“新工科”背景下毛管力虛擬仿真對分課堂教學(xué)實踐

楊永飛，付帥師，李愛芬，劉永革，孫致學(xué)，張儼彬

（中國石油大學(xué)（華東） 石油工程學(xué)院 非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室，山東 青島 266580）

實驗是“新工科”背景下創(chuàng)新型卓越人才培養(yǎng)的必要手段，實驗教學(xué)在全面振興本科教學(xué)攻堅戰(zhàn)中具有重要的戰(zhàn)略地位[1-3]。目前各國、各行業(yè)都在經(jīng)歷變革，教育也需要創(chuàng)新才能培養(yǎng)出未來社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的人才[4-5]。在我國高等工程教育發(fā)展和“新工科”建設(shè)的過程中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸走向成熟。基于虛擬仿真技術(shù)的實驗設(shè)備和項目資源的建設(shè)應(yīng)用，相較于常規(guī)教學(xué)方法具有突出優(yōu)勢，為教師傳授知識和學(xué)生探索式學(xué)習(xí)提供了更為高效的方法和手段，也為新時代下高等工科教育發(fā)展和教學(xué)改革增添了活力[6-8]。針對涉及行業(yè)科技前沿的教學(xué)內(nèi)容，建設(shè)具有行業(yè)特色且符合“新工科”建設(shè)的虛擬仿真實驗，革新課堂教學(xué)方法，對教育改革和創(chuàng)新具有重要意義。

目前，油氣資源在世界能源消耗構(gòu)成中仍處于主導(dǎo)地位，其中低滲致密等非常規(guī)油氣資源開發(fā)越來越顯得舉足輕重。毛管力及毛管力曲線是低滲致密油氣藏開發(fā)方案編制和工程設(shè)計的重要基礎(chǔ)資料，毛管力曲線測試方法及應(yīng)用是石油工程專業(yè)課程“油層物理”和“滲流物理實驗”的重點和難點[9-12]。由于巖心離心機(jī)、半滲隔板毛管力測定儀、高壓壓汞儀和恒速壓汞儀等設(shè)備極其昂貴，且大多測試時間長，儀器操作和數(shù)據(jù)處理方法繁瑣，一般不適用于課堂實驗教學(xué)。常規(guī)壓汞法毛管力曲線測試儀能夠在2 小時課堂實驗中完成進(jìn)汞及退汞毛管力曲線測試，但是實驗介質(zhì)是帶有毒性的汞和珍貴的巖心，實驗過程具有較高的毒害性危險，對學(xué)生和教師健康安全帶來一定的風(fēng)險，且壓汞后的巖心不能回收利用，不符合綠色環(huán)保的課堂教學(xué)發(fā)展理念[13]。此外，常規(guī)壓汞儀所測數(shù)據(jù)局限于中、高滲透率的常規(guī)油氣儲層，針對低滲致密儲層并不適用。因此，基于常規(guī)壓汞儀的毛管力曲線實驗教學(xué)具有較多弊端和局限，不能滿足“新工科”背景下的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求。針對毛管力相關(guān)的專業(yè)重點知識，建設(shè)符合新時代背景下高等工科教育創(chuàng)新發(fā)展需求的新型實驗教學(xué)系統(tǒng)，并設(shè)計基于該系統(tǒng)的先進(jìn)高效的課堂實驗教學(xué)方法，這對卓越人才培養(yǎng)具有重要的實踐和創(chuàng)新意義。

1 交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)

“毛管力曲線測試及應(yīng)用”是“滲流物理實驗”專業(yè)課程的必修實驗環(huán)節(jié)，課堂用時2 學(xué)時。主要內(nèi)容包括毛管力與毛管力曲線基本概念，常規(guī)壓汞法毛管力曲線測試原理、步驟及實踐操作，并基于所測壓汞法毛管力曲線數(shù)據(jù)分析巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征。隨著低滲、致密和頁巖油氣等非常規(guī)資源在石油能源消耗構(gòu)成中的比重日漸提升，常規(guī)壓汞法毛管力曲線（測試壓力在15 MPa 以下）已經(jīng)不能夠滿足石油工程行業(yè)發(fā)展的需求。

鑒于常規(guī)壓汞法毛管力曲線測試在實驗教學(xué)中存在的種種弊端和不足，基于以往教學(xué)實踐中積累的不同類型巖心毛管力曲線數(shù)據(jù)，建立了巖心毛管力曲線與孔滲參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合低滲致密等非常規(guī)油氣儲層物性評價所需的高壓及恒速壓汞儀工作原理和數(shù)據(jù)資料，使用正在高速發(fā)展的虛擬仿真實驗技術(shù)，開發(fā)了針對“毛管力曲線測試及應(yīng)用”這一專業(yè)重點知識模塊的交互式虛擬仿真實驗測試教學(xué)系統(tǒng)。通過對比模擬學(xué)習(xí)前沿科技知識以及虛實結(jié)合的實驗操作，達(dá)到了以往常規(guī)壓汞法毛管力曲線測試實驗實現(xiàn)不了的課堂教學(xué)效果。

1.1 教學(xué)系統(tǒng)功能設(shè)計

交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)的主要功能是：通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)和交互式測試對比分析，在安全無汞的綠色教學(xué)環(huán)境下，完成毛管力及毛管力曲線基本理論、測試原理、不同毛管力曲線測試方法及測試結(jié)果的綜合全面對比教學(xué)。系統(tǒng)功能設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)功能設(shè)計框圖

針對常規(guī)壓汞毛管力曲線測試模塊，基于交互式虛擬仿真測試與常規(guī)壓汞儀實驗測試流程一致的原則，設(shè)計包括巖心室、模擬汞杯、抽空系統(tǒng)、壓力加載系統(tǒng)和模擬汞體積計量系統(tǒng)等一系列模塊，實現(xiàn)在無汞化虛實結(jié)合條件下對普通中高滲透率巖心的常規(guī)壓汞毛管力曲線的測試，并通過仿真系統(tǒng)計算機(jī)顯示界面，生動形象地展示常規(guī)壓汞曲線特征分析及典型應(yīng)用實例。通過基于本模塊的教學(xué)和模擬測試，使學(xué)生學(xué)會真實常規(guī)壓汞儀的工作原理和操作方法，并能夠在后續(xù)科研及創(chuàng)新實踐教學(xué)模塊中，在防護(hù)設(shè)施非常完備的科研實驗室中，自主完成真實巖心的常規(guī)壓汞毛管力曲線測試，達(dá)到專業(yè)實驗課程教學(xué)的目標(biāo)要求和實際效果。

針對高壓壓汞毛管力曲線測試教學(xué)模塊，基于高壓壓汞儀工作原理，結(jié)合交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)中常規(guī)壓汞毛管力曲線測試模塊的相關(guān)流程，建設(shè)基于本系統(tǒng)的適用于低滲、致密等油氣儲層巖石評價所需的高壓壓汞毛管力曲線模擬教學(xué)模塊，包括通過對比分析，探討高壓壓汞與常規(guī)壓汞曲線在測試原理、測試儀器規(guī)格要求、測試結(jié)果曲線的主要特征及適用范圍等方面的區(qū)別和聯(lián)系。經(jīng)過直觀的展示及對比學(xué)習(xí)，在常規(guī)壓汞毛管力曲線測試及學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，拓展至高壓壓汞曲線和致密儲層巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征，突破常規(guī)實驗教學(xué)儀器的局限性。

針對恒速壓汞毛管力曲線測試教學(xué)模塊，基于恒速壓汞儀的工作原理及主要特點，結(jié)合本系統(tǒng)的常規(guī)和高壓壓汞毛管力曲線測試模塊，建設(shè)用于恒速壓汞毛管力曲線教學(xué)的專用模塊。通過對比高壓壓汞儀和恒速壓汞儀的典型工作原理以及工作壓力、注汞速度及方式等的區(qū)別，探索恒速壓汞毛管力曲線的變化特征及其對儲層巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析評價的意義。在毛管力曲線測試實驗課堂教學(xué)中，引入基于行業(yè)前沿技術(shù)及科學(xué)研究方法的實驗教學(xué)新內(nèi)容，提升實驗課堂教學(xué)的科研探究性水平。

1.2 功能實現(xiàn)所需關(guān)鍵技術(shù)

（1）多媒體及可視化技術(shù)直觀展示抽象理論。雖然毛細(xì)管現(xiàn)象在大自然中非常常見，但是由于儲層孔隙喉道網(wǎng)絡(luò)中的毛細(xì)管現(xiàn)象存在于巖石內(nèi)部，并且結(jié)構(gòu)連通狀態(tài)極其復(fù)雜，巖石中毛管力的產(chǎn)生、大小及其對流體飽和度分布狀況的影響等都是肉眼不可見的。因此在毛管力及毛管力曲線理論知識教學(xué)模塊中，基于多媒體技術(shù)，針對單根毛細(xì)管中的毛管力作用現(xiàn)象、毛細(xì)管現(xiàn)象中的流體界面形態(tài)及流體移動特點、并聯(lián)毛管中的毛管力現(xiàn)象、巖石孔隙結(jié)構(gòu)微觀形態(tài)、孔隙網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)、流體在巖石中的分布形態(tài)等，利用計算機(jī)的圖像、動畫和視頻方式進(jìn)行綜合處理，構(gòu)建出生動形象的多媒體教學(xué)資料，讓學(xué)生充分理解毛管力相關(guān)知識模塊的理論分析、原理演示等關(guān)鍵內(nèi)容。

（2）數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立毛管力曲線數(shù)據(jù)綜合體。交互式虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的一項主要功能就是讓學(xué)生在虛實結(jié)合的操作中模擬測試壓汞毛管力曲線。基于十多年來使用壓汞儀對不同孔隙度和滲透率巖心的壓汞毛管力曲線測試資料，建立以巖心孔隙度和滲透率參數(shù)為索引的壓汞毛管力曲線數(shù)據(jù)庫?；诖髷?shù)據(jù)分析、回歸分析等建立毛管力曲線多參數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，實現(xiàn)基于孔滲參數(shù)的常規(guī)壓汞毛管力曲線數(shù)據(jù)擬合計算方法。

（3）人機(jī)交互和計算機(jī)編程技術(shù)完成數(shù)據(jù)輸入與結(jié)果輸出。在交互式毛管力虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的觸控式顯示屏上，完成計算機(jī)的輸入控制和輸出顯示，方便高效地實現(xiàn)人機(jī)對話。基于Visual Studio 編程設(shè)計的模擬器軟件，具有算法先進(jìn)、高精度和計算快速等優(yōu)點。模擬器軟件可以根據(jù)輸入?yún)?shù)自動計算所測巖心的毛管力曲線數(shù)據(jù)，并基于后續(xù)交互式模擬測試過程，精確輸出每一個進(jìn)汞或退汞壓力下的汞體積變化數(shù)據(jù)。

（4）虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建可交互的逼真的測試流程。基于常規(guī)壓汞儀真實工作原理和測試流程，結(jié)合高壓壓汞儀和恒速壓汞儀基本工作原理和測試方法，融合多媒體顯示、可控人機(jī)交互、改進(jìn)型精確仿真和虛擬現(xiàn)實等，使用觸屏計算機(jī)、信號轉(zhuǎn)換器、智能模擬器等，設(shè)計并構(gòu)建基于真實壓汞毛管力曲線測試精確流程的可交互式操作模擬系統(tǒng)。

1.3 虛實結(jié)合，綠色教學(xué)

基于系統(tǒng)功能設(shè)計，結(jié)合常規(guī)壓汞毛管力曲線測試真實流程，設(shè)計并建成交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)

系統(tǒng)主要包括毛管力理論教學(xué)模塊、信息控制數(shù)據(jù)庫、常規(guī)壓汞模擬器、高壓壓汞模擬器、恒速壓汞模擬器和流程檢測等六大模塊，能夠用于毛管力及毛管力曲線這一重點知識模塊的理論和實驗教學(xué)，并在測試中排除了汞這一有毒有害因素。同時，引入適用于非常規(guī)儲層物性評價分析的高壓/恒速壓汞毛管力曲線等前沿知識，大大提升了實驗課堂的探索研究水平和總體教學(xué)效果。

下面以常規(guī)壓汞毛管力曲線模擬測試為例，簡要說明本系統(tǒng)的具體操作和實現(xiàn)方法。操作流程如圖3所示。首先隨機(jī)選擇巖心樣品，在系統(tǒng)軟件界面中輸入巖心的編號、孔隙度、滲透率、長度、直徑等基本參數(shù)，然后進(jìn)入常規(guī)壓汞模擬器，開始壓汞法毛管力曲線測試。具體步驟為：將巖心放在系統(tǒng)頂部的模擬巖心室中，使用抽空系統(tǒng)給巖心室模擬抽真空至合理的真空度；調(diào)節(jié)汞杯及補(bǔ)汞閥等相關(guān)流程，進(jìn)行巖心室模擬充汞操作，觀察模擬汞體積計量系統(tǒng)的模擬汞量；關(guān)閉抽真空模擬泵，打開進(jìn)汞/退汞模擬實驗流程的相關(guān)流程開關(guān)；調(diào)節(jié)模擬計量泵手柄，記錄初始壓力為零時的模擬汞量；按照設(shè)計的壓力點逐級進(jìn)汞加壓，記錄每一穩(wěn)定壓力下的模擬計量泵壓力和模擬汞量數(shù)據(jù)，直至達(dá)到最高設(shè)定壓力；按照設(shè)計的壓力點逐級退汞降壓，記錄每一穩(wěn)定壓力下的模擬計量泵壓力和模擬汞量數(shù)據(jù)，直至壓力降為零；基于進(jìn)汞和退汞過程中所測壓力與汞量關(guān)系畫出常規(guī)壓汞法毛管力曲線。

圖3 常規(guī)壓汞毛管力曲線模擬測試流程圖

2 基于虛擬仿真系統(tǒng)的對分課堂教學(xué)

“毛管力曲線測試及應(yīng)用”實驗一直以來都采用傳統(tǒng)講授式課堂教學(xué)模式，由教師講授原理及操作流程，再由學(xué)生分組完成常規(guī)壓汞毛管力曲線的測試。傳統(tǒng)教學(xué)方法形式過于單一，學(xué)生在操作過程中往往不能完全理解其原理，容易出現(xiàn)模仿操作而不知原委的狀況，課堂教學(xué)效果不理想。隨著非常規(guī)油氣資源占比的日漸增大，傳統(tǒng)的毛管力曲線測試實驗課堂所授知識點理應(yīng)隨之發(fā)展完善，以適應(yīng)行業(yè)的高速發(fā)展，例如在課堂教學(xué)中增加涉及非常規(guī)儲層特殊物性分析所用到的高壓壓汞毛管力曲線和恒速壓汞毛管力曲線教學(xué)內(nèi)容。配合新知識的引入需要課堂教學(xué)方法的革新，以便結(jié)合實驗課堂的教學(xué)內(nèi)容、設(shè)備及軟硬件設(shè)施，達(dá)到最優(yōu)的課堂教學(xué)效果。

對分課堂是由復(fù)旦大學(xué)張學(xué)新教授原創(chuàng)提出的一種高效課堂教學(xué)模式。該教學(xué)模式將教師講授、內(nèi)化吸收和討論三個過程有機(jī)結(jié)合，注重對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評價，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和學(xué)習(xí)效果[14-15]。結(jié)合“毛管力曲線測試與應(yīng)用”新的教學(xué)內(nèi)容，基于交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計并踐行了“毛管力曲線測試與應(yīng)用”對分課堂實驗教學(xué)法。

2.1 對分課堂教學(xué)設(shè)計

針對“毛管力曲線測試及應(yīng)用”實驗項目，采用“當(dāng)堂對分”的對分課堂教學(xué)模式，將知識點講授、學(xué)生內(nèi)化吸收、分組操作測試與討論分享等環(huán)節(jié)整合在2 學(xué)時的實驗課堂中。具體教學(xué)設(shè)計如圖4 所示。

（1）教師講授。著重介紹毛管力曲線關(guān)鍵知識點、儀器操作關(guān)鍵流程和注意事項，指出學(xué)生須全部掌握的常規(guī)壓汞法毛管力曲線測試核心內(nèi)容，同時引申至要求學(xué)生探索學(xué)習(xí)的高壓壓汞及恒速壓汞毛管力曲線測試相關(guān)知識。講授過程設(shè)計為25～30 min，其間還針對課前的20 min 壓汞毛管力曲線測試預(yù)習(xí)視頻內(nèi)容進(jìn)行提問，掌握學(xué)生的理解程度，同時方便教師對學(xué)生過程性學(xué)習(xí)細(xì)節(jié)的評價。

圖4 對分課堂教學(xué)設(shè)計

（2）內(nèi)化吸收?；陬A(yù)習(xí)和講授，安排學(xué)生分組實驗，根據(jù)常規(guī)壓汞法毛管力曲線測試流程，安裝巖心并進(jìn)行抽真空操作，抽真空操作需要持續(xù)15 min。與此同時，讓學(xué)生根據(jù)講授內(nèi)容和儀器實物等，真正弄懂壓汞法毛管力曲線測試的關(guān)鍵原理和儀器的正確操作方法，學(xué)會壓汞毛管力曲線的測試方法及計算繪制方法，并針對不同類型的壓汞毛管力曲線進(jìn)行對比分析和探索學(xué)習(xí)。

（3）分組操作。基于交互式虛擬仿真毛管力曲線測試教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生能夠?qū)W會并測試出常規(guī)壓汞毛管力曲線的所有數(shù)據(jù)，透徹理解常規(guī)壓汞儀測試原理。學(xué)生可通過高壓壓汞/恒速壓汞毛管力曲線測試模塊，研究并學(xué)習(xí)高壓/恒速壓汞毛管力曲線測試與常規(guī)壓汞毛管力曲線測試的核心原理，弄懂不同類型毛管力曲線的特點、區(qū)別和聯(lián)系。

（4）討論分享。根據(jù)學(xué)生操作和自主學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的問題，進(jìn)行有針對性的討論和答疑，鼓勵“亮”“考”“幫”的實施，讓學(xué)生針對疑難問題和知識點進(jìn)行溝通交流，以便教師全面掌握課堂教學(xué)和學(xué)生測試操作的總體情況。

（5）注重過程評價。針對不同學(xué)生的學(xué)習(xí)操作情況、實驗報告情況和“亮”“考”“幫”作業(yè)情況進(jìn)行綜合評判，總結(jié)對分課堂教學(xué)中存在的問題并持續(xù)改進(jìn)，從而達(dá)到最優(yōu)的教學(xué)效果。

2.2 對分課堂教學(xué)效果

交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)于2018 年10 月建成，并于2018—2019 年度第1 學(xué)期滲流物理實驗專業(yè)課程中投入使用，2016 級石油工程專業(yè)本科生（大三學(xué)生）對本系統(tǒng)在實驗教學(xué)中的使用以及對分課堂教學(xué)法給出了較高的評價，從本實驗項目總體平均成績和實驗報告情況來看，基于本系統(tǒng)的對分課堂教學(xué)法顯示了一定的優(yōu)勢。

（1）綠色課堂，虛擬仿真，提升實驗教學(xué)設(shè)備和教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性。安全無汞化的交互式虛擬仿真毛管力曲線測試儀器，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研探索提供了安全環(huán)保的實驗環(huán)境。通過交互式虛擬仿真模擬測試，學(xué)生在對比學(xué)習(xí)和探索測試中學(xué)習(xí)了實驗項目要求的全部知識，并拓展了對行業(yè)技術(shù)前沿的理解。

（2）講授重點，內(nèi)化疑難，“當(dāng)堂對分”的個性化教學(xué)全面提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。針對教師講授的課程重點，學(xué)生可根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況和實驗項目要求，進(jìn)行針對性的內(nèi)化吸收、自主學(xué)習(xí)。每一個學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中都可以找到自己的強(qiáng)項和弱項，并通過“亮”“考”“幫”鞏固所學(xué)、探索未知、交流互補(bǔ)。

（3）自主探索，互動交流，在實際操作和對比研討中提升學(xué)生科學(xué)研究能力和創(chuàng)新性水平。學(xué)生能夠從實驗操作和探索測試中發(fā)現(xiàn)并提出科學(xué)問題和疑難問題，并通過共同反復(fù)鉆研及師生間的交流溝通，使學(xué)生真正學(xué)會解決問題的方法，提升發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

（4）過程評價，總體提升，確保實驗課堂的最優(yōu)教學(xué)效果。基于交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)的對分課堂教學(xué)實踐，使所有學(xué)生都能參與進(jìn)來，并能結(jié)合自身的學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行針對性的學(xué)習(xí)和探索操作。把學(xué)生的學(xué)習(xí)努力分散到課前、課上和課后，并形成各具特色的學(xué)習(xí)成果。全面評價注重過程，學(xué)生在內(nèi)化吸收、探索操作、歸納知識、解答疑難等整個學(xué)習(xí)過程各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)都能得到評價，促進(jìn)了實驗教學(xué)效果的全面提升。

3 結(jié)語

基于常規(guī)壓汞毛管力曲線測試及應(yīng)用實驗現(xiàn)狀，結(jié)合“新工科”高等教育理念，建設(shè)了交互式毛管力虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計了基于該系統(tǒng)的虛實結(jié)合毛管力測試與應(yīng)用對分課堂教學(xué)法。避免了實驗教學(xué)中汞的毒害性影響，將常規(guī)壓汞法毛管力實驗教學(xué)拓展到適用于非常規(guī)油氣開發(fā)的高壓及恒速壓汞毛管力曲線測試和應(yīng)用教學(xué)，提升了毛管力測試課堂教學(xué)素材的廣度及技術(shù)前沿性?！爱?dāng)堂對分”的對分課堂教學(xué)法相較于傳統(tǒng)實驗課堂教學(xué)具有很多優(yōu)勢，能夠針對學(xué)生的個性化情況全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)水平；學(xué)生在實際自主探討操作和對比交流研討中能夠提升科學(xué)研究能力和創(chuàng)新性水平；注重過程評價和總體提升確保了實驗課堂獲得最優(yōu)的教學(xué)效果。