【摘""要】文章從對內(nèi)地高校如何辦好海洋油氣工程專業(yè)的思考出發(fā)，針對實驗實踐教學過程中存在的問題，結合信息技術，開展了實驗實踐虛擬仿真教學資源的建設和教學模式的改革，構建了能滿足學生感性知識獲取、基本技能訓練、工程實踐能力和科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的綜合實驗實踐平臺，建立了線上線下相結合、虛擬現(xiàn)實相結合的實驗實踐教學模式，為內(nèi)地高校海洋油氣工程專業(yè)人才培養(yǎng)及發(fā)展信息化智能教育提供了借鑒路徑。【關鍵詞】海洋油氣工程專業(yè);信息化教育;虛擬仿真教學;教學模式改革一、引言為適應中國海洋石油工業(yè)的快速發(fā)展，高校海洋油氣工程專業(yè)肩負著培養(yǎng)專業(yè)面較寬，外語突出，掌握海洋鉆井、海洋采油工藝理論與技術的創(chuàng)新型、工程應用型、復合型高級技術人才的使命[1]。實驗室作為實驗教學和學生實踐創(chuàng)新活動的重要場所，在人才培養(yǎng)中具有舉足輕重的作用[2]。近年來，國內(nèi)許多高校相繼成立了海洋油氣工程專業(yè)，該專業(yè)發(fā)展前景好、勢頭猛，但與之配套的實驗室建設卻一直是專業(yè)發(fā)展的短板。因此，建立具有專業(yè)特色、符合海洋油氣特殊工程背景的實驗室，以及構建能滿足學生感性知識獲取、基本技能訓練、工程實踐能力和科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實驗教學模式十分必要[3]。二、信息技術在實驗實踐教學中的應用隨著信息技術的快速發(fā)展，為適應網(wǎng)絡化、數(shù)字化、個性化的新時代需求，結合各專業(yè)特點，構建一個先進的教育體系顯得尤為迫切和需要。目前，技術教育產(chǎn)品基本上分為2大類，一類以教為主，一類以練為主。傳統(tǒng)的錄播課是以教為主，僅僅是把課堂搬到了網(wǎng)上，最大的問題是沒有互動;直播課也是以教為主，雖然有互動，但無法實現(xiàn)與每名學生進行互動，且1名教師難以管理幾十名學生，還容易出現(xiàn)卡網(wǎng)、延時等問題。當前，絕大多數(shù)理論課的信息化建設都采用錄播或直播這2種方式，這是因為理論課本身就是以教為主。而實驗實踐教學是以練為主。伴隨信息技術的應用，先是產(chǎn)生了半實物仿真的實驗實踐設備，即將真實硬件控制系統(tǒng)與計算機虛擬的部分仿真模型相結合，為學生提供更好的實踐教學體驗，離知識與實踐的統(tǒng)一近了一步;之后產(chǎn)生了電腦單機版的實驗實踐虛擬仿真教學軟件，實現(xiàn)了實時教、實時測、實時練、自動出具學習報告，在很大程度上解放了教師的重復性勞動，節(jié)省了師資力量;再后來產(chǎn)生了網(wǎng)絡版的實驗實踐虛擬仿真教學軟件，實現(xiàn)了隨時教、隨時測、隨時練，更在經(jīng)費投入、實驗時間、實驗空間、實驗環(huán)境等方面體現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢[4]。由此可見，實驗實踐教學環(huán)節(jié)是利用信息化技術發(fā)展智能化教育的一個關鍵著力點。三、海洋油氣工程專業(yè)實驗實踐教學現(xiàn)狀分析海洋油氣工程專業(yè)是一個綜合性和應用性較強的新興產(chǎn)業(yè)專業(yè)，目前，其實驗實踐教學在跟進學科發(fā)展的過程中主要存在以下2方面的問題。（一）實驗室建設方面海洋油氣工程專業(yè)人才培養(yǎng)需要區(qū)別于石油工程專業(yè)人才培養(yǎng)，走具有“海味”的實踐能力培養(yǎng)路線，建設具有專業(yè)特色、符合海洋油氣特殊工程背景的實驗室。但實現(xiàn)這樣的實驗室建設目標還面臨諸多難題，具體如下：一是海洋油氣工程專業(yè)起步較晚，沒有成熟的、系統(tǒng)的教學實驗設備;二是海洋石油行業(yè)具有風險性及部分內(nèi)陸高校與工程現(xiàn)場的物理距離遙遠，如何通過實驗設備和資源實現(xiàn)理論教學與工程實際的接軌;三是在實驗室建設過程中如何兼顧本科教學和學科發(fā)展，以及學生的基本技能和創(chuàng)新能力培養(yǎng)如何兩全。（二）實驗實踐教學方面海洋油氣工程專業(yè)理論課程教學改革如火如荼，而實驗實踐課程卻還沒能完全走出傳統(tǒng)教學模式的困局，“灌輸式”的教學方式助長學生養(yǎng)成“指哪兒打哪兒”的學習習慣，違背了創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學目標。此外，臺套數(shù)少的大型精密教學設備大多用于開展演示型實驗，難以在本科實驗實踐教學中被高效地應用。因此，學生提不起學習興趣，設備得不到充分利用，導致實驗實踐教學質量堪憂，同時也造成了設備資源的浪費。實驗室建設與實驗實踐教學改革是相輔相成的，需要兩手抓。而利用現(xiàn)代信息技術開發(fā)虛擬仿真教學資源和開展線上教學改革是解決上述問題和提高海洋油氣工程專業(yè)實驗實踐教學質量的有效途徑。文章以西南石油大學為例，介紹其在海洋油氣工程專業(yè)實驗室數(shù)字化建設及實驗實踐教學改革方面的實踐與認識。四、實驗室數(shù)字化建設西南石油大學于1988年在全國率先開設了海洋石油工程專業(yè)，該專業(yè)于2010年獲批為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專業(yè)，2020年入選國家級一流本科專業(yè)。2013年，為了讓專業(yè)知識“跳”出平面靜態(tài)的書本頁面，專業(yè)建設了“聲—光—電一體化海洋油氣鉆—采—輸模型水池”，通過計算機集成控制系統(tǒng)模擬海洋環(huán)境及海上油氣田不同的生產(chǎn)系統(tǒng)，實施模型展示、光電演示和聲音解說“三位一體”的模型實物教學，更為真實直觀地傳授知識點，為學生開啟了不一樣的課程體驗。2014年，為了讓學生掌握數(shù)據(jù)分析、解釋所需的現(xiàn)代信息技術工具，專業(yè)建設了“海洋波流同造實驗水槽及波流載荷實驗模擬系統(tǒng)”“高頻粒子成像系統(tǒng)”，通過計算機軟件實現(xiàn)了波、浪、流等海洋環(huán)境的模擬及相關實驗數(shù)據(jù)的采集與分析，讓學生在掌握實驗內(nèi)容的同時，也體驗到了信息技術為實驗測試帶來的便捷。同一年建設的海洋動力學模擬軟件更是成為了培養(yǎng)學生計算機應用能力的重要工具。2015年，學校自主研發(fā)的“油氣鉆井虛擬仿真系統(tǒng)”“油氣開采虛擬仿真系統(tǒng)”和“油氣儲運虛擬仿真系統(tǒng)”正式投入海洋油氣工程專業(yè)本科實訓教學。該虛擬仿真系統(tǒng)屬于半實物仿真，即在計算機編制的油氣鉆井、開采和儲運工藝操作模擬軟件環(huán)境中接入了用于油氣鉆井、開采和儲運的相關硬件仿真設備。學生通過對虛擬仿真系統(tǒng)的交互操作、儀器儀表顯示數(shù)據(jù)、虛擬作業(yè)環(huán)境中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象及相關設備工作狀況的觀察，穿越式地體驗現(xiàn)場作業(yè)各項工藝操作，理解并掌握對應的工藝流程和原理，由此培養(yǎng)綜合能力和工程素質。2016年，學校建設的“適應復雜環(huán)境的油氣開發(fā)虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)”獲得當年高等學校虛擬仿真實驗教學資源建設成果二等獎。截至2019年，“酸化壓裂虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)”“海洋平臺結構組成及應急逃生虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)”等相繼完成建設并投入使用，虛擬仿真實驗教學資源已覆蓋了海洋油氣工程專業(yè)油藏、鉆井、采油、儲運、平臺、安全6個方向。這種計算機單機版的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)有效克服了油氣生產(chǎn)作業(yè)高投入、高風險工況條件對實驗實踐課程開設的約束和限制，同時豐富了實驗實踐教學形式，提高了學生的學習興趣與參與度。2018年，學校投入建設“海洋深水流動保障實驗系統(tǒng)”，其是國內(nèi)外首套集海洋完井、采油、集輸于一體的大型物理模擬設備，占地面積超過400m2。該實驗系統(tǒng)采用分布式集中控制系統(tǒng)，通過計算機技術對實驗過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制，培養(yǎng)學生的工程素質和團隊協(xié)作能力，也為學生的課外開放實驗及創(chuàng)新活動提供了平臺，有利于培養(yǎng)學生的科學研究與創(chuàng)新精神。2020年，學校建設的“深水油氣鉆井井控關井虛擬仿真實驗”被認定為首批國家級虛擬仿真實驗教學項目。該實驗項目在網(wǎng)絡平臺上開放共享，通過構建與工程作業(yè)現(xiàn)場一致的虛擬環(huán)境，設計與現(xiàn)場操作規(guī)范一致的人機交互步驟，讓學生掌握深水井控系統(tǒng)設備工作原理及操作控制方法，識別鉆井過程中的溢流風險，掌握深水鉆井關井的操作流程。網(wǎng)絡版虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的應用集成和拓展了實驗教學資源，打破了時間和空間的限制，讓所有學生都能享受到相對先進的教學資源，降低了教育對環(huán)境和師資的依賴，是實現(xiàn)智能化教育的必經(jīng)之路。目前，結合3D技術、VR（VirtualReality，虛擬現(xiàn)實）技術，學校又建設了基于VR技術的“多人協(xié)同作業(yè)鉆井模擬系統(tǒng)”“海洋油氣配注水虛擬仿真系統(tǒng)”“海洋完井工藝虛擬仿真系統(tǒng)”，實現(xiàn)了多用戶共享虛擬環(huán)境。學生通過對不同崗位的操作人員進行角色扮演，使用VR交互設備控制自己的虛擬人與他人控制的虛擬人進行協(xié)同作業(yè)，模擬實施相關工藝操作。這些系統(tǒng)具有創(chuàng)新性，在國內(nèi)行業(yè)內(nèi)屬于首創(chuàng)，為海洋油氣工程專業(yè)人才培養(yǎng)提供了技術支持和保障。除此之外，海洋工程軟件實驗室配備了多種油田現(xiàn)場常用的工程軟件，能滿足石油行業(yè)工程軟件的應用型課程教學和油田現(xiàn)場技術專家的案例型課程教學，同時也為學生畢業(yè)設計、工程設計和參加科技競賽提供了重要保障。五、信息化實驗實踐教學改革（一）實驗實踐教學改革為實現(xiàn)以學生為主體、教師為主導的預約式、開放式、自主式實驗實踐教學模式，需要借助信息化管理平臺，而學校的實驗室與實驗實踐教學預約排課系統(tǒng)、大型設備共享系統(tǒng)、實驗室開放管理系統(tǒng)為此提供了保障，讓學生可以相對自由地選擇實驗時間，并有更多接觸大型精密設備的機會，同時也有利于實驗室的高效運行，避免實驗室資源的浪費。對實驗實踐課程預約方式和實驗室開放方式的改革，提高了學生在實驗實踐課程修讀時的自由程度，但要實現(xiàn)學生自主學習，還需要配合教學方法、手段和考核方法的改革。為了激發(fā)學生的學習興趣，引導學生形成自主學習習慣，學校建設了線上實驗實踐教學資源及大型精密設備線上學習資源，增設了實驗線上預習環(huán)節(jié)，豐富了實驗課堂設備操作形式，完善了實驗成績評定標準，建立了能充分發(fā)揮學生自主性的線上線下、虛實結合的實驗實踐教學新模式。其中，線上的學習資源發(fā)布在騰訊課堂網(wǎng)絡平臺上，要求學生在課前完成實驗線上預習，而學生提前熟悉實驗內(nèi)容，有利于減少線下實驗課堂上教師的講解時長，從而增加實驗操作時長，提高實驗課堂效率。實驗課堂設備操作形式則根據(jù)對應實驗內(nèi)容而定，包括但不限于翻轉課堂、角色扮演、分組操作等形式。實驗成績的評定不再是僅僅依據(jù)實驗報告，而是由實驗線上預習、實驗線下操作和實驗報告3部分組成，每部分的成績占比依據(jù)實驗內(nèi)容的不同而定。除此之外，教與學的互動也至關重要，教師與學生的交流探討不再局限于線下課堂，而是線上線下、課前課后，貫穿實驗實踐課程的始終。下面以“海洋鉆井工藝模擬訓練”實驗實踐課程為應用案例，對上述教學新模式進行闡述。“海洋鉆井工藝模擬訓練”是一門為時一周的實踐課，其教學改革步驟如下。首先，教師錄制了海洋鉆井工藝模擬訓練系列操作演示視頻作為學生線上預習的資料，并設置預習考核，提前2周發(fā)布在網(wǎng)絡平臺上，要求學生在課前完成并取得預習成績，以便于學生在課堂上可以專心學習和練習實際操作，不用再花費時間做筆記。其次，課程操作考核之前，實驗室全天開放，學生可根據(jù)操作角色需要進行組隊，然后自主選擇時間練習;同時，實驗室開放多臺“桌面式鉆井模擬器”輔助學生練習。按照練習分組進行隨機考核，考核操作項目和角色分配均由參與考核的學生抽簽決定，實驗報告根據(jù)學生考核操作時的正確率和操作時長由實驗系統(tǒng)自動生成。最后，教師根據(jù)線上預習（20%）、練習和考核操作表現(xiàn)（20%）、實驗報告（60%）給每名學生評定課程成績。課程應用了線上線下、虛實結合的實驗實踐教學新模式后，最顯著的改變是學生的課堂參與度得到了很大提升，這一方面得益于虛擬仿真帶來的新鮮感，另一方面得益于教師對實驗實踐教學各環(huán)節(jié)明確的質量要求帶來的壓力。除此之外，學生的報告抄襲現(xiàn)象減少，成績差異性增大，成績平均值增加，這表明成績評定更加公平，學生整體的學習成效得到了提高，實踐能力得到了更好的鍛煉。（二）實驗實踐教學改革成效海洋油氣工程專業(yè)實驗實踐教學經(jīng)過近10年的信息化建設和改革，已經(jīng)具備了“海味”和“油味”2大專業(yè)特色，能夠滿足對學生實驗、實踐、創(chuàng)新能力的進階培養(yǎng)。近3年，學生課外科技活動參加率達100%，獲中國海洋工程設計大賽特等獎、全國大學生石油科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎、中國石油工程設計大賽一等獎等國家級、省級各類獎項的人數(shù)超過50人次。同時，近3屆畢業(yè)生深造率達50%以上，進入“雙一流”高校深造比例超過90%，包括但不限于清華大學、德克薩斯農(nóng)工大學（TexasAamp;MUniversity）、卡爾加里大學（UniversityofCalgary）等知名高校。多年來，中國石油天然氣集團有限公司、中國石油化工集團有限公司、中國海洋石油集團有限公司等用人單位對海洋油氣工程專業(yè)的育人質量給予了高度肯定，同時，畢業(yè)生的就業(yè)率