摘要：文章首先对“钻井工程”课程进行了简单介绍，然后分析了“钻井工程”课程教学存在的不足，接着阐述了基于钻井虚拟仿真技术的“钻井工程”课程教学模式设计，之后论述了基于钻井虚拟仿真技术的“钻井工程”课程教学模式实践，最后总结了基于钻井虚拟仿真技术的“钻井工程”课程教学模式实践效果。

　　关键词：“钻井工程”课程；教学模式；虚拟仿真技术

　　随着我国石油钻井工业的发展和技术升级，社会对我国钻井专业人才培养的要求也越来越高，进而对现有的钻井专业教育体系也提出了更高要求[1]。本研究针对“钻井工程”课程引入虚拟仿真技术展开论述，希望能为这一传统课程的教学改革提供参考建议和执行方案。传统的钻井专业相关课程普遍是在油田钻探现场进行现场教学，或者在专门的钻井实训中心进行教学，虽然理论与实践相结合的教学效果良好，但始终面临着教学时长不足和设施资源有限的挑战[2]。“钻井工程”课程教学通过引入钻井虚拟仿真技术，为学生创造了一个可以无限重复利用的虚拟学习环境。通过模拟现实场景，学生能够身临其境地进行学习和感受，这种创新的教学方式不仅开阔了学生的知识视野，还有助于其构建全面且深入的钻井工程知识体系。更重要的是，它能极大地激发学生的学习兴趣、主动性和动手能力，从而提升学生整体学习效果[3]。

　　一、“钻井工程”课程简介

　　（一）“钻井工程”课程目标

　　“钻井工程”既是需要学习基础理论的专业课程，也是需要实践练习的实操性课程，是一门理论与实践高度结合的课程。作为石油工程技术专业的核心课程之一，该课程对于塑造学生的专业素养与技术能力具有不可或缺的重要性[4]。该课程的主要教学目标是让学生深入理解和掌握油气钻井的完整工艺流程、技术核心原理，以及先进的设计方法，进而促使学生在实际施工环境中能够灵活运用所学知识，解决各类现场技术难题，并帮助学生深入理解各工艺环节的基本概念，使学生掌握相应的计算方法，具备实际应用的能力。概言之，该课程既要使学生掌握油气钻井的专业知识，也要使学生具备从事油气钻井工程实际工作的基本素质[5]。

　　（二）“钻井工程”课程特点

　　1.相关学科内容较多，相关理论交叉复杂，学习难度较大。“钻井工程”覆盖学科内容较广，是一门综合性较强的专业课程，其知识体系包括地质学、钻探工具学、工程学、钻井勘探作业及技术等各学科的专业知识内容。这门课程关联理论知识较多，学科内容交叉复杂，使得教学工作面临极大挑战。另外，这门课程中需要计算的内容较多，容易导致学生产生畏难情绪，影响教学效果[6]。

　　2.实践性较强，教学需要与作业现场结合。作为一门工程类学科，“钻井工程”课程专业知识内容较多且非常抽象，大量的教学内容都需要配合钻井现场的实际操作进行讲授，而如果只是依赖理论讲解而没有现场的实践作为直观的案例参考，学生往往很难理解掌握其中的许多专业知识[7]。

　　3.现实技术更新速度加快，传统教材更新滞后。一方面，随着科技水平和生产技术的进步，作为石油勘探开发最主要的一环，钻井的技术含量和工艺水平也日益提高，不仅工具的升级迭代不断加速，工艺技术也在持续革新[8]。另一方面，现阶段本科层次的“钻井工程”课程教材内容更新滞后，无法及时更新设备和技术的内容。这种滞后性阻碍了学生获取最新知识内容，在一定程度上制约了他们的学习进程和未来的职业发展。

　　（三）“钻井工程”课程的重要性

　　在石油工程教育知识体系框架内，“钻井工程”一直是石油工程技术专业的必修课程之一，从知识内容来说，它是石油工程技术专业的核心知识，从工作实际出发，这门课程更是学生日后参加石油勘探、开发等工作的职业技能基础。通过学习，学生可以对钻井工程的基本原理有一个清晰的理解和认识，能够基本掌握钻井工程技术和操作规范，熟练运用钻井设备，对钻井液和井身结构，以及部件的选配使用操作熟练[9]。在石油工业持续向高科技高效能应用方向发展的今天，钻井工程技术的升级创新和发展对于增产增效、成本控制和安全生产意义重大。可以说，对学生而言，本课程的学习不仅能够促进知识的增长，也是其未来职业发展的重要基础，对于我国整个石油工业而言，更是重要的人才培养根本。

　　实践能力和创新精神一直是“钻井工程”课程的主要教学内容，通过在钻井工程现场开展实践教学，学生实际操作钻井设备，进而感受课程中的重要理论内容，通过调配钻井液、参与钻井工艺的设计与改进专项会议等活动，将自己学到的专业知识进行实地应用，使得理论与实践紧密结合，极大地提升了动手能力和解决现实问题的能力[10]。“钻井工程”课程始终将激发学生的创新思维和提升创新能力作为教学目标之一，要求学生主动关注行业前沿技术，进而帮助他们提前适应行业的进步和从业要求。作为一门必修课，“钻井工程”在石油工程教育体系中的作用十分重要，它为石油工程技术专业学生学习和掌握未来职业生涯中所需知识和技能提供了教学支撑[11]。因此，要确保学习这门课程的学生获得更多的学习资源和一流实践环境，从而培养出拥有理论知识和实践能力的专业人才。

　　二、“钻井工程”课程教学存在的不足

　　受众多因素影响，当前的石油工程专业课程教学条件有限，“钻井工程”课程教学也以理论知识讲解为主[12]。日常的课堂教学场景中，教师习惯采用PPT进行教学演示，讲解专业课程中的基本概念、原理等，也会使用PPT进行案例分析，通过视频和图片等传统多媒体形式辅助教学，帮助学生加深理解[13]。在锻炼学生的实践能力方面，教师会在有限的课时内，尽量安排实验课和工程现场实操，尽量实现理论与实际相结合的教学目标，但是这种少量的实践课程并不能完全满足“钻井工程”课程的工程实践要求。目前来看，该课程教学存在诸多不足。

　　（一）学时分配不够科学合理

　　在目前的教学环境中，受高校课程改革和通识教育普及占用课时的影响，工程学的总课时受到限制，“钻井工程”课程的学时分配被挤压，学时减少。这给教授该课程的教师带来了极大压力，为了在有限的时间内高密度地完成教学大纲安排的教学任务和知识点讲解，“填鸭式”讲解和“满堂灌”教学成为授课中的常见情况。以理论知识作为课程讲解重点，虽然可以强化学生对知识理解和学习，但由于课堂上缺少学生互动和参与，一味侧重单向的知识输出，这在客观上抑制了学生的主观能动性和学习热情，影响了其学习效果[14]。

　　（二）教学方式较陈旧

　　从为石油工业输送人才的角度来说，“钻井工程”课程教学应将理论学习和实践操作紧密结合。但由于课时分配不足，当下“钻井工程”课程教学模式偏重理论讲授，缺少实践练习活动，且教材更新频率较慢，许多内容过于陈旧，与现实生产脱节，这种脱节不仅打击了教师的教学热情，也抑制了学生的学习积极性，导致学生的动手能力和实践技能难以得到有效锻炼，这就对我国培养石油工程领域的专业人才构成了障碍[15]。“钻井工程”属于实践要求较高的一门课程，如果教学模式只局限于基础理论的“灌输”，缺乏实践导向的教学方法，就会让学生对学习的目的和意义感到迷茫，从而失去学习目标和方向，不知如何有效掌握和应用所学，更无从知晓如何将理论知识转化为实际技能。此外，以PPT或黑板板书为主要教学工具的课堂氛围较为沉闷低效，难以激发学生的学习热情。即便PPT可以融入一些多媒体内容，但对于实操性较强的“钻井工程”课程而言仍然不够生动丰富。现阶段，我国教学改革虽然已进行多年，但主流教学理念仍然是“教师主导”，很难形成以学生成长为中心的课堂教学模式，这也限制了学生学习的主动性和创新思维的开发。

　　（三）教学内容更新滞后

　　近年来，我国石油勘探工业发展迅速，与石油工程技术专业相关的课题和研究都取得了较大的突破与进步，特别是钻井技术的发展，带动了钻井工具及设备的快速迭代和升级，但是产业大发展的内容未能及时在相关课程和教学安排中得到体现，“钻井工程”课程的基本教材也许久没有大程度更新。同时，受到课时压缩的影响，为完成教学大纲要求，教师不得不在课堂上抓紧时间“照本宣科”，没有时间更新教学内容和最新的行业知识。课堂教学内容局限于教学大纲要求的知识点，没有紧跟石油工业相关领域的最新技术，忽略了国家当前钻井技术遭遇的“卡脖子”问题。本科阶段通常是学生创新和思考的活跃期，教师要在教学中及时融入行业最新资讯、技术发展信息和设备工艺发展的最新技术成果，引导学生通过专业课的学习并结合生产实践，激发出应该有的创造力和创新思维，如果不能利用好这个学习阶段，对学生未来的学术研究或工作都会产生不利影响。

　　三、基于钻井虚拟仿真技术的“钻井工程”课程教学模式设计

　　（一）钻井虚拟仿真技术介绍

　　钻井虚拟仿真技术是一种先进的模拟钻井训练系统，它融合了电子技术、数字仿真和虚拟现实等技术，使用者可以在计算机生成的虚拟现实钻井生产环境中进行钻井作业拟真操作。通过这种方式，使用者能够在实际操作之前，先熟悉并掌握钻井设备的操作、钻井参数的设置及应对各种复杂情况的方法。钻井虚拟仿真技术主要用于培训钻井工程人员，以提高石油工程技术专业人才的实际操作能力和应对复杂现场真实情况的能力为导向,将钻井虚拟仿真技术引入“钻井工程”课程教学，为实验教学提供了一种新的解决方案。钻井虚拟仿真技术能够提高实验教学效率，使学生在安全、便捷的环境中进行学习和实践。它可以模拟各种真实场景，包括不同地质条件下的钻井操作，从而使学生更全面地了解钻井工程。钻井虚拟仿真技术还可以实现远程教学和管理，方便教师对学生的指导和评价。此外，钻井虚拟仿真教学技术出色的模拟能力，能够重现多种钻井过程中的事故与异常状况，为学生提供一个学习和演练应对突发紧急情况的平台。通过这种技术，学生可以深入了解和掌握面对这些复杂情形的应对策略和技能，为将来的实际工作做好充分准备。

　　（二）教学模式设计

　　第一，由于有钻井虚拟仿真软件的学习需求，目前大多数学生已自备笔记本电脑。教师要协助这些学生在其个人电脑上安装钻井虚拟仿真软件，以确保他们能够在自己的设备上顺畅地进行模拟学习。对于有特殊原因尚未拥有笔记本电脑的学生，学校将提供笔记本电脑的出借或出租服务，以确保每位学生都能获得进行仿真模拟学习的机会。

　　第二，在软件安装成功后，学生按照教学计划的指引，可以在虚拟环境中自主挑选钻井区域、配置所需的钻井工具，并据此构建个性化的油井或钻井平台，以便在接近现实环境的条件下进行实践操作。

　　第三，油井设置完成后，教师要依据教学计划，引领学生进入钻井专项任务的学习和模拟实训环节。在每节课的开始，教师要详细阐述即将进行的钻井任务的名称、核心内容、执行步骤、期望达成的目标及考核方式等关键信息。同时，教师要通过理论教学，为学生打下扎实的钻井专项知识基础。之后在虚拟环境中，教师要亲自示范操作过程，并强调可能遭遇的各种情况、相应的应对策略，以及必须遵守的安全注意事项，以确保学生在模拟实训中能够全面、深入地掌握钻井专项技能。

　　第四，学生在教师的引导下在虚拟环境中进行钻井作业的模拟训练。在教师初步展示钻井专项任务的操作方法后，学生有机会独立在虚拟环境中进行多次实践。首先，学生要掌握钻井任务的基本操作流程；其次，学生要深入学习钻井过程中可能出现的复杂状况及相应的处理策略，并通过多次模拟训练巩固所学知识；最后，学生模拟油井安全事故或紧急情况的处理流程，以提升应对突发状况的能力。

　　第五，教师对学生的模拟操作表现进行评价和打分。为了全面检验学生的实操能力，教师可以要求学生依次在虚拟环境中展示钻井专项任务的操作流程。同时，教师要预先设定多样化的外界环境和突发状况，以观察学生在复杂环境下能否迅速且准确地应对。这一过程可在计算机模拟的虚拟环境中进行，并通过投影设备向全班展示，既便于教师观察，也便于学生相互学习。展示结束后，教师要根据每个学生的表现给予评分，旨在激励学生积极投入学习，提升他们的实践能力和应对复杂情况的能力。

　　（三）教学模式的应用优势

　　1.课程学习更高效。将钻井虚拟仿真技术引入课堂教学，能够为学生提供操作实践中随时获得教师指导和反馈的机会，让学生迅速调整学习策略，显著提升学习效率。相较传统教学模式，这种即时性是其显著优势，因为传统教学模式往往难以即时评估学生的学习效果。此外，虚拟仿真技术使学生能够在虚拟环境中亲身体验实践操作，与理论学习相辅相成，有助于其深化理解和掌握知识。相较传统教学模式过度侧重理论知识的“灌输”，将钻井虚拟仿真技术引入课堂教学打破了这种限制，它不受时间和地点的束缚，学生可在任意时间地点进行学习，这极大地提升了学习的灵活性和效率，学生能够更好地理解和掌握知识。

　　2.课程教学更科学。将钻井虚拟仿真技术引入课堂教学，给传统课堂教学模式带来了颠覆性的改变。它能够根据学生的个体差异和学习进展，定制专属的教学方案，确保每个学生的需求都得到满足，进而提升整体的教学效果。此外，虚拟仿真技术还具有强大的数据记录功能，可以精确追踪学生的学习轨迹和成绩，为教师提供科学、客观的评估依据，使其精准把握学生的学习状态，从而灵活调整教学策略。同时，学生也能通过数据的即时反馈，清晰了解自己的学习状况，自主进行改进和提升。这种教学模式优化了教学资源配置，减少了浪费，使教学资源得到了充分利用。

　　3.课程内容更新颖。将钻井虚拟仿真技术引入课堂教学，可使课程内容更加生动新颖，更贴近生产操作实际。通过虚拟仿真技术，学生可以在模拟的真实钻井场景中体验实际工作，深入了解最新的行业动态和技术应用。此外，该技术还能根据行业发展和教学需求，灵活更新和扩展课程内容，确保课程始终保持与时俱进，既具有先进生产工艺和技术的新鲜感，又具备知识信息更新的时效性。这样的教学模式有助于提升“钻井工程”课程教学质量和效果，培养出更多满足行业需求的优秀人才。

　　四、基于钻井虚拟仿真技术的“钻井工程”课程教学模式实践

　　笔者在课堂教学实践中，选择了我国常用的SD-JKFZ-7型钻井模拟装置作为学生使用的钻井虚拟仿真技术软件，该软件的优势在于其精心设计了多个实践模块，囊括了钻前准备、转盘钻井井控、顶驱钻井井控、非常规井控和井下事故处理等多个钻井作业实际生产内容。本文将通过使用该钻井模拟装备进行“举顶驱正常钻进接立根”教学，演示虚拟仿真技术在“钻井工程”课程教学实践中的具体应用。

　　首先，本学期“钻井工程”课程开课伊始，笔者指导每个学生将钻井虚拟仿真软件安装在其笔记本电脑上，并解答安装过程中遇到的问题。

　　其次，在使用钻井虚拟仿真软件进行“举顶驱正常钻进接立根”实操前，笔者先对这项操作涉及的理论进行了详细讲解，即根据教学大纲的要求为学生讲解理论基础、应用条件、操作要点和注意事项等。

　　最后，笔者为学生演示模拟操作步骤。第一，系统初始设置，共5步：①启动电源开关开机；②操纵总离合挂挡；③打开所有防喷器，关闭“压井管线”和“节流管线”两个主要管线阀门，调节遥控节流阀到开关位50%；④其他操作台手柄开关左旋到底，进入“OFF”位置，保持“脱开”状态；⑤立管状态保持通路。第二，启动泵后，顶驱设备随即启动旋转模式。通过参数显示屏，模拟操作人员可以观察到顶驱转速的渐进变化。当转速调整至适宜状态，现场可清晰听到顶驱稳定旋转的声响。随后，模拟操作人员将刹车手柄轻轻抬起，让其自然复位，以便允许钻压逐步上升。随着钻压的增大，钻头的旋转速度也相应提升，进而实现了钻头在井内的深入钻进。第三，当达到预设的钻压阈值时，保持钻压的稳定状态，并持续进行钻进操作，直至立根完全顺利进入井筒内。第四，当立根完整地进入井筒，系统会自动调整至钻压和钻速均为零的状态，模拟操作人员需通过制动手柄施加刹车。接下来，需逆时针旋转顶驱钻井转速的调节旋钮，直至顶驱的转速归零，从而实现顶驱的完全停止旋转。第五，在完成立根的气动卡瓦紧固后，关闭泵浦，接着进行顶驱的背钳卸扣步骤，随后上提顶驱。接着，通过操作刹把实施刹车，确保顶驱的上提动作停止。之后，利用吊环向前伸展，从立根盒中抓取新的立根。待背钳和液压大钳完成上扣操作后，将之前卡紧立根的气动卡瓦脱开。第六，在完成上述步骤后，模拟操作人员重新启动泵，使顶驱开始旋转，并抬起刹车手柄，以便继续深入钻进作业。待学生模拟操作完毕后，笔者即时进行点评和打分，同时还组织了全班范围内的实操模拟竞赛，并对操作表现优异的学生进行表扬，激发学生的学习动力。虚拟仿真设计的钻头如图1所示，钻头虚拟仿真应力分布如图2所示

　　五、基于钻井虚拟仿真技术的“钻井工程”课程教学模式实践效果

　　钻井作为石油工程技术专业教学中的重要环节，其内容较多且复杂，涵盖了多门课程的知识要点，对学生的实践操作和综合分析能力均提出了较高要求。在未引入虚拟仿真技术之前，学生在“钻井工程”课程课堂上学习的石油钻井相关知识仅限于理论和概念层面，缺乏直观和深入的理解。此外，由于课堂教学与实地专业实习的时间经常错开且间隔较长，学生在实习时难以得到结合理论的深入指导，使得实践与理论脱节，严重影响了学习效果。而虚拟仿真实验项目有效填补了这一空白，不仅强化了学生对实践活动的理解，还提高了他们理论联系实际的能力，从而优化了整体学习效果。相较实地实习，将虚拟仿真技术引入课堂显著缩短了理论学习时间，促使学生更专注于实验流程，也能激发其学习热情。另外，虚拟仿真技术极大地提升了模拟教学的效率，原本冗长的实地实习期被压缩成短短四个学时的模拟学习，使学生能够聚焦虚拟操作中的关键点，并反复演练，从而加深对知识的理解和记忆。此外，钻井虚拟仿真技术在课堂教学中的应用仍有巨大潜力可以挖掘。例如，学生可基于模拟操作数据进行自我分析，也可在现有的施工工艺流程基础上，结合安全性评价结果，制作适合不同操作环境的钻井作业操作流程图。

　　六、结语

　　“钻井工程”作为石油工程技术专业的必修课程之一，教师应紧密围绕课程特性，坚持以学生为本，持续优化教学内容，及时更新教学材料，以保持与时俱进。在教学过程中，教师应坚持理论与实践紧密结合的原则，充分利用钻井虚拟仿真软件，这不仅能显著提升学生的学习兴趣，还能让学生在模拟环境中锻炼实践技能，这种教学模式对学生的全面发展至关重要。因此，在“钻井工程”课程教学中，教师要根据学生的个体发展需要和职业技能要求，将钻井虚拟仿真软件灵活地应用在日常课堂教学活动中，做到在完成教学大纲要求的知识要点和理论教学的同时，培养更多的拥有丰富钻井知识和相关技能的综合型石油工程技术专业人才。

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