油田化学是一门典型的学科交叉、涉及面较宽、内容繁杂而且抽象的课程, 而油田化学实验是《油田化学》课程配套的重要实践环节, 也是石油工程专业实践教学的一个重要部分, 对应的化学实验多而且复杂, 而且涉及的知识面广泛。鉴于以上的原因, 通过利用虚拟仿真实验技术创设油田化学虚拟操作实验平台, 对于解决和提高油田化学实验课程的质量和效率至关重要[1]。
1 目前油田化学实验教学面临的主要问题
(1) 实验课时量严重不足, 无法保证理论知识有效巩固目前石油工程专业的《油田化学》课程的课时只有60学时, 其中油田化学实验课时只有8个学时, 学生可现实操作的只有8个, 其他2个综合性实验是有兴趣的学生自己预约实验, 在实验教师的指导下, 自己设计操作。而实际上目前涉及油田化学的实验有六大部分, 共计21个实验, 因此, 如何制定出最优的教学模式, 使学生对理论知识与操作技能掌握的更全面。
(2) 面临大量化学试剂的严重污染和安全问题油田化学实验所用的化学试剂, 涉及的特别是有机化合物或多或少都存在一定的毒性或者腐蚀性, 废弃化学药品, 不仅会腐蚀实验室的的水管线, 而且会造成严重的化学水污染。钻井液实验产生大量的废弃泥浆和水泥浆, 废弃物体系非常复杂, 体系中含有大量的有毒有害物质, 而且具有一定的粘度和固相物质。因此, 如何解决油田化学实验室化学试剂的污染问题, 同时又能获得最佳的实验教学效果。
(3) 实验教学成本逐渐加大油田化学实验所采用的实验材料和试剂成本较高, 特别是一些专有材料, 比较昂贵, 油田化学的实验材料费, 一般是学校财政拨款和实验室运行经费, 经费有限, 审批有一定的过程。办学成本成为一个不可避免的现实问题, 也是实验教学面临的一大难题, 化学实验需要实验设备和大量的实验试剂, 耗费相当大, 因此, 如何降低油田化学的实验成本, 减轻学校的经济负担也是一个值得思考的问题。
2 油田化学虚拟仿真实验体系建设
设想的实验体系为三个层次, 第一:设计典型虚拟仿真实验, 包括表面活性剂类型鉴别虚拟实验、聚丙烯酰胺的合成与水解虚拟实验、土酸酸液的配制虚拟实验、胍胶压裂液配制虚拟实验。第二:动画型虚拟仿真实验;主要包括化学驱油过程虚拟实验, 化学堵水剂过程虚拟实验等目前无法实现完全可操作的网络虚拟实验, 采用实验过程动画化, 这类实验采用两种方式来完成, 一种是先期教学过程中供学生演示的动态实验, 一种是拍摄每个实验操作的全过程, 供学生熟悉和掌握实验的整个流程。第三:集成第三方优势虚拟仿真实验, 针对油田化学领域, 目前本校无法做到完全虚拟实验, 比如钻井液完井液性能评价虚拟实验, 水泥浆性能评价虚拟实验, 污水絮凝剂评价实验等可以借鉴目前国内石油相关院校及其他院校的成熟实验资源。
3 油田化学虚拟仿真实验功能与特色
(1) 预习实验和复习实验的功能传统实验中学生在实验过程中, 跟着设定好的实验步骤做, 缺乏主观能动性, 课前应让学生做好充分的实验准备, 特别要做好实验前的预习, 从而提高实验的效果。但纯文字的预习理解加大了预习的难度, 如果预习能边看文字材料, 边在电脑上操作虚拟仿真实验, 甚至在关键步骤还能够通过互动亲手点击操作, 对于学生理解实验原理、明确实验目的、理清实验步骤、自然而然理解油田化学实验知识起到很好的作用[2]。
(2) 有利于培养学生的创新意识如果学生能通过油田化学的虚拟仿真平台进行实验操作, 选择感兴趣的实验内容, 学生的可操作性比较强, 实验安全系数也比较高, 实验系统具有很强的识别功能, 操作如果出现错误, 系统会提示错误, 只有修改正确后才会停止提示, 也不用担心设备损坏, 在这种环境下实验, 既能建立学生的创新空间, 也能培养学生的创新意识。
(3) 可进行危险性高, 成本高的实验油田化学中的部分危险性实验, 可以通过电脑虚拟环境直观展示实验过程, 利用计算机模拟出可展现宏观和微观的实验变化过程, 可把抽象的概念形象化透过现象看本质, 能直观、安全地进行平时实验室无法做的危险性、不可逆、微观的、抽象的实验操作。比如钻井液性能评价中需要测试钻井液在高温高压环境中的流变性, 在现实实验中高温和高压环境具有大的危险性, 如果把该实验集成在油田化学虚拟仿真平台上, 学生可以安全的, 甚至反复的操作该实验, 达到身临其境的模拟效果, 理解更加深刻。
(4) 虚拟实验设计应具有步骤模式和纠错功能实验可以设计成按照完成上一个步骤, 才可以点击下一个步骤的模式进行, 只有上一步操作正确, 才能进行下一步实验, 这不仅能让学生更加深刻的理解具体的实验步骤, 而且能使学生很快掌握正确的实验步骤[3]。另外虚拟实验中设计引入纠错功能, 若某个步骤操作失误, 系统就会提醒操作错误, 而且可以提示, 错误的操作步骤可能是什么原因造成的, 提醒学生进行正确的操作, 引入错误结果, 让学生真正了解实验的过程, 以及实验中需要注意的要点。
摘要：虚拟仿真实验具有可实现多次重复、安全环保、成本低廉、节约能源的特点。论文分析了油田化学虚拟实验室建设的必要性、构建了实验教学体系, 讨论了油田化学虚拟实验室建设的功能与特色。
关键词：油田化学,虚拟仿真,实验室建设,组织管理,建设设想
参考文献
[1] 李家明.仿真在化学实验教学中的应用探讨[J].钦州学院学报, 2011, (6) :65-68.
[2] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议实验室研究与探索, 2013, 32 (12) :5-8.
[3] 程思宁, 耿强, 姜文波, 等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理, 2013, 30 (7) :94-97.