石油工程巖石力學(xué)教學(xué)方案設(shè)計(jì)研究

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摘要：石油工程巖石力學(xué)是石油工程專業(yè)本科生的一門必修課，主要講授巖石力學(xué)基本原理及其在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，傳統(tǒng)的以傳授書本知識(shí)為主的教學(xué)模式難以滿足應(yīng)用型本科生培養(yǎng)需求和工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，在課堂教學(xué)中適當(dāng)引入工程案例教學(xué)有助于理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)成教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)。因此，選擇難易適中、具有啟發(fā)性、分析結(jié)論具體明確的典型工程案例引入課堂教學(xué)，并對(duì)教學(xué)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成了包括“理論學(xué)習(xí)、工程案例引入、分析討論、教師講解和、課后作業(yè)復(fù)習(xí)”的一整套工程案例教學(xué)方案。該方案鼓勵(lì)學(xué)生積極主動(dòng)參與課堂教學(xué)，同時(shí)兼顧教師在課堂教學(xué)中的重要作用，有利于提高學(xué)生理論知識(shí)學(xué)習(xí)效率和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：本科教育；巖石力學(xué)；工程案例；教學(xué)方法

“巖石力學(xué)”是固體力學(xué)的一個(gè)分支，主要研究巖石在外界因素作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和穩(wěn)定或失穩(wěn)狀態(tài)，具有理論性和應(yīng)用性較強(qiáng)、與實(shí)驗(yàn)結(jié)合緊密等特點(diǎn)。在我國(guó)本科教育中，“巖石力學(xué)”課程也是土木工程、水利水電工程、石油工程等專業(yè)需要學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程之一。對(duì)于石油工程專業(yè)，“巖石力學(xué)”課程除講授基本概念和基本原理之外，還介紹深部地層地應(yīng)力的測(cè)量方法，油氣鉆完井過(guò)程中井眼周圍應(yīng)力狀態(tài)，以及巖石力學(xué)在井壁穩(wěn)定、水力壓裂、套管損壞、油井出砂等方面的應(yīng)用等內(nèi)容。“石油工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”課程面向大三本科生，講授巖石力學(xué)的基本原理及其在石油工程中的應(yīng)用。目前，僅以傳統(tǒng)的傳授書本知識(shí)為主的板書和PPT課堂教學(xué)模式已不能滿足應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的需求。如果仍按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，容易出現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)只能寬泛了解而掌握不牢的現(xiàn)象，也難以讓學(xué)生高效地接受知識(shí)。目前，國(guó)內(nèi)工科院校正在普遍推行工程教育專業(yè)認(rèn)證，旨在進(jìn)一步提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)工程教育的國(guó)際互認(rèn)和工程師資格的國(guó)際互認(rèn)。工程教育專業(yè)認(rèn)證鼓勵(lì)培養(yǎng)應(yīng)用型人才，在“培養(yǎng)目標(biāo)”標(biāo)準(zhǔn)中要求既要遵循本科教育規(guī)律，又要體現(xiàn)學(xué)科特色和學(xué)術(shù)前沿；在“課程體系”標(biāo)準(zhǔn)中要求將傳統(tǒng)教學(xué)中的理論知識(shí)傳授與實(shí)踐能力培養(yǎng)融合到一起。因此，適時(shí)將實(shí)際工程案例引入石油工程巖石力學(xué)教學(xué)中，有助于學(xué)生了解石油工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，加深理解巖石力學(xué)基本原理，掌握巖石力學(xué)基本知識(shí)在石油工程中的應(yīng)用方法，更好的達(dá)成符合工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)。

1工程案例教學(xué)設(shè)計(jì)原則

案例教學(xué)法是一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力具有積極的推動(dòng)作用。工程案例教學(xué)的重點(diǎn)在案例的選擇和案例與理論知識(shí)的結(jié)合。選擇的案例應(yīng)具有典型性，典型案例一般與課程重要知識(shí)點(diǎn)結(jié)合緊密，有助于學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)重要知識(shí)的理解和掌握，同時(shí)能給學(xué)生留下較深刻的印象。同時(shí)，案例應(yīng)難易適中，不宜過(guò)于復(fù)雜。有學(xué)者建議工程案例教學(xué)中案例選擇由簡(jiǎn)單開始，循序漸進(jìn)，逐漸增加難度。對(duì)于本科生，由于接觸專業(yè)課時(shí)間不長(zhǎng)，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)尚不豐富，需要給予一段時(shí)間適應(yīng)工程案例教學(xué)方法，因此不宜選用難度過(guò)高的復(fù)雜工程案例進(jìn)行教學(xué)。另外，案例應(yīng)對(duì)學(xué)生有啟發(fā)性。合適的工程案例能夠吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行深入思考，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、觸類旁通的能力，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度。而不適合的工程案例不僅起不到鞏固基礎(chǔ)知識(shí)的作用，反而有可能產(chǎn)生反作用，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生心理抗拒。最后，工程案例分析結(jié)論應(yīng)具體、準(zhǔn)確。石油工程的施工對(duì)象主要是深埋在地下的巖石，由于目前技術(shù)手段的限制，對(duì)地下巖層的認(rèn)識(shí)還存在諸多不確定因素，這些不確定因素往往導(dǎo)致很多工程實(shí)踐問(wèn)題具有多解性，或者部分問(wèn)題的深層次機(jī)理尚無(wú)定論。在工程案例的選擇中，應(yīng)避免選用分析過(guò)程和結(jié)果較為模糊的案例，否則可能引起學(xué)生產(chǎn)生誤解，影響對(duì)理論知識(shí)的消化吸收。除工程案例選擇外，案例教學(xué)方法的設(shè)計(jì)也非常重要。案例教學(xué)從方法上可以分為演示型案例教學(xué)、討論型案例教學(xué)和角色型案例教學(xué)三類，其中討論型教學(xué)以教師和學(xué)生的互動(dòng)為基礎(chǔ)，因此最適合在課堂上進(jìn)行。優(yōu)秀的工程案例教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)能引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考問(wèn)題，可采用工程案例導(dǎo)入、分組研討、關(guān)鍵問(wèn)題講解、課后鞏固練習(xí)的方式，使學(xué)生明確課程所學(xué)知識(shí)內(nèi)容在工程實(shí)中的作用，促進(jìn)本科生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的掌握。在課程中導(dǎo)入案例的方式有案例設(shè)疑法、案例比較法、案例討論法、演示觀摩法等多種，針對(duì)“石油工程巖石力學(xué)”課程的特點(diǎn)，建議采用案例設(shè)疑或案例比較的方法導(dǎo)入工程案例，并結(jié)合重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行討論、講解。在教學(xué)中，應(yīng)充分運(yùn)用慕課、微課等方式提升學(xué)生在課堂的參與度，在研討過(guò)程中鞏固對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

2石油工程巖石力學(xué)工程案例教學(xué)設(shè)計(jì)

基于本文提出的工程案例教學(xué)設(shè)計(jì)原則，篩選難易適中、與書本知識(shí)點(diǎn)結(jié)合緊密且分析過(guò)程和結(jié)論清晰的典型案例作為課堂教學(xué)工程案例。以石油工程巖石力學(xué)中“地應(yīng)力”一章中的重要知識(shí)點(diǎn)地應(yīng)力測(cè)量為例，講解地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法時(shí)，設(shè)計(jì)采用工程案例教學(xué)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。水壓致裂法是一種工程中測(cè)量深層地應(yīng)力大小的主要方法，在石油工程相關(guān)的油田現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于成本控制和生產(chǎn)安全等原因，一般不會(huì)專門采用該方法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。但鉆井過(guò)程中的地漏試驗(yàn)和油氣井增產(chǎn)作業(yè)中的水力壓裂施工過(guò)程與水壓致裂法測(cè)量地應(yīng)力較為相似，可以借助這些工程數(shù)據(jù)分析地應(yīng)力大小。因此將地漏試驗(yàn)數(shù)據(jù)和水力壓裂數(shù)據(jù)作為工程案例數(shù)據(jù)引入課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生討論地應(yīng)力大小的分析方法，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。設(shè)計(jì)工程案例教學(xué)流程如下。工程案例教學(xué)開始→水平地應(yīng)力計(jì)算理論講解→引入工程案例→工程案例分析討論→工程案例講解→布置課后復(fù)習(xí)作業(yè)→工程案例結(jié)束首先，給學(xué)生講解水平地應(yīng)力力計(jì)算的基本原理，使學(xué)生初步認(rèn)識(shí)和基本掌握水壓致裂法測(cè)量地應(yīng)力的理論分析方法，以便后續(xù)在工程案例分析討論中進(jìn)行應(yīng)用。水壓致裂法測(cè)量地應(yīng)力時(shí)理想的“時(shí)間-壓力”曲線如圖1所示，從曲線上可以讀取破裂壓力、裂縫延伸壓力prop、裂縫閉合壓力c和重張壓力r。工程分析中一般認(rèn)為裂縫閉合壓力與水平最小主應(yīng)力相等，然后根據(jù)井眼周圍的應(yīng)力分布，利用破裂壓力、重張壓力和閉合壓力計(jì)算水平最大主應(yīng)力。然后，在學(xué)生掌握水壓致裂法測(cè)量地應(yīng)力數(shù)據(jù)分析方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)案例設(shè)疑法和案例比較法引入工程案例。由于實(shí)際工程中的地漏試驗(yàn)曲線和水力壓裂曲線受施工條件影響與理想水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量曲線有差異，因此在引入工程案例時(shí)通過(guò)設(shè)疑，引導(dǎo)學(xué)生思考工程曲線與理想曲線之間有哪些不同，為什么會(huì)產(chǎn)生這些不同。同時(shí)也將地漏試驗(yàn)曲線與水力壓裂曲線進(jìn)行對(duì)比，讓學(xué)生觀察這兩種工程曲線之間的差異。引入工程案例之后，組織學(xué)生就如何利用地漏試驗(yàn)曲線和水力壓裂曲線評(píng)估地應(yīng)力大小進(jìn)行分組討論。分組討論教學(xué)將學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，更符合當(dāng)代大學(xué)生的心理特征。在分組討論過(guò)程中應(yīng)注重調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，盡可能讓學(xué)生由以往的被動(dòng)聽(tīng)課轉(zhuǎn)換為主動(dòng)思考、學(xué)習(xí)。在同學(xué)們充分討論的基礎(chǔ)上，由教師進(jìn)行總結(jié)講解，對(duì)討論內(nèi)容查漏補(bǔ)缺，并進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)工程實(shí)際與理論的緊密聯(lián)系。例如，由于大多數(shù)同學(xué)沒(méi)有在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)的經(jīng)歷，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝和步驟并不了解，需要教師進(jìn)行補(bǔ)充講授，使工程案例教學(xué)的效果得到加強(qiáng)。最后，在課堂教學(xué)后設(shè)計(jì)相關(guān)的課后作業(yè)。課后作業(yè)能夠讓學(xué)生鞏固課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，也可以讓教師了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。因此，在課后作業(yè)中對(duì)地應(yīng)力測(cè)量問(wèn)題加以引申，提出問(wèn)題：如何利用定向井的地漏試驗(yàn)曲線和水力壓裂曲線分析地應(yīng)力大小，督促學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入思考，同時(shí)鍛煉學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力。至此，完整的工程案例教學(xué)結(jié)束。

3結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于大部分工科專業(yè)，在教學(xué)中引入工程案例有利于教學(xué)工作的順利、深入開展，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)過(guò)程中來(lái)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解和對(duì)工程實(shí)際問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。教學(xué)中選擇的工程案例應(yīng)具有典型性，能夠啟發(fā)學(xué)生思考，難易適中且能呈現(xiàn)具體準(zhǔn)確的分析結(jié)果。在工程案例教學(xué)程序設(shè)計(jì)中，要堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)思考、積極討論，同時(shí)教師應(yīng)對(duì)課堂討論中不清晰或有遺漏的地方進(jìn)行補(bǔ)充講解，將知識(shí)點(diǎn)講深講透?？傊?，優(yōu)秀的工程案例教學(xué)設(shè)計(jì)使學(xué)生在學(xué)習(xí)中形成“理論知識(shí)—案例分析—應(yīng)用研討—知識(shí)總結(jié)”的良性循環(huán)，有助于提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解深度和利用理論解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

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作者：譚強(qiáng) 鄧金根 蔚寶華 單位：中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院