利用仿真模擬技術 提高實訓教學質量

摘要：將仿真模擬技術引入實訓教學，可以充分調動感覺通道、運動通道和思維通道的學習機能，使學生接受知識的效率明顯提高。在鉆井技術專業實習教學中，通過仿真模擬設備模擬鉆井生產和操作過程，學生可實際動手完成對生產裝置的實際操作，鞏固所學知識，鍛煉獨立工作能力，實現理論與實踐的有機結合。

關鍵詞：仿真模擬；實訓教學；職業培訓

近年來，仿真模擬技術引起了人們的廣泛關注，不僅在軍事領域、科技領域，而且在職業培訓領域都成了研究的熱點。利用仿真技術可以構造出想象的環境，并可以實現利用自然的方式與這種虛擬環境進行交流。石油工業是我國主要支柱產業之一，屬于高度自動化、技術密集型工業。對高職高專鉆井技術專業的學生來講，要通過理論學習和校內外實際操作，初步掌握場地工、內外鉗工、井架工、副司鉆、司鉆等崗位的操作技能，這是總的要求。但對鉆井技術專業校內實習來講，如何在確保技能培養效果的前提下，解決實訓設備投入成本高、安全風險大、實訓費用昂貴等實際問題，是當前亟須思考的問題。渤海石油職業學院石油工程系積極把仿真技術引入實訓教學，在高職教

學改革方面作了一些探索和嘗試。

鉆井技能訓練的基本特點

實訓設備成本高、維護保養工作量大一部鉆機少則2000萬元，多則上億元，學校購買鉆機負擔太重。另外，鉆機安裝在室外，需要經常性的日常保養維護，工作量很大。

鉆井操作技能具有多樣性特點，且勞動強度大鉆井作業不是單一的重復操作，每一崗位都有不同的操作技能。鉆井作業勞動強度大是眾所周知的事實，盡管隨著科技的發展，鉆井作業的機械化、自動化程度進展很快，但整個鉆井行業勞動強度仍然很大。

互相配合、聯合作業鉆井操作是多人協同配合的聯合作業，離開了群體將失去鉆井操作的意義。因此，鉆井操作的技能訓練要進行多崗位、協同配合的綜合訓練，培養學生的集體主義精神。

危險性大鉆井操作因受操作者的素質、設備和工具的好壞，協同配合的水平，個體技能的高低等多方面因素的制約，未知因素很多，容易發生人身安全事故，輕者致傷致殘，重者有生命危險。因此，實習安全是鉆井技能訓練中至關重要的問題。

把仿真模擬應用于實訓教學

仿真模擬，即逼真模仿研究對象。仿真可以分為物理仿真和計算機仿真兩大類。物理仿真的優點是直接、形象、易信，但模型受限、易破壞、難以重用。計算機仿真將研究對象進行數學描述，建模編程，且在計算機中運行實現，可及時升級軟件，模擬先進的工藝措施、儀器設備，而且可以重復演示、反復使用。其實，仿真很早就應用于科研和諸多領域包括操作教學在內，比如，服裝專業的裁剪操作，一些實訓用紙張替代面料，我系制作的模型防噴器組及遠控臺等，都可以稱為物理仿真；而現在用的鉆井及井控模擬器，在計算機上進行模擬鉆井及實施井控，可以稱之為計算機仿真。

人類接受知識的過程是多通道綜合作用的過程，這些通道主要有感覺通道，包括視覺、聽覺、觸覺、平衡感覺、嗅覺和味覺；運動通道，包括手、眼、足、身體和語言；思維通道，包括大腦的記憶、分析、聯想和決策。傳統的教學方法只利用了較少的通道，如視覺、聽覺等，因此教學效率不高。現代科學的發展不僅對教學改革提出了需要，也為此提供了可能。充分運用現代科學的思想、方法、技術、手段，特別是系統論、信息論、控制論、協同論、突變論等科學方法及一切現代化媒體和信息技術與計算機技術的最新成果，使仿真操作系統應運而生。

把仿真模擬技術引入實訓教學，學員置身于仿真環境之中，可以充分調動感覺通道、運動通道和思維通道的學習機能，接受知識的效率明顯提高。借助高技術手段深化教學改革，實現教學訓練模擬仿真化，是一場創新教學手段和方法的變革，而這場變革的核心就是模擬和仿真。從2003年起，我院與西南石油大學計算科學學院聯合開發鉆井、修井仿真模擬器，這套鉆井、修井仿真模擬器主要由以下三部分組成：（1）前端學員操作系統。包括柴油鉆機司鉆控制臺（或電動鉆機司鉆控制臺）、參數顯示臺、防噴器控制臺、阻流器控制臺、高壓（立管）管匯、阻流器控制臺等。（2）后臺教師主控系統。包括教師主控機、圖形處理機、激光打印機等。（3）大屏幕投影系統。包括投影儀、投影屏幕等，主要負責顯示由圖形處理機產生的真彩色、真三維動畫圖形，讓所有教師及學員能夠實時地、清晰直觀地跟蹤作業過程，再現生產現場的真實場景。

仿真模擬實訓教學的優點

形象性仿真操作能創造一個與實際近乎相同的特性環境。如鉆井模擬器，仿真操作面板與鉆機實際操作面板可以完全吻合，仿真操作與實際鉆機操作在面板控制部分幾乎完全一致。

交互性仿真操作不同于電化教學，電化教學學員是被動式、單向式，雖然直觀但不具備交互性；而在仿真操作過程中，學員與操作對象能進行交互，可以大大激發學員學習興趣。學員參與仿真，可建立起使人如身臨其境的“交互式虛擬現實世界”。仿真過程具有“沉浸—交互—構想”三個基本特征，以虛擬現實技術創造虛擬環境，特別強調學員參與其中的身臨其境的沉浸感，同時學員與虛擬環境之間可以有多維信息交互作用，學員從定性和定量綜合集成的虛擬環境中，可以獲得對操作對象的感性和理性的認識。

全面性仿真操作軟件可充分考慮實際環境中的各種因素，避免由于特定條件而導致的操作結果的單一取向。如下鉆桿發現溢流時關井操作仿真，能對溢流量、關井程序、下鉆桿的操作等多方面進行仿真。

安全性仿真操作不會對操作對象如設備、儀表、元件等造成實質性損害，更不會因操作失誤對學員造成人身危害。如鉆井作業仿真不會因學員操作失誤造成設備本身損壞，如碰天車、砸井口等事故出現后，不會造成設備本身損壞。而且，仿真中的聲、光警報及語言提示，完全可以對學員操作錯誤進行提醒和糾正。

全天候性仿真操作不受天氣、氣候制約，無論刮風下雨還是嚴寒或高溫都可進行。實際的鉆井現場操作都在野外，要受天氣、氣候制約。

節約性引入仿真操作教學，最根本的好處是對原材料、工量具、儀表設備的節約。如鉆井作業操作一次，要消耗柴油，需要鉆桿、吊卡、液壓鉗等，同時由于操作錯誤，還可能引起設備的毀壞等嚴重事故。而仿真操作過程可以實現無油料消耗，避免設備和元件損壞。再如數控仿真，虛擬毛坯替代實際材料，虛擬冷卻液替代實際冷卻液，可極大地降低操作消耗，且刀具不會因為進給量過大而損壞。在化學仿真中，酸、堿、鹽類都是虛擬物品，沒有消耗，更沒有污染。

高效性仿真操作可縮短材料、儀器或工卡量具的準備過程，操作完成后，也節省了回收時間。在仿真操作過程中，學員可以輕松對操作過程初始化，對未能完成的操作進行狀態存貯，對已完成的操作進行調入回顧，極大地提高了操作效率。

直觀性在模擬器上可以看到實際中看不到的現象：（1）在模擬器上關井，可以觀察到環形防噴器的關井工作原理。看到閘板防噴器的閘板動作；（2）鉆頭在井底工作時可以通過三維動畫顯示在地層中鉆進的情形；（3）壓井過程中壓井液循環的情形直觀，立管壓力、套管壓力變化曲線一目了然。總之，模擬器可使復雜的理論簡單化，使抽象的問題形象化。

考核與評分在高職院校中專業技能的實際操作考試是教學中的重要一環，鉆井專業的考試準備工作費時、耗材量大、評分工作繁雜。該套鉆井模擬器可以在學員操作結束時自動打分，消除了主觀因素的影響，客觀、公平、合理，也減輕了教師的工作量。

仿真模擬實訓教學的效果

渤海石油職業學院石油工程系是中國石油天然氣集團公司（CNPC）指定的9家國內井控培訓機構之一，具有國際鉆井承包商協會（IADC）國際井控培訓資質。仿真模擬實訓教學在全日制學生校內實習以及職工培訓中應用，取得了顯著效果（見下表）。

作為一種新的教學模式，仿真模擬實訓與傳統實訓方法相比有諸多優點，但必須注意的是，仿真實訓畢竟不是真正的對實際對象的操作，本身有一定的局限性。在采用仿真實訓后，可縮短但絕不能完全拋開真實的實習過程。鉆井專業采用仿真輔助實習的同時，還要給學生安排必需的校外實習，校企聯合，工學交替，為企業培養出技能過硬的急需人才。

參考文獻：

[1]周政新.EDA電子設計自動化實踐與訓練[M].北京：中國民航出版社，2002.

[2]趙世強，許杰．電子電路EDA技術[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2000.

作者簡介：

黃守國（1965—），男，河北清河人，渤海石油職業學院石油工程系實訓辦主任，講師，研究方向為石油職業教育。