鉆井工程課程設計一體化協同工作系統的開發

王六鵬　劉志坤　高曉榮　倪維軍

［摘 要］鉆井工程課程計算內容復雜，涉及專業知識廣泛，設計任務繁多，僅僅借助于多媒體講授，學生手動計算等傳統課程教學活動難以產生立竿見影的教學效果，如何在實踐教學中引入信息化、智能化鉆井工程設計，是一個急需解決的問題。文章通過構建一體化協同工作系統，增加豐富的教學案例和教學資源，使一體化協同工作系統與鉆井工程理論背景深度融合，可以幫助師生實現全面的互動式、交流式學習，幫助教師掌握學生的學習動態及設計完成情況，提高教學效果。

［關鍵詞］鉆井工程；課程設計；協同工作系統

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）14-0026-03

近年來，隨著高等教育的改革，工科大學教育領域取得了長足進步，但在實踐教學環節上還存在許多問題。課程設計作為本科教育中持續進行的實踐環節，它的應用對于實踐教學改進有著重要的作用。石油工程設計作為石油工程主干專業課程后進行的實踐性教學環節，各石油類高校都已將其納入了專業必修實踐課程之列[1]。通過石油工程設計課程的教學，學生不僅可以將以前所學的理論和方法運用到實踐中，還可以將不同課程所學的知識進行相互滲透，掌握從事油氣田開發地質、油藏工程、采油工程、經濟評價等生產科研工作的技能，解決石油工程領域的實際問題[2]。目前，國內外的油田企業均有專門的鉆井設計部門，需要工程、固井、鉆井液等不同專業技術人員借助先進的計算機軟件系統協同完成。這對石油工程專業在校本科生的鉆井工程課程教學，特別是鉆井工程課程設計提出了更高的要求，因此，高校需要加強學生軟件工具的使用和協同工作能力的培養[3]。

目前，許多院校石油工程專業本科生鉆井工程課程仍然采用傳統的手算方式進行教學，學生根據教師給定的任務書，按照鉆井工程的基本理論和方法，從頭到尾實現一口簡單直井的基本設計，設計內容相對簡單，學生之間缺少交流與協作，也與油田企業的實際工作模式不一致。在實踐教學中，重要的是讓學生能夠在大量的數據和材料中快速找到所需的信息，從而在較短的時間內高質量地完成課程學習。但這對于大多數學生來說十分困難，學生的完成情況難以體現顯著的教學效果[4]。

針對這一問題，通過構建一體化協同工作系統，采用數據庫和信息管理系統技術，可以實現鉆井工程設計案例、現場資料、設計數據的日常維護與管理，減少在教與學兩個環節中為準備資料、檢索資料、繁雜的工程設計計算所做的重復無效的工作量，提高設計的針對性、有效性和教學效率[5]。學生通過對本課程的系統學習，在掌握鉆井工程基本原理、基礎知識和設計計算方法等綜合應用基礎上，能夠完成鉆井工藝的關鍵內容設計，包括井眼軌跡剖面設計、井身結構設計、固井注水泥設計等內容，給出合理可行的設計方案。課題組在此基礎上完善了鉆井工程課程設計的教學手段與教學方法，開發研制了鉆井工程課程設計一體化協同工作系統，為學生提供鉆井各環節較為完善的工程設計和計算基本模塊軟件，并層層分解鉆井工程課程設計目標任務，以任務驅動方式提高學生的積極性，從而實現高效、有指導、自主設計的鉆井工程綜合設計實踐。

一、一體化協同工作系統的設計思路及功能特點

鉆井工程課程設計一體化協同工作系統立足工程教育專業認證，將信息技術融入鉆井工程課程設計中，利用協同工作模式增強師生互動、強化學生之間的團隊協作，加強實踐教學的信息交互、持續溝通和資源共享，構建一體化協同鉆井工程設計教學環境，并通過引導式、啟發式教學模式，促進學生自主學習能力和協同創新意識的培養。

（一）系統設計思路

按照課程設計目標，鉆井工程課程設計一體化協同工作系統的設計流程主要涵蓋教師任務下發及管理、學生具體設計任務完成、設計匯總交流三個關鍵環節。每一個關鍵環節分別確定二級具體任務（見圖1）。

（二）系統主要的功能及特點

基于設計流程，鉆井工程課程設計一體化協同工作系統的主要功能界面及功能特點如下：

1.設計分組登錄

設計分組登錄主要功能有教師對學生進行分組管理，并在每一個設計小組指定一名管理員，負責協助管理小組，每一位學生在分配到賬號后，可自行登錄并進入系統。

2.協同設計任務分配

管理員新建設計任務，錄入設計井型、井別等基本信息，系統按照基本信息自動生成設計模塊（如定向井、水平井出現軌道設計模塊）。管理員為小組內每一位成員分配協同設計的具體任務。

3.設備工具、常量標準查閱

根據國內外的鉆井手冊，整理歸納套管數據、鉆桿數據、鉆井泵參數、鉆機參數等基礎數據，學生在設計過程中可隨時提取數據查閱。

4.協同鉆井工程設計

提供專業工程計算算法模塊，結果數據以圖表方式直觀展示，在設計過程中，地質數據、設計過程參數、實鉆數據充分共享，實現協同工作。

5.專業圖形繪制

例如井口裝置圖繪制時，要體現不同壓力等級井口裝置的組成、節流及壓井管匯的組成都是不同的，通過系統設定的參考體系，培養學生的工程概念。

二、一體化協同工作系統的運用

教師可以充分利用一體化協同工作系統的豐富資源和功能融入教學過程，以實現教學目標。

（一）教學準備階段

在課程開始之前，教師仔細研究該系統提供的綜合性案例和知識庫，了解其中的設計模型、算法和內容。同時，教師可以利用系統的擴充功能進一步完善特殊工藝設計，例如復雜結構井、欠平衡鉆井、多分支井等。明確教學目標和任務后，教師可以將課程設計任務模塊化，并根據學生的能力和學習進度設置不同的任務。

在課程預習階段，教師通過報告、圖片、視頻、PPT等方式將學習資源發布到系統上，學生可通過系統自主學習基礎知識。教師還可以通過系統對學生進行分組，安排不同組的學生承擔不同的設計任務，并明確具體的鉆井工程設計流程和設計內容。

（二）引導學生獨立學習

通過一體化協同工作系統提供的設計模型、算法和知識庫，教師引導學生按照設計需求查閱和學習相關資料。通過該系統，教師不再局限于傳統的課堂教學，而是轉換傳統教學中學生作為被動接受者的角色，引導學生在充分交流思想、制定方案、協作實施的過程中，充分發揮主觀能動性，主動獲取知識，并在自主學習的過程中進行深度思考，促進綜合能力的提升。

（三）設計任務分解與指導

教師可以將課程設計任務分解為不同的模塊，并在一體化協同工作系統中進行明確指導。針對任務的難度和復雜性，教師可以提供不同層次的指導，滿足學生的學習需求。同時，教師可以通過系統對學生的學習進度和學習質量進行監督與控制，使學生在具體的設計和數據計算過程中及時獲取相關的專業知識和設計方法。系統將繁雜的計算和大量數據的收集工程進行簡化，減少了繁雜的計算工作，幫助學生克服了以往面對大量計算任務時的畏難情緒，激發學生實踐動手的興趣，培養深度思考的能力，從而提高設計工作的效率。

（四）鼓勵實踐與發散思維

教師通過進一步拓展一體化協同工作系統的功能，鼓勵學生在實際應用過程中獨立思考和發散思維，如鼓勵學生自主開發算法模型。學生通過拓展創新性思維，實現更加復雜、更加具有實際意義的鉆井工程設計，進一步提高解決復雜問題的能力。

（五）協同設計與團隊合作

在協同設計中，教師充當引導者的角色，學生之間可實現協同設計，即一個任務可細分為相互銜接的子任務，并由不同的學生負責完成。這些任務之間既有不同的側重內容又相互關聯，在完成設計任務過程中促進團隊協作能力的提升。在這一過程中出現任何難點或者疑問，學生可在小組中與教師或同組同學展開詳細討論。在完成設計任務之后，由教師對結果進行審核評價，最后形成鉆井工程設計報告。

（六）綜合評估與反饋

教師可以及時對學生的設計報告進行綜合評估，并提供積極的反饋。教師可以通過后臺掌握學生在學習過程中形成的相關數據，如學生對學習資料的學習時長、對于相關資料的查閱次數、在小組討論區的活躍程度等。在設計報告評估過程中，著重對報告中的關鍵數據進行審核，并對報告中數據的完成程度、報告提交的時間、完成后的拓展思考等情況進行綜合考慮。除了考查學生設計結果的準確性，教師還可以評價學生解決問題的能力、創新性思維和團隊合作能力。通過給予個性化的反饋，鼓勵學生不斷進步，更好地實現教學目標。

教師通過一體化協同工作系統對學生的引導，將學生變成實踐教學的主角，主動投入學習，并在協同設計中發揮更大的能動性。教師與學生在這一新型教學模式下形成雙主體，共同推進教學目標的實現。這種教學模式有助于培養學生的自主學習和獨立思考的能力，成為更具有創新精神的石油工業人才。同時，通過一體化協同工作系統的使用，幫助學生更好地適應數字化轉型的工程實踐環境，提高他們在石油工業領域的核心競爭力。

三、結語

如何將信息技術融入鉆井工程課程設計中，以信息化技術支撐服務專業領域，是現階段課程設計中亟待解決的問題。事實證明，將鉆井工程設計分解成既有不同的側重內容又相互聯系的各個模塊，結合信息系統和數據庫技術來管理所需的各種資料和數據，可以實現學生學與教師教的關系的轉變，提高學生獨立思考的能力和學習興趣。該系統通過結合典型案例，促使學生通過模仿、借鑒完成積累，實現自我成長，進而提升創新的有效性，充分實現以學生為主體的，以自主、探索、合作為特征的教學優勢。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 楊明合，夏宏南，朱忠喜，等.對改進石油工程設計教學模式的探討[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2009（12）：199-200.

[2] 黃耀琴，張樹林.“任務驅動”式的合作學習在“石油工程課程設計”教學中的應用[J].中國地質教育，2007（4）：101-104.

[3] 王均，劉曉慶.《鉆井工程課程設計》教學方法改革與實踐[J].教育教學論壇，2019（31）：86-87.

[4] 馮福平，張繼紅，李士斌，等.卓越工程師鉆井工程課程設計的改進措施[J].石油教育，2015（2）：62-64.

[5] 呂苗榮，黃靜，崔金棟，等.鉆井工程課程設計輔助教學系統的開發[J].中國地質教育，2014，23（2）：70-75.

［責任編輯：黃緊德］