“新工科”背景下毛管力虚拟仿真对分课堂教学实践

杨永飞，付帅师，李爱芬，刘永革，孙致学，张俨彬

（中国石油大学（华东） 石油工程学院 非常规油气开发教育部重点实验室，山东 青岛 266580）

实验是“新工科”背景下创新型卓越人才培养的必要手段，实验教学在全面振兴本科教学攻坚战中具有重要的战略地位[1-3]。目前各国、各行业都在经历变革，教育也需要创新才能培养出未来社会和经济发展所需的人才[4-5]。在我国高等工程教育发展和“新工科”建设的过程中，虚拟现实技术逐渐走向成熟。基于虚拟仿真技术的实验设备和项目资源的建设应用，相较于常规教学方法具有突出优势，为教师传授知识和学生探索式学习提供了更为高效的方法和手段，也为新时代下高等工科教育发展和教学改革增添了活力[6-8]。针对涉及行业科技前沿的教学内容，建设具有行业特色且符合“新工科”建设的虚拟仿真实验，革新课堂教学方法，对教育改革和创新具有重要意义。

目前，油气资源在世界能源消耗构成中仍处于主导地位，其中低渗致密等非常规油气资源开发越来越显得举足轻重。毛管力及毛管力曲线是低渗致密油气藏开发方案编制和工程设计的重要基础资料，毛管力曲线测试方法及应用是石油工程专业课程“油层物理”和“渗流物理实验”的重点和难点[9-12]。由于岩心离心机、半渗隔板毛管力测定仪、高压压汞仪和恒速压汞仪等设备极其昂贵，且大多测试时间长，仪器操作和数据处理方法繁琐，一般不适用于课堂实验教学。常规压汞法毛管力曲线测试仪能够在2 小时课堂实验中完成进汞及退汞毛管力曲线测试，但是实验介质是带有毒性的汞和珍贵的岩心，实验过程具有较高的毒害性危险，对学生和教师健康安全带来一定的风险，且压汞后的岩心不能回收利用，不符合绿色环保的课堂教学发展理念[13]。此外，常规压汞仪所测数据局限于中、高渗透率的常规油气储层，针对低渗致密储层并不适用。因此，基于常规压汞仪的毛管力曲线实验教学具有较多弊端和局限，不能满足“新工科”背景下的创新型人才培养需求。针对毛管力相关的专业重点知识，建设符合新时代背景下高等工科教育创新发展需求的新型实验教学系统，并设计基于该系统的先进高效的课堂实验教学方法，这对卓越人才培养具有重要的实践和创新意义。

1 交互式毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统建设

“毛管力曲线测试及应用”是“渗流物理实验”专业课程的必修实验环节，课堂用时2 学时。主要内容包括毛管力与毛管力曲线基本概念，常规压汞法毛管力曲线测试原理、步骤及实践操作，并基于所测压汞法毛管力曲线数据分析岩石孔隙结构特征。随着低渗、致密和页岩油气等非常规资源在石油能源消耗构成中的比重日渐提升，常规压汞法毛管力曲线（测试压力在15 MPa 以下）已经不能够满足石油工程行业发展的需求。

鉴于常规压汞法毛管力曲线测试在实验教学中存在的种种弊端和不足，基于以往教学实践中积累的不同类型岩心毛管力曲线数据，建立了岩心毛管力曲线与孔渗参数数据库，并结合低渗致密等非常规油气储层物性评价所需的高压及恒速压汞仪工作原理和数据资料，使用正在高速发展的虚拟仿真实验技术，开发了针对“毛管力曲线测试及应用”这一专业重点知识模块的交互式虚拟仿真实验测试教学系统。通过对比模拟学习前沿科技知识以及虚实结合的实验操作，达到了以往常规压汞法毛管力曲线测试实验实现不了的课堂教学效果。

1.1 教学系统功能设计

交互式毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统的主要功能是：通过虚拟仿真实验系统和交互式测试对比分析，在安全无汞的绿色教学环境下，完成毛管力及毛管力曲线基本理论、测试原理、不同毛管力曲线测试方法及测试结果的综合全面对比教学。系统功能设计框图如图1 所示。

图1 交互式毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统功能设计框图

针对常规压汞毛管力曲线测试模块，基于交互式虚拟仿真测试与常规压汞仪实验测试流程一致的原则，设计包括岩心室、模拟汞杯、抽空系统、压力加载系统和模拟汞体积计量系统等一系列模块，实现在无汞化虚实结合条件下对普通中高渗透率岩心的常规压汞毛管力曲线的测试，并通过仿真系统计算机显示界面，生动形象地展示常规压汞曲线特征分析及典型应用实例。通过基于本模块的教学和模拟测试，使学生学会真实常规压汞仪的工作原理和操作方法，并能够在后续科研及创新实践教学模块中，在防护设施非常完备的科研实验室中，自主完成真实岩心的常规压汞毛管力曲线测试，达到专业实验课程教学的目标要求和实际效果。

针对高压压汞毛管力曲线测试教学模块，基于高压压汞仪工作原理，结合交互式毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统中常规压汞毛管力曲线测试模块的相关流程，建设基于本系统的适用于低渗、致密等油气储层岩石评价所需的高压压汞毛管力曲线模拟教学模块，包括通过对比分析，探讨高压压汞与常规压汞曲线在测试原理、测试仪器规格要求、测试结果曲线的主要特征及适用范围等方面的区别和联系。经过直观的展示及对比学习，在常规压汞毛管力曲线测试及学习的基础上，拓展至高压压汞曲线和致密储层岩石孔隙结构特征，突破常规实验教学仪器的局限性。

针对恒速压汞毛管力曲线测试教学模块，基于恒速压汞仪的工作原理及主要特点，结合本系统的常规和高压压汞毛管力曲线测试模块，建设用于恒速压汞毛管力曲线教学的专用模块。通过对比高压压汞仪和恒速压汞仪的典型工作原理以及工作压力、注汞速度及方式等的区别，探索恒速压汞毛管力曲线的变化特征及其对储层岩石微观孔隙结构分析评价的意义。在毛管力曲线测试实验课堂教学中，引入基于行业前沿技术及科学研究方法的实验教学新内容，提升实验课堂教学的科研探究性水平。

1.2 功能实现所需关键技术

（1）多媒体及可视化技术直观展示抽象理论。虽然毛细管现象在大自然中非常常见，但是由于储层孔隙喉道网络中的毛细管现象存在于岩石内部，并且结构连通状态极其复杂，岩石中毛管力的产生、大小及其对流体饱和度分布状况的影响等都是肉眼不可见的。因此在毛管力及毛管力曲线理论知识教学模块中，基于多媒体技术，针对单根毛细管中的毛管力作用现象、毛细管现象中的流体界面形态及流体移动特点、并联毛管中的毛管力现象、岩石孔隙结构微观形态、孔隙网络连通状态、流体在岩石中的分布形态等，利用计算机的图像、动画和视频方式进行综合处理，构建出生动形象的多媒体教学资料，让学生充分理解毛管力相关知识模块的理论分析、原理演示等关键内容。

（2）数据库技术建立毛管力曲线数据综合体。交互式虚拟仿真教学系统的一项主要功能就是让学生在虚实结合的操作中模拟测试压汞毛管力曲线。基于十多年来使用压汞仪对不同孔隙度和渗透率岩心的压汞毛管力曲线测试资料，建立以岩心孔隙度和渗透率参数为索引的压汞毛管力曲线数据库。基于大数据分析、回归分析等建立毛管力曲线多参数经验模型，实现基于孔渗参数的常规压汞毛管力曲线数据拟合计算方法。

（3）人机交互和计算机编程技术完成数据输入与结果输出。在交互式毛管力虚拟仿真教学系统的触控式显示屏上，完成计算机的输入控制和输出显示，方便高效地实现人机对话。基于Visual Studio 编程设计的模拟器软件，具有算法先进、高精度和计算快速等优点。模拟器软件可以根据输入参数自动计算所测岩心的毛管力曲线数据，并基于后续交互式模拟测试过程，精确输出每一个进汞或退汞压力下的汞体积变化数据。

（4）虚拟仿真技术构建可交互的逼真的测试流程。基于常规压汞仪真实工作原理和测试流程，结合高压压汞仪和恒速压汞仪基本工作原理和测试方法，融合多媒体显示、可控人机交互、改进型精确仿真和虚拟现实等，使用触屏计算机、信号转换器、智能模拟器等，设计并构建基于真实压汞毛管力曲线测试精确流程的可交互式操作模拟系统。

1.3 虚实结合，绿色教学

基于系统功能设计，结合常规压汞毛管力曲线测试真实流程，设计并建成交互式毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统，如图2 所示。

图2 交互式毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统

系统主要包括毛管力理论教学模块、信息控制数据库、常规压汞模拟器、高压压汞模拟器、恒速压汞模拟器和流程检测等六大模块，能够用于毛管力及毛管力曲线这一重点知识模块的理论和实验教学，并在测试中排除了汞这一有毒有害因素。同时，引入适用于非常规储层物性评价分析的高压/恒速压汞毛管力曲线等前沿知识，大大提升了实验课堂的探索研究水平和总体教学效果。

下面以常规压汞毛管力曲线模拟测试为例，简要说明本系统的具体操作和实现方法。操作流程如图3所示。首先随机选择岩心样品，在系统软件界面中输入岩心的编号、孔隙度、渗透率、长度、直径等基本参数，然后进入常规压汞模拟器，开始压汞法毛管力曲线测试。具体步骤为：将岩心放在系统顶部的模拟岩心室中，使用抽空系统给岩心室模拟抽真空至合理的真空度；调节汞杯及补汞阀等相关流程，进行岩心室模拟充汞操作，观察模拟汞体积计量系统的模拟汞量；关闭抽真空模拟泵，打开进汞/退汞模拟实验流程的相关流程开关；调节模拟计量泵手柄，记录初始压力为零时的模拟汞量；按照设计的压力点逐级进汞加压，记录每一稳定压力下的模拟计量泵压力和模拟汞量数据，直至达到最高设定压力；按照设计的压力点逐级退汞降压，记录每一稳定压力下的模拟计量泵压力和模拟汞量数据，直至压力降为零；基于进汞和退汞过程中所测压力与汞量关系画出常规压汞法毛管力曲线。

图3 常规压汞毛管力曲线模拟测试流程图

2 基于虚拟仿真系统的对分课堂教学

“毛管力曲线测试及应用”实验一直以来都采用传统讲授式课堂教学模式，由教师讲授原理及操作流程，再由学生分组完成常规压汞毛管力曲线的测试。传统教学方法形式过于单一，学生在操作过程中往往不能完全理解其原理，容易出现模仿操作而不知原委的状况，课堂教学效果不理想。随着非常规油气资源占比的日渐增大，传统的毛管力曲线测试实验课堂所授知识点理应随之发展完善，以适应行业的高速发展，例如在课堂教学中增加涉及非常规储层特殊物性分析所用到的高压压汞毛管力曲线和恒速压汞毛管力曲线教学内容。配合新知识的引入需要课堂教学方法的革新，以便结合实验课堂的教学内容、设备及软硬件设施，达到最优的课堂教学效果。

对分课堂是由复旦大学张学新教授原创提出的一种高效课堂教学模式。该教学模式将教师讲授、内化吸收和讨论三个过程有机结合，注重对学生学习过程的评价，提升学生学习的主动性和学习效果[14-15]。结合“毛管力曲线测试与应用”新的教学内容，基于交互式毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统，设计并践行了“毛管力曲线测试与应用”对分课堂实验教学法。

2.1 对分课堂教学设计

针对“毛管力曲线测试及应用”实验项目，采用“当堂对分”的对分课堂教学模式，将知识点讲授、学生内化吸收、分组操作测试与讨论分享等环节整合在2 学时的实验课堂中。具体教学设计如图4 所示。

（1）教师讲授。着重介绍毛管力曲线关键知识点、仪器操作关键流程和注意事项，指出学生须全部掌握的常规压汞法毛管力曲线测试核心内容，同时引申至要求学生探索学习的高压压汞及恒速压汞毛管力曲线测试相关知识。讲授过程设计为25～30 min，其间还针对课前的20 min 压汞毛管力曲线测试预习视频内容进行提问，掌握学生的理解程度，同时方便教师对学生过程性学习细节的评价。

图4 对分课堂教学设计

（2）内化吸收。基于预习和讲授，安排学生分组实验，根据常规压汞法毛管力曲线测试流程，安装岩心并进行抽真空操作，抽真空操作需要持续15 min。与此同时，让学生根据讲授内容和仪器实物等，真正弄懂压汞法毛管力曲线测试的关键原理和仪器的正确操作方法，学会压汞毛管力曲线的测试方法及计算绘制方法，并针对不同类型的压汞毛管力曲线进行对比分析和探索学习。

（3）分组操作。基于交互式虚拟仿真毛管力曲线测试教学系统，学生能够学会并测试出常规压汞毛管力曲线的所有数据，透彻理解常规压汞仪测试原理。学生可通过高压压汞/恒速压汞毛管力曲线测试模块，研究并学习高压/恒速压汞毛管力曲线测试与常规压汞毛管力曲线测试的核心原理，弄懂不同类型毛管力曲线的特点、区别和联系。

（4）讨论分享。根据学生操作和自主学习过程中产生的问题，进行有针对性的讨论和答疑，鼓励“亮”“考”“帮”的实施，让学生针对疑难问题和知识点进行沟通交流，以便教师全面掌握课堂教学和学生测试操作的总体情况。

（5）注重过程评价。针对不同学生的学习操作情况、实验报告情况和“亮”“考”“帮”作业情况进行综合评判，总结对分课堂教学中存在的问题并持续改进，从而达到最优的教学效果。

2.2 对分课堂教学效果

交互式毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统于2018 年10 月建成，并于2018—2019 年度第1 学期渗流物理实验专业课程中投入使用，2016 级石油工程专业本科生（大三学生）对本系统在实验教学中的使用以及对分课堂教学法给出了较高的评价，从本实验项目总体平均成绩和实验报告情况来看，基于本系统的对分课堂教学法显示了一定的优势。

（1）绿色课堂，虚拟仿真，提升实验教学设备和教学内容的先进性。安全无汞化的交互式虚拟仿真毛管力曲线测试仪器，为学生的学习和科研探索提供了安全环保的实验环境。通过交互式虚拟仿真模拟测试，学生在对比学习和探索测试中学习了实验项目要求的全部知识，并拓展了对行业技术前沿的理解。

（2）讲授重点，内化疑难，“当堂对分”的个性化教学全面提升了学生的学习水平。针对教师讲授的课程重点，学生可根据自身学习情况和实验项目要求，进行针对性的内化吸收、自主学习。每一个学生在学习过程中都可以找到自己的强项和弱项，并通过“亮”“考”“帮”巩固所学、探索未知、交流互补。

（3）自主探索，互动交流，在实际操作和对比研讨中提升学生科学研究能力和创新性水平。学生能够从实验操作和探索测试中发现并提出科学问题和疑难问题，并通过共同反复钻研及师生间的交流沟通，使学生真正学会解决问题的方法，提升发现问题和解决问题的能力。

（4）过程评价，总体提升，确保实验课堂的最优教学效果。基于交互式毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统的对分课堂教学实践，使所有学生都能参与进来，并能结合自身的学习状况进行针对性的学习和探索操作。把学生的学习努力分散到课前、课上和课后，并形成各具特色的学习成果。全面评价注重过程，学生在内化吸收、探索操作、归纳知识、解答疑难等整个学习过程各个环节的表现都能得到评价，促进了实验教学效果的全面提升。

3 结语

基于常规压汞毛管力曲线测试及应用实验现状，结合“新工科”高等教育理念，建设了交互式毛管力虚拟仿真测试教学系统，设计了基于该系统的虚实结合毛管力测试与应用对分课堂教学法。避免了实验教学中汞的毒害性影响，将常规压汞法毛管力实验教学拓展到适用于非常规油气开发的高压及恒速压汞毛管力曲线测试和应用教学，提升了毛管力测试课堂教学素材的广度及技术前沿性。“当堂对分”的对分课堂教学法相较于传统实验课堂教学具有很多优势，能够针对学生的个性化情况全面提升学生的学习水平；学生在实际自主探讨操作和对比交流研讨中能够提升科学研究能力和创新性水平；注重过程评价和总体提升确保了实验课堂获得最优的教学效果。