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摘要：海洋钻井工程是海洋油气工程专业的核心课程，其实践性强，大多数内容远离生活，导致学生学习困难。在现有条件下，高校开展海洋油气钻井实验课程存在着各类实验条件限制，且难以让每个学生都有动手体验机会；利用计算机虚拟现实技术（VR技术）开展实验课程，是提高实验教学效果的有效手段。本文对在海洋钻井工程中开展VR实验教学的方案、内容和问题进行了初步的探讨。
关键词：海洋钻井工程；实验教学；虚拟现实技术；教学模式
本文引用格式：朱海燕,等.浅谈虚拟现实海洋钻井工程实验教学模式[J].教育现代化,2019,6(17):91-93.
一引言
海洋钻井工程作为海洋油气工程专业的核心课程，是海洋油气工程本科生的认识基础，主要包括海洋钻井工艺流程和海洋钻井设备两个方面，要求学生能够深刻理解整个过程，并具有一定的实践动手能力和团队协作能力。
通过调研发现：在教学实践中，仅通过教师叙述和零散的设备观察，学生很难深刻理解整个工艺流程。同时，钻井设备价格昂贵、体积大。仅一套井口防喷器价格就高达数十万，极大提高了实验教学成本。且在常规实验课程中，通常为多名学生一组观察学习，部分学生容易走过场，影响教学效果。虚拟现实技术（Virtual Reality简称VR）其主要含义是：通过计算机模拟和三维立体环境显示，创造一个实时动态的三维立体环境，使用者可以通过动作，手势等新型人机交互设备和系统进行交互。虚拟现实具有三个主要特性：沉浸性、交互性和构想性[1,2]，使用者通过与虚拟环境中的事物的相互作用，配合视觉、听觉以及触觉设备，达到“身临其境”的效果。
虚拟现实技术的兴起，为工程实验教学提供了新的思路。国内外有很多相关实验教学案例：在国外，阿卜杜拉国王大学成立了展示技术能力和跨校园研究的3D立体显示数字化实验室；印第安纳大学推出了促进视觉技术创新应用的可视化实验室[3]；在国内，广西大学推出的无机实验虚拟仿真系统、成都理工大学建设的地质钻探虚拟实训系统[4]等。虽然虚拟现实技术在我国的石油教育和培训领域已经获得了不错的发展，但与国外相比仍存在较大的差距，且在特定石油专业课程的虚拟现实教学策略、设计和实施方法方面研究较少。
因数千米海水的存在，使得海洋钻井工程所涉及的知识内容、工作环境等，与传统钻井工程课程存在较大差异，其覆盖知识面更广、科技含量更高、更具有抽象性，探索该课程新型的教学方法和教学模式，开展启发式、探究式、讨论式、参与式教学有积极的推动作用，对提高学生的学习积极性、促进我校海洋钻井工程课程的教学改革，提升教学质量具有重要的意义。
二 海洋钻井工程VR实验教学特点
目前，我校在海洋钻井工程教学中，还未开展钻井工艺流程方面的实验课程，对于钻井工艺流程的教学主要依靠老师播放视频和口头讲解。对于钻井设备实验教学，则在相关课程的实验教学中，通常将学生分成4~5组，每组5~10人，每组一套实验设备或轮流使用2~3套不同设备进行不同实验。在实验过程中，会出现明显的“能者多劳”现象，而大多数学生则被动围观。这样的模式不利于学生深入学习，不能深入理解钻井工艺流程和熟练掌握钻井装备操作也会给学生将来工作埋下隐患。
海洋钻井虚拟仿真教学是既面向流程又要面向装备。不仅要模拟各种平台的开采流程、海洋环境、各型流体流动，也要对装备进行结构展示。结合学校众多的计算机教学资源，可以构建分布式和全息投影相结合的虚拟现实教学系统，实现对学生的全覆盖虚拟实验教学。
三 VR实验教学的内容和方案
按照教学计划，实验课程可以伴随教学进度，分步分层次进行：教学初期：学生佩戴VR头盔，以漫游方式从对整个钻井系统进行观察，建立整体印象；教学中期：学生通过虚拟现实系统对海洋钻井过程中的设备进行反复拆装，深入了解钻井装备操作和原理；教学后期：利用分布式虚拟现实模拟系统，由学生组建钻井小队，模拟现实中的钻井操作人员进行钻井模拟操作，培养学生团队协作能力和知识综合应用能力。
（一）实验教学内容
以教学后期团队实验为例，实验教学主要有以下几个方面的内容：
1.实验前对理论进行复习和深化；
2.不同岗位操作人员培训，分析每个岗位，每个流程可能出现的问题；
3.分发模拟实验区块信息，各组分别讨论钻井方案，确定主要参数。
4.操作虚拟设备进行全流程海洋油气钻井开发，完成选点、钻井、固井、完井，并解决问题。
5.观察并记录数据，思考实验过程中的问题，完成整个实验，提出改进方案。
6.整理实验数据，总结实验方案，并选择一个要点调研文献，并撰写实验报告。
中间2部分主要锻炼学生的团队意识和操作应用能力[5]。与实际钻井过程一样，每一个学生代表一个“岗位”，让所有学生都能参与进来，形成分工合作的工程意识，提升工作能力。最后2部分，分析问题并撰写实验报告。通过对实验数据和资料的整理和分析，总结整个过程中所应用到的相关知识点，提出一个工程上有意义的问题，并通过课下查找资料，得出一个报告。通过这样的拓展，锤炼学生观察和解决实际工程问题的能力，激发学生的实践和求知欲望。
（二）实验工艺流程对象选择
海洋钻井综合实验主要面向钻井工艺流程，实验选择的流程要依照教学大纲要求，参考教学安排和教学进度，选择整体或部分流程作为实验内容。
在半潜式平台海洋钻井中，主要的工艺流程如下：
在虚拟现实仿真系统中，钻井平台、钻井设备等均通过CAD软件建模完成（图1），集成在虚拟仿真系统中，可以直接选用；海洋环境、油气藏位置、地层特征、钻井液性能等可变参数均可在系统中进行一键设置，使学生能够集中思考关键性问题，顺利完成实验，提升学生的成就感。同时，教师可在管理端全程监控各实验小组实验进展和相关参数，及时给予指导。
实验前2部分让学生自主回顾所有相关已学知识，促进学生相关专业课的知识整合为知识体系；在虚拟现实仿真系统中，教师可根据要求从任一流程开始实验，便于控制实验时长，灵活开展教学。
（三）实验方案设计
海洋钻井虚拟现实仿真综合实验的特点就是利用VR系统的高效模拟能力，模拟出海洋钻井的主要场景，由学生进行方案选择、参数设置和虚拟操作，实验的具体实施流程如下：
四VR实验教学中的问题
VR技术应用于实验教学，解决了海洋钻井工程实验课程中的设备不足、实验条件困难等问题，提高了教学质量，但虚拟现实技术应用于教学还在探索阶段，在实验教学中仍会有许多问题需要考虑。
（一）正确认识VR教学与现实教学
VR技术为现实教学提供了新的手段，创建了新的教学环境，提升了教学效果，学生可以沉浸其中完成实践式、交互式、探索式学习。但是，其所模拟出的世界始终是虚拟世界，始终和现实世界存在一定的差距，不能完全代表现实世界；因此，VR教学不能代替现实教学，它只是提升教学效果的一种手段、一种工具。在教学过程中要合理利用VR技术开展教学，无论何种形式，都是为了加深学生对知识的理解，培养学生的工程素养和实践动手能力，而不是利用其简化教学。
（二）预防VR技术的潜在副作用
VR技术不断普及，对人的生理和心理的潜在副作用也在不断得到人们的重视。
一方面，市面上的头戴式VR显示设备（简称：VR头显）。例如：HTC Vive、Google cardboard2等，大都会将眼睛置于一个封闭的环境，并且由于显示延迟等因素，长期使用会产生眼胀，头晕等不良反应。3Glasses联合创始人、CTO党少军表示：“VR成像里蓝光的危害要比人们用手机或者看电视更大。[6]”因此，要严格控制学生平均使用VR头显的时长。
另一方面，VR技术沉浸感强、视觉刺激性强，长期使用对学生的认知模式会产生的影响并不明确，教师需要引导学生正确认识虚拟现实，注重思考能力的培养，避免产生依赖。
（三）加强师生沟通交流
虚拟现实教学中，打破了以往以教师为中心的教学模式，教师从活动组织者、知识传播者转变为活动参与者、陪同者。学生的自主性得以提高，但教师对课堂的掌控能力有所下降。为了保持对学生学习的引导和掌控，在系统构建初期就要添加师生之间，同学之间的交流模块，使学生在实验教学期间保持与外界的联系，减少不适应感。学生在实验期间遇到的问题通过系统集中到教师端，教师也能对学习中的重点难点进行及时讲解，增强教学效果，提升实验教学质量。
五 结语
在工程类实验教学中，VR技术能够突破空间和设备的限制，相比与传统实验教学具有明显的应用优势。推广VR实验教学，对提升教学水平，提高人才培养质量，具有显著价值；在推广同时，也要深刻思考技术应用的方式和形式，扬长避短，不断地提升技术应用水平，使技术真正成为教学质量提升的助推器。
参考文献
[1]王月,李晖,翟禄新.虚拟现实技术在“地球概论”课程教学中的应用[J].中国电力教育,2010(34):78-79.
[2]史寿乐.虚拟现实在教育中的应用[J].教育现代化,2017(32):205-206,209.
[3]王琳.3D虚拟现实技术在教育教学中的应用策略探析[J].中国教育技术装备,2016(06):3-5.
[4]王娟,吴永和,段晔,等.3D技术教育应用创新透视[J].现代远程教育研究,2015(01):62-71.
[5]宁曦，陈省平,谢晓倩，等.虚拟仿真实验在海洋科学实验教学中的应用[J].教育现代化,2018(14):160-163.
[6]高义栋,闫秀敏,李欣.沉浸式虚拟现实场馆的设计与实现——以高校思想政治理论课实践教学中红色VR展馆开发为例[J].电化教育研究,2017,38(12):73-78+85.
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