仿真模拟在油层物理实验教学中的运用

摘要：油层物理课是石油工程专业必修课程,是一门以实验为基础发展起来的专业基础课程。因此，油层物理实验是油层物理课的必修环节。为提高实验教学效果，针对油层物理实验教学中存在的局限性和难题，编制了仿真实验教学软件。该文对仿真实验教学的优越性进行了阐述，对油层物理仿真实验教学软件及应用情况进行了介绍。仿真实验教学作为新的实验教学模式的改革和尝试，取得了良好的教学效果。

关键词：油层物理;实验教学;仿真

实验教学是培养学生创新能力、解决实际问题能力、理论联系实际能力的重要环节。实践和实验环节的缺失或薄弱，势必造成理论与实践的脱节，培养出来的学生高分低能，缺乏创新能力。这样的学生很难适应社会的需求[1-3]。实验教学需要投入大量资金购买仪器设备，需要场地建设实验室。近几年学校招生规模迅速扩大，实验室出现资金及实验面积不足、设备台套数不足、指导教师缺乏等问题。严重影响实验教学质量。随着计算机多媒体技术的迅猛发展，仿真技术在各领域应用越来越广泛。作为新的实验教学手段，仿真实验教学得到了广泛应用。它具有开发、维护费用低，不受场地限制，功能强大等优势。不仅可以节省很多的人力、物力和财力，而且还可以提高学生的兴趣。

1仿真模拟教学的优越性

与传统的实验教学相比，仿真模拟教学具有以下优势[4-5]。(1)节省成本。由于专业实验仪器通用性差，一般价格比较昂贵，维修困难。仿真软件可以大大降低成本，不受台套数限制。仿真实验软件的运行只需要一台电脑，而目前电脑的普及程度非常高，已成为人们学习和生活的基本工具。电脑成本也越来越低。(2）节省空间。专业实验仪器利用率低，购买大量仪器不仅需要大量资金，而且占用实验室面积。大部分时间闲置，势必会造成极大的浪费。仿真软件的应用不受实验地点限制，不需购置专门的实验仪器。这样就节省了空间。(3）使用方便。由于网络的应用，学生无论在机房、在宿舍都可以开展实验，不受地点限制。无论节假日、周末学生可以在任何时间开展实验，不受时间限制。(4）便于维护。仿真软件不像实验仪器容易损坏，学生可以多次反复操作，而不用担心出现仪器故障。(5）可以实现实验中无法完成的功能。仿真实验不仅可以完全模拟实际的实验过程，它还可以实现实际实验难以实现的功能。比如井下工具的结构及工作原理，利用实物很难让学生看清楚，利用动画则可以一目了然。气锚的工作原理，老师在课堂上讲解非常费时、费力，但利用动画展示，气锚分离气液的过程看得清清楚楚。(6）提高学生兴趣及创新激情。仿真动画软件色彩丰富，动画效果好，学生有身临其境的感觉。学生就会对实验产生兴趣。同时会刺激学生自己动手设计实验、编写实验软件的冲动。提高学生的学习兴趣和创作激情。(7）拓展实验内容。受学时、资金和场地的限制，一般必做的实验项目内容相对简单、时间短。因此，实际实验使培养学生的实验技能和创新能力受到一定限制。仿真实验则可以很好地解决这一问题。学校只要少量投入，就可以编写出拓展性实验内容，供有兴趣的学生学习使用。例如，相对渗透率曲线测定实验，这是油田开发的一个基础实验，但实验过程非常耗时，完成一个实验需要数天时间。学生很难在实验室开展这类实验。利用仿真软件就可以很轻松地掌握实验的操作。

2油层物理仿真软件介绍

油层物理仿真软件是采用Flash7.0编写的。在Windows2000及更高版本的操作系统下均可运行。实验内容包括两部分：基本参数测定实验和拓展实验。基本参数测定包括岩石孔隙度测定、岩石渗透率测定、比表面积测定和碳酸盐含量测定四个实验。拓展实验包括毛管压力曲线测定、相对渗透率曲线测定和岩石润湿性测定三个实验。每个实验是一个独立的执行程序，包括四个模块：实验原理、实验仪器、实验操作步骤和数据处理。实验操作模块有实验操作方法的配音解说、有字幕、有实验操作。具有很好的人机交互功能。学生可以根据提示一步一步进行操作。图1为仿真软件的截图。

3软件的应用及效果评价

目前软件主要用于两个方面：（1）必修实验的课前预习。实验课之前，学生配合实验指导书在计算机上进行模拟实验，等完全掌握了实验过程再进入实验室。（2）拓展实验的自选学习。实验室对学生开放，学生可以根据自己的兴趣，利用仿真软件自行学习自己感兴趣的选修实验内容。仿真软件在本科油层物理实验教学中已应用了四届，深受学生的欢迎。教学效果良好，通过仿真软件的应用，提高了学生预习效率和预习效果，降低了实验过程中的出错率。通过拓展实验，学生学到了更多的实验内容。

4仿真软件编写中注意的问题

(1）注重细节。实验的成败和实验精度很大程度上决定于实验人员的细心程度，因此，仿真模拟要想收到好的效果，必须注重实验细节的交代和动画实现。(2）提高仿真程度。逼真的场景可以让学生很快进入角色，提高教学效果。达到真实实验所要达到的目标。(3）必要的警示。实际实验操作过程中，不当的操作可能会损坏仪器，或者使整个实验报废，甚至对人体带来危险。而仿真软件可以多次重复。难以体会错误操作带来的严重后果。因此，仿真模拟过程中的错误操作，必须给予必要的警示或相应的惩戒，以引起学生的足够重视。

5结语

仿真模拟打破了传统的实验教学模式，为传统实验教学模式注入了新的活力。为消除传统实验教学中存在的种种局限开辟了一条新路。仿真模拟不仅可以节约成本、节约空间，而且可以实现一些实际实验无法实现的功能。仿真模拟对培养学生创新能力和实验技能具有不可替代的作用。但是由于仿真模拟毕竟是对实际实验的模拟，与实际实验还是存在差异。因此，在实际教学过程中不能完全代替实际实验。只能作为实际实验教学的补充和扩展。因此，处理好仿真模拟与实际实验之间的关系尤为重要。

作者:李春兰 单位:中国石油大学（北京）石油工程学院

参考文献:

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[3]王晓蒲,霍煎青,杨旭,等.大学物理仿真实验和教学实践[J].物理实验,2001,21(1):28-29.

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[5]注成为，高文，王行仁．虚拟现实技术的理论、实验及应用[M]．北京:清华大学出版社，1996．