楊永飛，付帥師，李愛芬，劉永革，孫致學，張儼彬

（中國石油大學（華東） 石油工程學院 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，實驗教學在全面振興本科教學攻堅戰(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”建設的過程中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸走向成熟?；谔摂M仿真技術(shù)的實驗設備和項目資源的建設應用，相較于常規(guī)教學方法具有突出優(yōu)勢，為教師傳授知識和學生探索式學習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)展和教學改革增添了活力[6-8]。針對涉及行業(yè)科技前沿的教學內(nèi)容，建設具有行業(yè)特色且符合“新工科”建設的虛擬仿真實驗，革新課堂教學方法，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)方案編制和工程設計的重要基礎資料，毛管力曲線測試方法及應用是石油工程專業(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、半滲隔板毛管力測定儀、高壓壓汞儀和恒速壓汞儀等設備極其昂貴，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。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，對學生和教師健康安全帶來一定的風險，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。針對毛管力相關的專業(yè)重點知識，建設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系統(tǒng)，并設計基于該系統(tǒng)的先進高效的課堂實驗教學方法，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系統(tǒng)建設

“毛管力曲線測試及應用”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中存在的種種弊端和不足，基于以往教學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系統(tǒng)。通過對比模擬學習前沿科技知識以及虛實結(jié)合的實驗操作，達到了以往常規(guī)壓汞法毛管力曲線測試實驗實現(xiàn)不了的課堂教學效果。

1.1 教學系統(tǒng)功能設計

交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學系統(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。系統(tǒng)功能設計框圖如圖1 所示。

圖1 交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學系統(tǒng)功能設計框圖

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用實例。通過基于本模塊的教學和模擬測試，使學生學會真實常規(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)新實踐教學模塊中，在防護設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，達到專業(yè)實驗課程教學的目標要求和實際效果。

針對高壓壓汞毛管力曲線測試教學模塊，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系統(tǒng)中常規(guī)壓汞毛管力曲線測試模塊的相關流程，建設基于本系統(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習，在常規(guī)壓汞毛管力曲線測試及學習的基礎上，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)實驗教學儀器的局限性。

針對恒速壓汞毛管力曲線測試教學模塊，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，建設用于恒速壓汞毛管力曲線教學的專用模塊。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中，引入基于行業(yè)前沿技術(shù)及科學研究方法的實驗教學新內(nèi)容，提升實驗課堂教學的科研探究性水平。

1.2 功能實現(xiàn)所需關鍵技術(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)絡中的毛細管現(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模塊中，基于多媒體技術(shù)，針對單根毛細管中的毛管力作用現(xiàn)象、毛細管現(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)絡連通狀態(tài)、流體在巖石中的分布形態(tài)等，利用計算機的圖像、動畫和視頻方式進行綜合處理，構(gòu)建出生動形象的多媒體教學資料，讓學生充分理解毛管力相關知識模塊的理論分析、原理演示等關鍵內(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系統(tǒng)的一項主要功能就是讓學生在虛實結(jié)合的操作中模擬測試壓汞毛管力曲線?；谑嗄陙硎褂脡汗瘍x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)驗模型，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）人機交互和計算機編程技術(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系統(tǒng)的觸控式顯示屏上，完成計算機的輸入控制和輸出顯示，方便高效地實現(xiàn)人機對話。基于Visual Studio 編程設計的模擬器軟件，具有算法先進、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、可控人機交互、改進型精確仿真和虛擬現(xiàn)實等，使用觸屏計算機、信號轉(zhuǎn)換器、智能模擬器等，設計并構(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

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

圖2 交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學系統(tǒng)

系統(tǒng)主要包括毛管力理論教學模塊、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，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)汞杯及補汞閥等相關流程，進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；關閉抽真空模擬泵，打開進汞/退汞模擬實驗流程的相關流程開關；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；按照設計的壓力點逐級進汞加壓，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)，直至達到最高設定壓力；按照設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；基于進汞和退汞過程中所測壓力與汞量關系畫出常規(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

“毛管力曲線測試及應用”實驗一直以來都采用傳統(tǒng)講授式課堂教學模式，由教師講授原理及操作流程，再由學生分組完成常規(guī)壓汞毛管力曲線的測試。傳統(tǒng)教學方法形式過于單一，學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隨之發(fā)展完善，以適應行業(yè)的高速發(fā)展，例如在課堂教學中增加涉及非常規(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內(nèi)容。配合新知識的引入需要課堂教學方法的革新，以便結(jié)合實驗課堂的教學內(nèi)容、設備及軟硬件設施，達到最優(yōu)的課堂教學效果。

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

2.1 對分課堂教學設計

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

（1）教師講授。著重介紹毛管力曲線關鍵知識點、儀器操作關鍵流程和注意事項，指出學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，同時引申至要求學生探索學習的高壓壓汞及恒速壓汞毛管力曲線測試相關知識。講授過程設計為25～30 min，其間還針對課前的20 min 壓汞毛管力曲線測試預習視頻內(nèi)容進行提問，掌握學生的理解程度，同時方便教師對學生過程性學習細節(jié)的評價。

圖4 對分課堂教學設計

（2）內(nèi)化吸收?；陬A習和講授，安排學生分組實驗，根據(jù)常規(guī)壓汞法毛管力曲線測試流程，安裝巖心并進行抽真空操作，抽真空操作需要持續(xù)15 min。與此同時，讓學生根據(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鍵原理和儀器的正確操作方法，學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行對比分析和探索學習。

（3）分組操作?；诮换ナ教摂M仿真毛管力曲線測試教學系統(tǒng)，學生能夠?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，研究并學習高壓/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)學生操作和自主學習過程中產(chǎn)生的問題，進行有針對性的討論和答疑，鼓勵“亮”“考”“幫”的實施，讓學生針對疑難問題和知識點進行溝通交流，以便教師全面掌握課堂教學和學生測試操作的總體情況。

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

2.2 對分課堂教學效果

交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學系統(tǒng)于2018 年10 月建成，并于2018—2019 年度第1 學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（大三學生）對本系統(tǒng)在實驗教學中的使用以及對分課堂教學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，提升實驗教學設備和教學內(nèi)容的先進性。安全無汞化的交互式虛擬仿真毛管力曲線測試儀器，為學生的學習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，學生在對比學習和探索測試中學習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，“當堂對分”的個性化教學全面提升了學生的學習水平。針對教師講授的課程重點，學生可根據(jù)自身學習情況和實驗項目要求，進行針對性的內(nèi)化吸收、自主學習。每一個學生在學習過程中都可以找到自己的強項和弱項，并通過“亮”“考”“幫”鞏固所學、探索未知、交流互補。

（3）自主探索，互動交流，在實際操作和對比研討中提升學生科學研究能力和創(chuàng)新性水平。學生能夠從實驗操作和探索測試中發(fā)現(xiàn)并提出科學問題和疑難問題，并通過共同反復鉆研及師生間的交流溝通，使學生真正學會解決問題的方法，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)教學效果?；诮换ナ矫芰η€虛擬仿真測試教學系統(tǒng)的對分課堂教學實踐，使所有學生都能參與進來，并能結(jié)合自身的學習狀況進行針對性的學習和探索操作。把學生的學習努力分散到課前、課上和課后，并形成各具特色的學習成果。全面評價注重過程，學生在內(nèi)化吸收、探索操作、歸納知識、解答疑難等整個學習過程各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)都能得到評價，促進了實驗教學效果的全面提升。

3 結(jié)語

基于常規(guī)壓汞毛管力曲線測試及應用實驗現(xiàn)狀，結(jié)合“新工科”高等教育理念，建設了交互式毛管力虛擬仿真測試教學系統(tǒng)，設計了基于該系統(tǒng)的虛實結(jié)合毛管力測試與應用對分課堂教學法。避免了實驗教學中汞的毒害性影響，將常規(guī)壓汞法毛管力實驗教學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用教學，提升了毛管力測試課堂教學素材的廣度及技術(shù)前沿性?！爱斕脤Ψ帧钡膶Ψ终n堂教學法相較于傳統(tǒng)實驗課堂教學具有很多優(yōu)勢，能夠針對學生的個性化情況全面提升學生的學習水平；學生在實際自主探討操作和對比交流研討中能夠提升科學研究能力和創(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)的教學效果。