页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验

1-1实验教学项目负责人情况

姓  名

邵长金

性别

男

出生年月

1964.05

学  历

博士研究生

学位

博士

电    话

专业技

术职务

教授

行政

职务

实验

教师

手    机

院  系

理学院

电子邮箱

地  址

北京市昌平区府学路18号

邮    编

102249

1-2-1 团队主要成员（含负责人，5人以内）

序号

姓名

所在单位

专业技术职务

行政职务

承担任务

备注

1

邵长金

理学院

教授

实验教师

项目设计规划

2

刘坚

理学院

教授

理学院院长

吸附机理

3

杨东杰

理学院

副教授

理学院党委副书记

需求沟通

4

杨振清

理学院

高级工程师

实验中心书记

分子模拟设计

5

周广刚

理学院

讲师

物理系书记

在线教学服务

在线教学服务

2-1名称

页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验

2-2实验目的

2-2-1.开发本虚拟仿真实验的背景

（1）有关页岩气的实验，学生有兴趣，公众有需求

自2000年以来，北美页岩气革命从根本上改变了世界能源供应格局，近年来，中国也积极投入到页岩气的勘探开发工作中去，取得了一定成果，但仍存在一些问题亟待解决。理工科学生特别是石油相关专业的学生，对有关页岩气实验表现出极大的兴趣，这种兴趣是学习的内在动力。同时，社会公众也对页岩气开发的形势和技术发展极为关注，有了解相关技术的潜在需求，开发页岩气吸附解吸虚拟仿真实验可以满足高校教学与社会科普工作的需要。

（2）页岩气物理吸附解吸的核心是物理问题

页岩气是蕴藏于页岩层可供开采的天然气，一部分以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，大部分以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒等矿物表面。从物理学角度看，不论是游离态还是吸附态的页岩气，其运动都受到分子间作用力（范德华力）的控制，可以用气体分子动理论来解释。页岩气物理吸附过程既可以用实验技巧进行实物实验，又可以用分子动力学原理进行数值模拟。这就为大学物理实验课程中开设页岩气物理吸附解吸实验提供了学科基础。

（3）实际工程的页岩气吸附解吸实验时间漫长，适合进行虚拟仿真实验

页岩气在地下的生成及吸附经历上亿年，地面上吸附解吸的时间最短也要8~24小时，长则达到45天以上，实验过程漫长。由于实际实验时间过长，一般很难大面积开展实物实验，但非常适合进行虚拟仿真实验，做到以虚补实，虚实结合。

（4）页岩气物理吸附解吸是一个综合性很强的实验，具有高阶性

杨正红在《物理吸附100问》中，列出了在物理吸附分析中，应该至少了解阿伏加德罗常数、BET（Brunauer、Emmett和Teller的首字母缩写）、截面面积、摩尔体积等9个概念。这些概念包含了大学物理、热力学、物理化学等方面理工科专业学生需要掌握的基础知识信息，涉及面广。这充分说明：页岩气物理吸附过程涉及复杂的知识体系，具有鲜明的综合性特征，需要多个实验、多学科知识才能全面反映吸附过程的本质；而要完成这样一个实验项目，需要很好的综合能力。

（5）页岩气物理吸附解吸机理是一个尚未完全解决的课题，留给学生创新空间

不同学者对页岩气的吸附能力与吸附规律开展了大量研究，对不同赋存相态所占比例的厘定、相态转化随埋深变化的地质响应、各吸附载体的吸附特征、黏土矿物的吸附机理等问题进行了较为深入的研究。由于受到实验技术与理论的限制，目前页岩气吸附问题仍有许多方面待解决，以等温吸附实验为例,实验条件与实际地层温压条件较难相符,当压力过高时实验所得吸附量拟合曲线会出现负吸附现象;理论方面,实际地层条件下的甲烷往往处于超临界状态, 现今几种吸附表征模型(BET、Langmuir) 均难以解释甲烷超临界状态吸附现象。针对这些问题，学生可以充分发挥自己的智慧，提出新的解决方案。

（6）物理吸附解吸问题虽然抽象难懂，但通过实验实践和分子动力学分析，还是可以掌握的，具有挑战度

虽然页岩气物理吸附很复杂，但理工科本科生在学过大学物理后，已对气体分子动理论有了较为全面的了解，能够对气体的宏观热学性质和规律，如压强、温度、状态方程及输运过程（扩散、热传导、黏滞性）等提供定量的微观解释。通过一定时间的线下学习，能够掌握实际气体状态方程并将之应用到实验中。同样，经过自主学习，学生可以掌握分子动力学方法，因为它的主要思想是将处于不同系统下的粒子视为质点,模拟其运动轨迹过程，这些都在质点力学学过。怎么把这些学过的知识和技能应用于页岩气吸附中，就需要学生“跳一跳”。经过努力，学生是可以做好这个虚拟仿真实验的。

（7）页岩气物理吸附解吸在工程上要求很严格，是工程性很强的实验，可以培养学生的工程意识

页岩气吸附解吸过程往往伴随着高压高温环境，由于甲烷气体是易燃易爆气体，因此实验安全极为重要，实验过程必须遵循一定的操作流程和操作规范。这方面的训练能培养学生的工程意识。

（8）关于气体分子动理论的实验项目，目前还是空缺，本虚拟仿真实验填补了空白

大学物理中，气体分子动理论是在理想气体模型基础上，利用数理统计方法来处理的。由于条件限制，大部分学生对于气体动理论的实际应用不甚清楚，也缺少用实验等方法加深直观印象的手段。大学物理实验课程中有关热学的实验相对较少，特别是气体分子动理论部分，由于涉及微观的分子运动，给实验设计带来困难，目前还没有气体分子动理论的实验项目，本虚拟仿真实验可以填补本方面的空白。

2-2-2.本虚拟仿真实验的构成

图1 物理吸附解吸虚拟仿真实验结构图

开发的具有自主知识产权的页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验，包括实物测试系统工作流程的仿真及物理吸附的分子动力学机理两个部分，如图1所示。

2-2-3.实验目的

（1）掌握页岩气物理吸附解吸的基本实验流程和操作方法，理解实际工程实验安全操作的重要性，培养工程意识；

（2）培养学生应用气体分子动理论等知识对页岩气物理吸附进行解释的能力；

（3）通过线下学习，理解并掌握应用分子动力学对页岩气物理吸附进行模拟的原理和方法；

（4）通过对Langmuir吸附理论、BET吸附理论的选择应用，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维能力；

（5）通过7+6+6+6模式，引导学生自主构建吸附模型，提出新的吸附机理，培养学生创新意识；

（6）页岩气物理吸附过程涉及物理概念多、范围广，通过本虚拟仿真实验来实现学生对学习能力和知识运用能力的挑战。

2-3 实验课时

（1）实验所属课程所占课时：     56

（2）该实验项目所占课时：     4

2-4实验原理（简要阐述实验原理，并说明核心要素的仿真度）

1.实验原理

1.1 物理吸附模型

页岩气（主要成分是甲烷）是一种赋存在致密页岩储层中的天然气，一部分处于游离状态，服从一般气体状态方程,可自由运移；还有一部分吸附在页岩孔隙表面。气体分子在固体表面的吸附机理极为复杂，其中包括物理吸附和化学吸附。

由分子间作用力----范德华力产生的吸附称为物理吸附。任何分子间都有作用力，所以物理吸附无选择性，活化能小，吸附容易，脱附也容易。物理吸附可以是单分子层吸附，也可以是多分子层吸附。

对单分子层物理吸附，它假定所有的被吸附分子都与吸附剂的表面层接触，一般用Langmuir吸附模型来描述，具体形式为：

式中，V为吸附量，m³/t; V_L为Langmuir体积，m³/t; p_L为Langmuir压力，MPa；P为吸附平衡压力，MPa。

对多单分子层物理吸附，吸附空间容纳了一层以上的分子，可用BET吸附模型来描述，具体形式为：

式中，V为吸附量，m³/t; Vm为BET 方程单层最大吸附量，m³/t;c是与吸附热有关的常数；P⁰为饱和蒸汽压，MPa；P为平衡压力，MPa。

1.2 吸附实验方法

气体分子在某种物质表面的吸附量需要经过实验测试来确定。常用的吸附量测试方法主要有容量法、重量法、动态法、色谱法、量热法等，本实验采用容量法测试页岩样品的吸附等温线。它是在设定的温度下,首先测定被吸附气体的压力和体积,根据气体状态方程计算气体的量,然后使吸附气体与吸附剂充分接触,待其达到吸附平衡后,再次测定被该气体的压力和体积,并利用气体状态方程计算吸附剩余气体的量,前后两次测定的气体的量之差值即为该气体的吸附量。

设在某温度T₀下，气体平衡时，压强和体积分别为p₀、V₀，则由理想气体状态方程可知，气体的摩尔数为

式中，R为理想气体常数。

当气体与吸附剂充分接触，气体体积膨胀或压缩，平衡时的压强和体积分别变为p₁、V₁ ，气体的摩尔数变为

由此获得压强为p₁时的吸附量为

实验中改变p₁的值，分别取为P_1，P_2，P_3，·······P_n， ，这样就可以得到n个压强下的吸附量，从而画出等温吸附曲线。

上述实验原理是在假设气体为单一组分，并且是理想气体的情况下获得的，实际气体不是理想气体，所满足的方程形式为 ，和理想气体方程相比较，多了一个气体压缩因子Z，它是压强和温度的函数，可以有专门的程序计算得到。本实验中，将压缩因子Z的计算编入程序，直接放入到吸附量的计算中，不再单独涉及。由于页岩气的主要成分是甲烷，因此，本实验仅以甲烷进行吸附实验，对混合气体的情况，实验原理是类似的。

为了获得等温吸附曲线，首先要保证等温条件，在实验中，将储气罐和样品罐都放置在恒温油浴箱内，通过控制油浴箱的温度来实现。至于温度、压力范围的选定，可由实际样品的埋藏深度等条件确定。

1.3.等温吸附曲线的分析应用

人们根据物理吸附的特点，以已知分子截面积的气体分子作为探针，创造一定条件，使气体分子覆盖于被测样品的这个表面（吸附），通过被吸附的分子数目乘以分子截面积即认为是样品的比表面积。因此，比表面积值不是测出来的，是计算出来的。我们测量的是样品的吸附等温线，然后根据样品的特性，选择恰当的理论模型计算出样品的比表面积。所以，比表面的测定过程实际是一个分析过程。由于不同的人对样品的认知可能不同，因此对于同一组吸附等温线的实验数据可能会报告出不同的比表面积结果。在利用页岩气吸附等温线数据时，允许同学们根据自己的认知水平，给出不同的答案。

可以利用吸附等温线来判断孔径的大小。孔径是指多孔固体中孔道的形状和大小，其是极不规则的，通常把它视作圆柱形并以其半径来表示孔的大小。一般把这些孔按尺寸大小分为三类：孔径≤2nm为微孔，孔径在2-50nm范围为中孔，孔径≥50nm为大孔。由于不同孔径的固体表面的吸附等温线有不同的特性，因此，人们根据曲线的形态来区分孔径。

在分析应用等温吸附曲线时，应该注意：所选用的等温吸附模型是否遵循页岩气的赋存状态及其微观作用机理，是决定模型适用性的关键所在。因此，究竟选用什么样的吸附模型来解释等温吸附曲线，需要根据页岩气的赋存状态及其微观作用机理的判定来进行。

1.4物理吸附的分子动力学模拟：

等温吸附实验具有一定局限性，仅能获得过剩吸附量，难以深入揭示页岩气吸附作用的微观机理。为了研究微观吸附机理，国内外学者利用分子模拟方法对页岩气吸附作用展开研究。

所谓分子动力学模拟就是以分子（原子、离子等，以下统称为分子）为基本研究对象，将系统看作具有一定特征的分子的集合，运用经典或量子力学方法，通过研究微观分子的运动规律，得到体系的宏观特性和基本规律的方法。

分子动力学模拟的基本原理是这样的：通过分子间的相互作用势函数， 可以求得每一个分子所受到的作用力，进而便可得到分子的运动规律。再利用适当的统计方法便可以得到整个系统的宏观性质。分子动力学模拟过程以及关键步骤可以描述如下：① 建立分子间相互作用的模型；②选择合适的系综；③建立边界条件和初始条件；④产生随机数；⑤产生新微观态；⑥建立相空间上的一条轨道；⑦计算分子之间的作用力以及分子的运动速度、位置；⑧对系统的宏观特性进行统计。

蒙特卡洛模拟是分子模拟中的重要方法之一。其以统计力学为基础，与系综概念相结合，在随机模拟过程中进行抽样，以获得物质的微观结构与性质。巨正则系综蒙特卡洛法可使体系保持在恒温、恒压状态，适合进行等温吸附解吸过程的模拟。

从等温吸附实验结果来看，页岩中的有机质比黏土矿物具有更强的吸附能力。因此，在对页岩吸附能力进行研究时，有机质是最重要的吸附剂之一。考虑到干酪根结构十分复杂，模拟过程过于复杂，通常利用蒙脱石或伊利石结构来代表页岩中有机质，对其吸附能力进行研究。本实验中，选取的是Ca-蒙脱石模型，Ca-蒙脱石内部结构包括上下两层蒙脱石片层和中间Ca²⁺层，甲烷在两层蒙脱石表层之间吸附。蒙脱石内部结构按层面间距分为微孔级（小于20 Å）和介孔级（20-500 Å）。微孔结构超晶胞由24个单位晶胞组成，空间群为P1，片层晶胞尺寸为6a×4b×c，横向XOY平面（即a×b平面）大小为31.1 Å×35.9 Å，纵向Z方向（即c方向）片层厚度为6.56 Å。在微孔结构的基础上，介孔结构在X和Y方向尺寸均扩大两倍以获得更好的吸附效果。介孔结构超晶胞由48个单位晶胞组成，空间群同为P1，片层晶胞尺寸为12a×8b×c，横向XOY平面大小为62.2 Å×71.8 Å，片层厚度同为6.56 Å。如图2所示。

图2 蒙脱石内部结构模型（16 Å）

蒙脱石结构模型的单位晶胞数据来自剑桥晶体学数据中心，甲烷、乙烷、二氧化碳等被吸附的分子以及蒙脱石、伊利石等的超晶胞结构，均由开源软件molview进行展示，如图3.

图3   甲烷等分子结构展示

在模拟体系中，粒子间相互作用力主要为范德华力,选用Lennard-Jones势能函数进行描述。

本实验在页岩吸附实验测试的基础之上,应用巨正则蒙特卡罗方法模拟纯组分甲烷、二氧化碳、氮气及甲烷与二氧化碳的混合组分在干酪根、蒙脱石孔隙和伊利石孔隙中的吸附,分析压力、温度、含水、竞争吸附等因素对吸附的影响,并采用基于密度泛函理论的第一性原理方法分析有机质中的主要官能团和吸附位对甲烷吸附的影响,从宏观和微观两个方面研究了页岩气的吸附规律及微观吸附机理。其中，甲烷、乙烷、二氧化碳等被吸附的分子以及蒙脱石、伊利石超晶胞结构由开源软件molview进行展示，并由此构建物理吸附模型。由于分子动力学计算时间非常漫长，本实验略去中间的计算过程，只展示吸附计算的结果。

2. 核心要素的仿真度

知识点：共   9  个

(1） Langmuir单分子层物理吸附理论、BET多层吸附理论；

(2） 大孔、中孔和微孔的孔隙特点，能够针对不同产地页岩的孔隙结构特征选择合适的物理吸附模型；

(3） 由页岩埋藏深度确定等温吸附实验所用的实验温度和压力范围；

(4） 利用体积改变来计算气体吸附量的方法；

(5） 从等温吸附线形态计算比表面和孔径的方法；

(6） 多孔介质物理吸附模型的构建方法，能够建立物理吸附模型；

(7） 范德华力的特征及势能函数构造，会用势函数去逼近真实的气体分子的相互作用；

(8） 巨正则系综蒙特卡洛法及在页岩气吸附中的作用；

(9） 温度对物理吸附的影响；压力对物理吸附的影响。

2-5实验仪器设备（装置或软件等）

（1）页岩气物理吸附解吸系统

（2）页岩气物理吸附解吸分析软件

硬件系统构成：

整套装置采用恒温油浴法控温，温度波动范围为±0.1℃，其压力传感器安置在仪器面板上，与储气罐和吸附罐通过管路相连。压力传感器的工作压力为  0~40 MPa，温度范围为20~80℃。该实验装置压力和温度的计量精度分别为0.001MPa 和0.1℃，可以保证数据监测和记录的连续性和准确性。

内置在虚拟仿真实验中的页岩气物理吸附解吸分析软件可以在后台提供计算服务，通过计算不同温度、压力下的甲烷压缩系数、气体吸附量，绘制等温吸附曲线。

2-6实验材料（或预设参数等）

（1） 甲烷气体、氦气

（2） 不同产地的页岩

2-7 实验教学方法（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果）

 （1）教学方法

采用线上线下“混合式”教学方法，先让学生参观科研实验室，了解本虚拟仿真实验的背景和工程意义，激发学生的学习兴趣，使学生感觉到该实验的应用价值。然后引导学生探索该实验各个环节会涉及哪些物理问题、有哪些操作注意事项，培养学生的工程意识。最后提出进行虚拟仿真实验的要求和任务，让学生自主准备和完成。在了解整个实验的意义和流程的基础上，学生可以自主选择时间进行线上实验操作，在3D虚拟环境下，既有身临其境的真感觉，又能够对操作步骤进行尝试，避免操作失误产生的安全风险。

① 学长示范，学生参与，减少交流障碍

由于物理吸附仪器相对较贵，一般只配有一套或几套，不能满足每名学生都能动手操作。把学生带到科研实验室，让研究生负责讲解实验的原理步骤，教师在旁边指导/监督。研究生和本科生之间交流互动增加，既让本科生了解实验各个环节，又锻炼了研究生回答问题的思辨能力，收到很好的效果。

② 实际工程问题引导，启发理论探究

页岩气开发是一项技术性很强的实际工程，实验操作中每个步骤的失误都会导致大量资金的损失，让学生感受实验操作的严肃性和科学性。既要根据实验要求大胆动手，又要讲究科学不能乱来。在每项操作步骤和动作的背后，是有科学道理的，为什么这么做？换种方式将会如何？ 换成什么方式？这些都启发学生进行深入思考，并提出新的设想。引导学生把这些新方法在实验中进行检验和验证，从而激发学生的创新欲望。

 （2）使用目的

在本虚拟仿真实验中，针对物理吸附过程，开发了实物测试系统仿真（宏观）及分子动力学机理分析（微观）两个单元，共计12个模块的综合性虚拟仿真实验，使实验教学内容从宏观实物实验仿真延伸到微观机理仿真，在教学深度上由验证理论向综合应用、研究设计和创新开发延伸。同时，采用虚实结合的方法，拓展实践教学的广度和深度，加深并巩固学生基础理论知识，并让学生接触和了解物理吸附领域的前沿和热点问题，同时对物理吸附相关的实验设备和测试方法有初步了解，培养学生实际操作能力、分析解决问题能力、研究设计能力和创新能力。

本虚拟仿真实验项目中设置的两个单元实验内容在知识水平、能力要求上逐渐提高，学生可以根据自己的需求进行自主学习。在部分原理认知模块中，教师针对关联性问题，上传与该模块相关的图片、视频等媒介供学生观看学习，引导学生主动思考和查阅相关资料，促进师生间和生生间的线上线下全面交流和集体学习，学生可根据自己的兴趣、特点和时间段，灵活选择首先学习的实验内容。

学生除了完成教师布置的“规定动作”外，还可以自主考虑设计一个具体的实验流程，学生各自确定自己的解决方案，并在小组内进行发表，相互评价和讨论，每一个组形成一个共同的解决方案，在课堂上进行演讲答辩，然后利用设计性虚拟仿真实验模块，完成自主设计的实验，最后进行总结。学生可反思问题的解决过程，做相互的对等评价或自我评价，教师适当做一些关键点上的点评，鼓励和帮助学生作归纳与总结，从而达到完全掌握物理吸附实验内容，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力以及创新能力。

 （3）实施过程

利用大学物理实验课程上课时间，按照实验班组，分别进入科研实验室，由一名研究生负责讲解。然后，学生可以集中到机房进行虚拟仿真实验，也可以自主选择时间上网实验。在整个实验过程，学生遇到问题时，都会有提示或帮助。要求学生先进行操作实验，才能进入机理分析和考核，但不要求学生一次时间就完成全部内容，可以分多次。完成实验后，进入考核模式就可以参加考核。另外，学生操作实验过程，一般需要记录数据，完成实验后，撰写实验报告，提交到系统中。教师可以在后台对学生的实验报告进行批阅。整个实施过程如图4。

图4 实验实施过程图

 （4）实施效果

①从教师角度看：本实验项目弥补了目前页岩气物理吸附实验中实验周期较长、实验效果抽象不易观察以及实验不可逆等缺陷，大大拓展了大学物理实验的选题范畴。本项目的成功，启发教师可以将更多的工程实际问题引入到教学中，有利于基础物理理论和实际工程的结合。

②从学生角度看：学生不必分组轮流操作复杂、昂贵的物理吸附仪，就可以进行专业级的物理吸附实验，实验项目耗时缩减到4个学时以内，且各项操作均可以反复进行，学生实践创新兴趣增强；吸附实验参数可在适当范围内任意修改，极大降低了实验安全风险。学生能够大量测试、对比不同岩样参数对实验结果的影响，分析不同吸附理论与实验现象。该项目不仅使学生加深了对理论知识的理解，也使他们具备了更强的工程实践能力和工程实践经验，更能适应专业工作岗位需求。

③从社会效益看：本虚拟仿真实验项目可通过互联网访问使用，无需考虑真实实验中单台套设备负荷、实验室容量、学生现场管理等问题。能够方便地开展大面积班级实验并面向社会开放。对页岩气开发企业，利用该项目开展对员工的技术培训，既可以增强员工对工程操作原理和施工细节的理解，又有助于提高实操能力，能够提高培训效率。对普通公众，可以借此了解页岩气开发的一些基础技术，有利于对页岩气开发相关知识的科普。

④对教学的作用：从教学方法上，本虚拟仿真实验通过3D建模的实验室实景及仿真设备，使教学由传统的实验室转到3D环境，摆脱了时间空间的限制，可以更好地实施线上线下“混合式”教学，教学的手段更便利快捷，信息化、技术化程度更高，有利于教学形式的高阶性发展。

⑤对科研的作用：本虚拟仿真实验项目是从实际工程项目转化而来，本身就凝聚了众多科研工作者的劳动成果。从目前的页岩气吸附研究看，还存在大量的问题没有解决，如物理吸附与孔隙结构的关系、物理吸附对开发过程和开发效果的影响，这些教学需求可以转化为科研课题，促进科研工作的开展。

⑥对创新的作用：不论是物理吸附实验仪器的设计，还是操作环节的优化，都为学生深入研究提供了很好的创新空间。对于物理吸附机理的探讨，更是一个可以让学生创新的领域。目前，人们对干酪根的分子结构还没有一个统一的表达方式，更没有一个具有代表性的页岩气吸附物理模型，上述部分的创新性工作将在后续工作中融合到本虚拟仿真实验中。

2-8实验方法与步骤要求（学生交互性操作步骤应不少于10步）

（1）实验方法描述：

本实验提供了三个单元，一是页岩气物理吸附解吸实验操作，二是页岩气物理吸附的微观机理解释，三是实验结果分析及报告。物理吸附实验操作部分能够进行360°全方位的展示，并搭配文字说明，让用户达到真实认知的效果；在吸附机理模拟模块，需要系统构建吸附模型，通过模拟样品气体吸附模型分子微观结构，展示范德华力在物理吸附中的作用，从而使学生探索页岩气吸附-解吸平衡的物理本质。

本实验完全采用鼠标键盘操作，实验界面各模块一目了然，对提示点击内容采用高亮处理，方便学生操作。

（2）学生交互性操作步骤：17个

学生交互性操作步骤说明如下表：

2-9实验结果与结论要求

（1） 是否记录每步实验结果：是 

（2） 实验结果与结论要求：实验报告            

（3） 其他描述：本实验项目中，要求学生首先完成操作实验，才能进行机理分析和实验习题环节，以便掌握页岩气物理吸附实验。整个项目不要求一次完成，可以在某个时间点完成实验操作后保存阶段性结果，然后换一个时间点接着进行其他环节操作学习。

2-10考核要求

（1）主要考核环节

本实验项目对各个重要环节都进行考核，进入考核模式后，系统自动对操作者的操作进行记录并作为成绩评判的依据。

（2）成绩评分占比

2-11面向学生要求

（1） 专业与年级要求

    本虚拟仿真实验项目面向物理学、石油工程、地质工程、化学工程与工艺、环境工程等专业二年级及以上的本科学生开设，也可以面向石油工程及相关专业研究生以及企业技术人员进行仿真培训。

（2） 基本知识和能力要求

在进行本虚拟仿真实验项目之前，学生应掌握大学物理、物理化学等相关知识，并具有一定的实践能力。

3-1有效链接网址

http://cup.rofall.net/virexp/yyq

3-2网络条件要求

（1）说明客户端到服务器的带宽要求（需提供测试带宽服务）

基于公有云服务器部署的系统，5M-10M带宽

基于局域网服务器部署的系统，10M-50M带宽

（2）说明能够支持的同时在线人数（需提供在线排队提示服务）

支持100个学生同时在线并发访问和请求，如果单个实验被占用，则提示后面进行在线等待，等待前面一个预约实验结束后，进入下一个预约队列。

3-3用户操作系统要求（如Windows、Unix、IOS、Android等）

（1）计算机操作系统和版本要求

 Windows 7及以上

（2）其他计算终端操作系统和版本要求

无。

（3）支持移动端：否

3-4用户非操作系统软件配置要求（如浏览器、特定软件等）

（1）需要特定插件 否

（2）其他计算终端非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下载服务）

浏览器推荐使用谷歌（Google Chrome）浏览器55.0以上版本、火狐（Firefox）浏览器50.0以上版本

3-5用户硬件配置要求（如主频、内存、显存、存储容量等）

（1）计算机硬件配置要求

（2）其他计算终端硬件配置要求:

无。

3-6用户特殊外置硬件要求（如可穿戴设备等）

（1）计算机特殊外置硬件要求: 无。

（2）其他计算终端特殊外置硬件要求:无。

3-7 网络安全

项目系统是否完成国家信息安全等级保护  是  

（勾选“是”，请填写） 二级

指标

内容

系统架构图及简要说明

页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验项目的开放运行依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台的支撑，二者通过数据接口无缝对接，保证用户能够随时随地通过浏览器访问该项目，并通过平台提供面向用户的智能指导、自动批改服务功能，尽可能帮助用户实现自主的实验，加强实验项目的开放服务能力，提升开放服务效果。

开放式虚拟仿真实验教学管理平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，是具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台。

总体架构图如图5所示。

图5 系统总体架构图

如图1所示，支撑项目运行的平台及项目运行的架构共分为五层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。下面将按照从下至上的顺序分别阐述各层的具体功能。

（1）数据层

页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验项目涉及到多种类型虚拟实验组件及数据，这里分别设置虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。

（2）支撑层

支撑层是虚拟仿真实验教学与开放共享平台的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础，负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台包括以下几个功能子系统：安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务等。

（3）通用服务层

通用服务层即开放式虚拟仿真实验教学管理平台，提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件，以便用户能够快速在虚拟实验环境中完成虚拟仿真实验。通用服务包括：实验教务管理、实验教学管理、理论知识学习、实验资源管理、智能指导、互动交流、实验结果自动批改、实验报告管理、教学效果评价、项目开放与共享等，同时提供相应集成接口工具，以便该平台能够方便集成第三方的虚拟实验软件进入统一管理。

（4）仿真层

仿真层主要针对该项目进行相应的器材建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，最后为上层提供实验结果数据的格式化输出。

（5）应用层

基于底层的服务，最终页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验项目教学与开放共享。该框架的应用层具有良好的扩展性，实验教师可根据教学需要，利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的相应的器材模型，设计各种典型实验实例，最后面向学校开展实验教学应用。

实验教学项目

开发技术

HTML5    

开发工具

Unity3D、3D Studio Max、Maya、Visual Studio、Photoshop   

运行环境

服务器

CPU  六  核、内存 64   GB、磁盘2×1.2 TB、

显存 0  GB、GPU型号 无   

操作系统

Windows Server     

数据库

Mysql 

其他    

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项目品质（如：单场景模型总面数、贴图分辨率、每帧渲染次数、动作反馈时间、显示刷新率、分辨率等）

单场景模型总面数：900000面

贴图分辨率：1024*1024

动作反馈时间：1秒以内

显示刷新率：高于30Hz（fps）

正常分辨率 1920*1080

（1）实验方案设计思路：

为满足“新工科”和“双一流”背景下对人才培养的要求，需要开设一些既具有深刻物理内涵又具有工程背景的实验项目。大学物理实验课程中有关热学的实验相对较少，特别是气体分子动理论部分，由于涉及微观的分子运动，给实验设计带来困难。目前还没有气体分子动理论的实验项目。我们将物理学中的气体分子动理论与目前蓬勃发展的页岩气开发工程相结合，构建开发了“页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验”，填补了该方面的空白。本实验设计有三个特点：一是突出课程意识，通过逼真的三维虚拟实验场景，完成页岩气物理吸附解吸实验的全流程，包括样品选择与采集、样品制备、具体实验操作环节、实验结果分析等，锻炼学生的观察能力、动手能力，符合大学物理实验课程要求。二是突出工程意识，本项目有很强的工程应用背景，实验流程、实验结果都是从实际实验中来，所做的虚拟仿真实验及探究，有很好的工程应用价值。三是突出物理概念，页岩气物理吸附的机制非常复杂，涉及分子间的相互作用力，学生通过该实验可以探究物理吸附的本质内涵，了解理想物理模型在实际应用中的价值。

这种实验教学项目的优势表现为：①物理基础教学为石油工程等一流学科建设提供了支撑作用；②把实际工程中的核心问题抽象为一个物理模型，让学生体验物理概念和模型的重要性，使得物理教学更接“地气”，学有所用；③在项目设计及开发过程中，一直得到一流学科专家的支持和帮助，可以把物理实验项目做到前沿去。

（2）教学方法创新：

大学物理实验通常都是学生到实验室，在教师的指导下完成实验操作过程的，实验过程在很大程度上受到场地的限制。像页岩气物理吸附这样的实验，由于实验时间特别长，根本无法在大学物理实验课程中开展，只能在专业科研实验中才能碰到。本虚拟仿真实验项目能够以虚补实，在教学上摆脱了空间限制，特别是能够大大缩短实验时间。既可以一次完成所有实验环节，也可以分多次接续进行，方便教学。

采用研究生学长言传身教的方式，先让本科学生线下了解实验项目的背景，再让学生参观科研实验室，由学长详细介绍实验过程及注意事项，学长用自身的体会和学生沟通交流，增强说服力和感染力。教师进行关键问题的提示和引导，提出问题。学生根据自己的情况进行线上学习，并可以在线交流。

（3）评价体系创新：

 本虚拟仿真实验设置了三个环节，分别对其进行评价。在实验操作部分，系统根据操作是否正确自动进行分数扣减、给出评价，并对实验操作方法给出提示。由于不同的学生选择的页岩样品可能不一样，实验温度、压力也不尽相同，因此，实验结果会出现各不相同的情况。本部分的评价重点放在培养动手操作能力上。在吸附机理分析部分，通过学生对分子模型的操作来反映其对概念的理解情况和对问题的认知情况，采用等级评价方式。在实验结果分析、实验报告部分，系统根据实验材料、实验数据分析情况、报告的完整性和科学性自动进行分数扣减。

（4）对传统教学的延伸与拓展:

在传统大学物理实验教学方式下，虽然学生在课前也进行了预习，但对仪器的操作依然不够熟悉，更谈不上操作技巧，特别是页岩气物理吸附这样的实验，既有可燃性气体，又有高压，无疑增加了传统教学的安全事故风险性。利用虚拟仿真实验，学生可以反复操作训练，降低了安全事故的可能性。更关键的是能够使传统教学中无法开展的需要长时间（数天到一个月）的操作实验在虚拟仿真环境得以实现，极大地拓展了物理实验选题范围。按照这种方式，可以从石油工业许多工程性项目中提炼出物理模型，例如渗流模型的物理模拟、随钻测量的物理模拟等，都可以用类似方法编入到大学物理实验项目中，既可以把物理教学延伸到实际工程领域，又使得大学物理实验具有特色和创新。