钻井工程课程设计一体化协同工作系统的开发

王六鹏　刘志坤　高晓荣　倪维军

［摘 要］钻井工程课程计算内容复杂，涉及专业知识广泛，设计任务繁多，仅仅借助于多媒体讲授，学生手动计算等传统课程教学活动难以产生立竿见影的教学效果，如何在实践教学中引入信息化、智能化钻井工程设计，是一个急需解决的问题。文章通过构建一体化协同工作系统，增加丰富的教学案例和教学资源，使一体化协同工作系统与钻井工程理论背景深度融合，可以帮助师生实现全面的互动式、交流式学习，帮助教师掌握学生的学习动态及设计完成情况，提高教学效果。

［关键词］钻井工程；课程设计；协同工作系统

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）14-0026-03

近年来，随着高等教育的改革，工科大学教育领域取得了长足进步，但在实践教学环节上还存在许多问题。课程设计作为本科教育中持续进行的实践环节，它的应用对于实践教学改进有着重要的作用。石油工程设计作为石油工程主干专业课程后进行的实践性教学环节，各石油类高校都已将其纳入了专业必修实践课程之列[1]。通过石油工程设计课程的教学，学生不仅可以将以前所学的理论和方法运用到实践中，还可以将不同课程所学的知识进行相互渗透，掌握从事油气田开发地质、油藏工程、采油工程、经济评价等生产科研工作的技能，解决石油工程领域的实际问题[2]。目前，国内外的油田企业均有专门的钻井设计部门，需要工程、固井、钻井液等不同专业技术人员借助先进的计算机软件系统协同完成。这对石油工程专业在校本科生的钻井工程课程教学，特别是钻井工程课程设计提出了更高的要求，因此，高校需要加强学生软件工具的使用和协同工作能力的培养[3]。

目前，许多院校石油工程专业本科生钻井工程课程仍然采用传统的手算方式进行教学，学生根据教师给定的任务书，按照钻井工程的基本理论和方法，从头到尾实现一口简单直井的基本设计，设计内容相对简单，学生之间缺少交流与协作，也与油田企业的实际工作模式不一致。在实践教学中，重要的是让学生能够在大量的数据和材料中快速找到所需的信息，从而在较短的时间内高质量地完成课程学习。但这对于大多数学生来说十分困难，学生的完成情况难以体现显著的教学效果[4]。

针对这一问题，通过构建一体化协同工作系统，采用数据库和信息管理系统技术，可以实现钻井工程设计案例、现场资料、设计数据的日常维护与管理，减少在教与学两个环节中为准备资料、检索资料、繁杂的工程设计计算所做的重复无效的工作量，提高设计的针对性、有效性和教学效率[5]。学生通过对本课程的系统学习，在掌握钻井工程基本原理、基础知识和设计计算方法等综合应用基础上，能够完成钻井工艺的关键内容设计，包括井眼轨迹剖面设计、井身结构设计、固井注水泥设计等内容，给出合理可行的设计方案。课题组在此基础上完善了钻井工程课程设计的教学手段与教学方法，开发研制了钻井工程课程设计一体化协同工作系统，为学生提供钻井各环节较为完善的工程设计和计算基本模块软件，并层层分解钻井工程课程设计目标任务，以任务驱动方式提高学生的积极性，从而实现高效、有指导、自主设计的钻井工程综合设计实践。

一、一体化协同工作系统的设计思路及功能特点

钻井工程课程设计一体化协同工作系统立足工程教育专业认证，将信息技术融入钻井工程课程设计中，利用協同工作模式增强师生互动、强化学生之间的团队协作，加强实践教学的信息交互、持续沟通和资源共享，构建一体化协同钻井工程设计教学环境，并通过引导式、启发式教学模式，促进学生自主学习能力和协同创新意识的培养。

（一）系统设计思路

按照课程设计目标，钻井工程课程设计一体化协同工作系统的设计流程主要涵盖教师任务下发及管理、学生具体设计任务完成、设计汇总交流三个关键环节。每一个关键环节分别确定二级具体任务（见图1）。

（二）系统主要的功能及特点

基于设计流程，钻井工程课程设计一体化协同工作系统的主要功能界面及功能特点如下：

1.设计分组登录

设计分组登录主要功能有教师对学生进行分组管理，并在每一个设计小组指定一名管理员，负责协助管理小组，每一位学生在分配到账号后，可自行登录并进入系统。

2.协同设计任务分配

管理员新建设计任务，录入设计井型、井别等基本信息，系统按照基本信息自动生成设计模块（如定向井、水平井出现轨道设计模块）。管理员为小组内每一位成员分配协同设计的具体任务。

3.设备工具、常量标准查阅

根据国内外的钻井手册，整理归纳套管数据、钻杆数据、钻井泵参数、钻机参数等基础数据，学生在设计过程中可随时提取数据查阅。

4.协同钻井工程设计

提供专业工程计算算法模块，结果数据以图表方式直观展示，在设计过程中，地质数据、设计过程参数、实钻数据充分共享，实现协同工作。

5.专业图形绘制

例如井口装置图绘制时，要体现不同压力等级井口装置的组成、节流及压井管汇的组成都是不同的，通过系统设定的参考体系，培养学生的工程概念。

二、一体化协同工作系统的运用

教师可以充分利用一体化协同工作系统的丰富资源和功能融入教学过程，以实现教学目标。

（一）教学准备阶段

在课程开始之前，教师仔细研究该系统提供的综合性案例和知识库，了解其中的设计模型、算法和内容。同时，教师可以利用系统的扩充功能进一步完善特殊工艺设计，例如复杂结构井、欠平衡钻井、多分支井等。明确教学目标和任务后，教师可以将课程设计任务模块化，并根据学生的能力和学习进度设置不同的任务。

在课程预习阶段，教师通过报告、图片、视频、PPT等方式将学习资源发布到系统上，学生可通过系统自主学习基础知识。教师还可以通过系统对学生进行分组，安排不同组的学生承担不同的设计任务，并明确具体的钻井工程设计流程和设计内容。

（二）引導学生独立学习

通过一体化协同工作系统提供的设计模型、算法和知识库，教师引导学生按照设计需求查阅和学习相关资料。通过该系统，教师不再局限于传统的课堂教学，而是转换传统教学中学生作为被动接受者的角色，引导学生在充分交流思想、制定方案、协作实施的过程中，充分发挥主观能动性，主动获取知识，并在自主学习的过程中进行深度思考，促进综合能力的提升。

（三）设计任务分解与指导

教师可以将课程设计任务分解为不同的模块，并在一体化协同工作系统中进行明确指导。针对任务的难度和复杂性，教师可以提供不同层次的指导，满足学生的学习需求。同时，教师可以通过系统对学生的学习进度和学习质量进行监督与控制，使学生在具体的设计和数据计算过程中及时获取相关的专业知识和设计方法。系统将繁杂的计算和大量数据的收集工程进行简化，减少了繁杂的计算工作，帮助学生克服了以往面对大量计算任务时的畏难情绪，激发学生实践动手的兴趣，培养深度思考的能力，从而提高设计工作的效率。

（四）鼓励实践与发散思维

教师通过进一步拓展一体化协同工作系统的功能，鼓励学生在实际应用过程中独立思考和发散思维，如鼓励学生自主开发算法模型。学生通过拓展创新性思维，实现更加复杂、更加具有实际意义的钻井工程设计，进一步提高解决复杂问题的能力。

（五）协同设计与团队合作

在协同设计中，教师充当引导者的角色，学生之间可实现协同设计，即一个任务可细分为相互衔接的子任务，并由不同的学生负责完成。这些任务之间既有不同的侧重内容又相互关联，在完成设计任务过程中促进团队协作能力的提升。在这一过程中出现任何难点或者疑问，学生可在小组中与教师或同组同学展开详细讨论。在完成设计任务之后，由教师对结果进行审核评价，最后形成钻井工程设计报告。

（六）综合评估与反馈

教师可以及时对学生的设计报告进行综合评估，并提供积极的反馈。教师可以通过后台掌握学生在学习过程中形成的相关数据，如学生对学习资料的学习时长、对于相关资料的查阅次数、在小组讨论区的活跃程度等。在设计报告评估过程中，着重对报告中的关键数据进行审核，并对报告中数据的完成程度、报告提交的时间、完成后的拓展思考等情况进行综合考虑。除了考查学生设计结果的准确性，教师还可以评价学生解决问题的能力、创新性思维和团队合作能力。通过给予个性化的反馈，鼓励学生不断进步，更好地实现教学目标。

教师通过一体化协同工作系统对学生的引导，将学生变成实践教学的主角，主动投入学习，并在协同设计中发挥更大的能动性。教师与学生在这一新型教学模式下形成双主体，共同推进教学目标的实现。这种教学模式有助于培养学生的自主学习和独立思考的能力，成为更具有创新精神的石油工业人才。同时，通过一体化协同工作系统的使用，帮助学生更好地适应数字化转型的工程实践环境，提高他们在石油工业领域的核心竞争力。

三、结语

如何将信息技术融入钻井工程课程设计中，以信息化技术支撑服务专业领域，是现阶段课程设计中亟待解决的问题。事实证明，将钻井工程设计分解成既有不同的侧重内容又相互联系的各个模块，结合信息系统和数据库技术来管理所需的各种资料和数据，可以实现学生学与教师教的关系的转变，提高学生独立思考的能力和学习兴趣。该系统通过结合典型案例，促使学生通过模仿、借鉴完成积累，实现自我成长，进而提升创新的有效性，充分实现以学生为主体的，以自主、探索、合作为特征的教学优势。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 杨明合，夏宏南，朱忠喜，等.对改进石油工程设计教学模式的探讨[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2009（12）：199-200.

[2] 黄耀琴，张树林.“任务驱动”式的合作学习在“石油工程课程设计”教学中的应用[J].中国地质教育，2007（4）：101-104.

[3] 王均，刘晓庆.《钻井工程课程设计》教学方法改革与实践[J].教育教学论坛，2019（31）：86-87.

[4] 冯福平，张继红，李士斌，等.卓越工程师钻井工程课程设计的改进措施[J].石油教育，2015（2）：62-64.

[5] 吕苗荣，黄静，崔金栋，等.钻井工程课程设计辅助教学系统的开发[J].中国地质教育，2014，23（2）：70-75.

［责任编辑：黄紧德］