì)不同沉積環(huán)境的地震解釋實(shí)踐能力。

圖3 不同沉積環(huán)境下原始剖面和地質(zhì)模型展示

2.融入實(shí)際工程案例數(shù)據(jù)，提高直觀性和學(xué)生參與度

傳統(tǒng)教學(xué)大多通過(guò)在課堂上以圖片形式展示地震剖面并進(jìn)行解釋，學(xué)生參與度低且不直觀，很難達(dá)到好的效果。本仿真實(shí)驗(yàn)基于油田的真實(shí)地層數(shù)據(jù)，生成各類(lèi)地層和地質(zhì)模型，將真實(shí)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果運(yùn)用到虛擬仿真中并進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生可通過(guò)仿真系統(tǒng)直觀查看地下地層特征，可以在三維可視化條件下開(kāi)展不同角度的查看和解釋，同時(shí)可以選擇不同的地層切片，觀察地下地層數(shù)據(jù)的平面和剖面特征。該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)教學(xué)能夠更加生動(dòng)再現(xiàn)地下地層特征，融入三維地震可視化技術(shù)，幫助學(xué)生更好地掌握地下地層構(gòu)造樣式和沉積形態(tài)，提高學(xué)生地震資料解釋綜合實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

3.以校企共建實(shí)驗(yàn)室為依托，有很好的技術(shù)支撐

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)依托重慶科技學(xué)院與中石油東方地球物理公司共建的實(shí)驗(yàn)室，具有很好的技術(shù)支持，以培養(yǎng)具有高水平、良好競(jìng)爭(zhēng)力的高級(jí)石油勘探人才為目標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)致力于建設(shè)開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、研究、創(chuàng)新一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合、符合石油勘探特點(diǎn)、“工作站地震解釋模擬+實(shí)際資料訓(xùn)練”各有側(cè)重并互為補(bǔ)充的“二位一體”實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)仿真模塊，形成基礎(chǔ)性、綜合性、研究設(shè)計(jì)性與創(chuàng)新性等四層次的課程體系。在過(guò)去幾年中，重慶科技學(xué)院石油勘探類(lèi)專業(yè)學(xué)生在經(jīng)過(guò)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)習(xí)之后，參加了近幾年的全國(guó)油氣地質(zhì)大賽，取得了優(yōu)異的成績(jī)。

五、結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是高等教育信息化環(huán)境下的必然產(chǎn)物，也是我校石油勘探教學(xué)中心的重要建設(shè)內(nèi)容之一。我校在地震解釋仿真平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，以全面提高學(xué)生實(shí)踐能力為宗旨，充分利用自身的優(yōu)勢(shì)學(xué)科，將虛擬仿真技術(shù)與石油勘探技術(shù)相融合，將地震解釋地層仿真實(shí)驗(yàn)融入教學(xué)內(nèi)容，并注重校企聯(lián)合，協(xié)同創(chuàng)新，以現(xiàn)代化的教學(xué)手段豐富了地震解釋課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。雖然在教學(xué)實(shí)踐中取得了一定的成果，但在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的完善、模塊優(yōu)化和模塊補(bǔ)充、虛擬現(xiàn)實(shí)效果提升等方面，都有待進(jìn)一步深入的研究和探索。