石油工程專業(yè)“數(shù)值分析”課程教學(xué)初探

胡景宏

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083

課程建設(shè)

石油工程專業(yè)“數(shù)值分析”課程教學(xué)初探

胡景宏

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083

“數(shù)值分析”是石油工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。在結(jié)合石油工程專業(yè)和“數(shù)值分析”課程教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出以學(xué)生為主導(dǎo)，精煉教學(xué)內(nèi)容，抓住石油工程專業(yè)的特點(diǎn)和重點(diǎn)，采用理論結(jié)合實(shí)際油田生產(chǎn)科研問題的形式進(jìn)行教學(xué)，積極調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和能動性。在教學(xué)實(shí)踐中，為取得較好的效果，要注重針對性和實(shí)用性。

數(shù)值分析；石油工程；教學(xué)方法

一、引言

“數(shù)值分析”課程主要教學(xué)內(nèi)容是研究計(jì)算算法，而計(jì)算算法的獲取及求解往往具有一定的難度。其內(nèi)容既有數(shù)學(xué)的抽象性和嚴(yán)格的邏輯性，又有實(shí)際應(yīng)用的廣泛性。故學(xué)習(xí)該門課程需要較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，包括對數(shù)學(xué)分析、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等知識的掌握。通過該門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可獲得一定的數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)和算法應(yīng)用能力，更重要的是能夠培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。因此，該門課程在工科相關(guān)課程體系中占有十分特殊的地位，是一門理論和實(shí)踐結(jié)合較為緊密的課程[1]。

對于不同專業(yè)，該課程要求的教學(xué)任務(wù)、難度都有所不同，如何根據(jù)不同專業(yè)制訂教學(xué)進(jìn)度的計(jì)劃、教學(xué)內(nèi)容的增減就顯得非常重要。在中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，“數(shù)值分析”是石油工程專業(yè)大二學(xué)生的一門基礎(chǔ)專業(yè)課，是學(xué)習(xí)后續(xù)的滲流力學(xué)、鉆井工程、采油工程、油藏工程等專業(yè)課程重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程之一。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠熟練掌握各種常規(guī)數(shù)值算法的原理及方法，根據(jù)實(shí)際問題建立數(shù)學(xué)模型，完成相應(yīng)計(jì)算框圖并編寫計(jì)算程序。該課程不僅能培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，同時(shí)可以提高分析解決實(shí)際問題的能力。

由于“數(shù)值分析”課程學(xué)習(xí)首先需要學(xué)生有較為扎實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，加之?dāng)?shù)學(xué)相關(guān)課程往往具有枯燥、單調(diào)的特點(diǎn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)動力并不是很強(qiáng)，學(xué)習(xí)熱情并不高。課堂中，教師處于主導(dǎo)地位，學(xué)生很少參與課程教學(xué)，處于被動接受狀態(tài)，一旦中間學(xué)生有打盹或開小差的情況，后續(xù)課程學(xué)習(xí)將會面臨困難，導(dǎo)致惡性循環(huán)。這種教學(xué)模式缺陷主要表現(xiàn)在：一是老師占據(jù)了課堂大部分時(shí)間，學(xué)生被動接受，課堂容易產(chǎn)生疲憊感，老師講的無力，學(xué)生聽的無趣；二是課堂教學(xué)內(nèi)容繁多，由于課時(shí)有限，大量的教學(xué)內(nèi)容必然會導(dǎo)致學(xué)生接受困難，而且目前大班教學(xué)的形式使得這種弊端更加凸顯；三是沒有很好地將理論與油田實(shí)際工程問題結(jié)合，忽視了該門課程學(xué)習(xí)的目的[2-3]。

針對以上提出的問題，結(jié)合“數(shù)值分析”教學(xué)特點(diǎn)，筆者認(rèn)為在講授基本原理及方法基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變以教師為中心課堂教學(xué)為以學(xué)生為中心，轉(zhuǎn)變以課本為中心的課堂教學(xué)為以油田生產(chǎn)科研問題為中心，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的綜合能力。

二、以學(xué)生為中心，營造教學(xué)氣氛

作為一名年輕教員，首先要主動向經(jīng)驗(yàn)豐富的教師了解該門課程的特點(diǎn)并學(xué)習(xí)相關(guān)的教學(xué)方法及技巧。然后根據(jù)自身特點(diǎn)和對該門課程的認(rèn)識，調(diào)整教學(xué)方法，促進(jìn)教學(xué)改革，提高教學(xué)效果。根據(jù)學(xué)院要求，每學(xué)年教師之間要相互聽課學(xué)習(xí)。筆者在隨堂聽課學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)以學(xué)生為中心的課堂教學(xué)不僅能拉近教師和學(xué)生之間的距離，同時(shí)還能夠調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)效果。主要體現(xiàn)在：（1）備課需要從學(xué)生角度出發(fā)，俗話說：“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”。教師備課應(yīng)該了解學(xué)生所處的年齡段的思維方式和知識背景，采取由淺入深、由易到難的授課方式來備課，為后續(xù)課堂教學(xué)起到良好的鋪墊作用。（2）授課過程以學(xué)生為中心。在上課過程中，注意教師與學(xué)生互動交流，教師以風(fēng)趣幽默的語言引出相關(guān)問題，再加上相關(guān)的小知識點(diǎn)，這樣不斷積累，在寬松的環(huán)境中，學(xué)生更容易掌握課堂的教學(xué)內(nèi)容。（3）積極調(diào)節(jié)課堂氣氛，促進(jìn)教學(xué)效果?！皵?shù)值分析”是門數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課，枯燥單調(diào)是其特點(diǎn)，不管教師如何強(qiáng)調(diào)其重要性，如何加大聲音提高語調(diào)，還是無法有效激發(fā)學(xué)生興趣，上課看英語或者其他書籍，還有有瞌睡現(xiàn)象存在?？紤]學(xué)生年齡特點(diǎn)，通過社會關(guān)注問題引出該課程所要分析求解的模型，比如熱傳遞、湖面水波動、橋的振動等等，能有效緩解和消除上課單調(diào)氣氛，達(dá)到調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的目的。

三、精煉課堂教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量

講授“數(shù)值分析”課程的教師一般都有比較扎實(shí)的數(shù)理功底和計(jì)算機(jī)編程能力，但大部分學(xué)生由于沒有經(jīng)過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，其基礎(chǔ)相對薄弱。對于石油工程專業(yè)的學(xué)生，在有限的課時(shí)內(nèi)學(xué)習(xí)數(shù)值分析最基礎(chǔ)最重要的理論及方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在講授知識時(shí)候，采用例題教學(xué)法會起到非常好的教學(xué)效果。

學(xué)好數(shù)值分析首先要掌握基本的理論及方法，學(xué)生往往對這部分感覺到非常迷惑，大量的數(shù)學(xué)符號和方法會讓學(xué)生在學(xué)這門課程的過程中望而卻步。從教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，如果及時(shí)采用實(shí)例教學(xué)并不斷反復(fù)，會取得非常好的教學(xué)效果。這樣不僅可以激發(fā)學(xué)習(xí)的動力，同時(shí)也能鞏固理論知識。但教學(xué)知識點(diǎn)不能貪多，因?yàn)榇髮W(xué)生課程較多，不像高中階段幾年就學(xué)習(xí)幾門課，所以最好爭取學(xué)生能夠在課堂內(nèi)將知識點(diǎn)消化吸收。如果課堂沒有學(xué)懂，課后復(fù)習(xí)的學(xué)生非常少，致使接下來的課程更加學(xué)不懂，這樣會導(dǎo)致惡性循環(huán)，最后有部分學(xué)生甚至?xí)艞?。以《?shù)值分析簡明教材》[4]為例，其中第四章方程求根的迭代法，對于牛頓法求根，在講解理論后，采用多個例子進(jìn)行演示，鞏固學(xué)習(xí)成果，可得到較好的教學(xué)效果。其次，需要注意章節(jié)之間的聯(lián)系，不能把知識作為單一的知識點(diǎn)進(jìn)行傳授，這樣學(xué)生書本合上后，對于課程沒有一個系統(tǒng)性的掌握。以第三章常微分方程的差分方法為例，整個章節(jié)所介紹方法的實(shí)質(zhì)就是在斜率上不斷的細(xì)化，讓結(jié)果更加準(zhǔn)確，當(dāng)學(xué)完了整個章節(jié)后，需要教師將知識點(diǎn)串起來。在這章節(jié)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，對于解決石油工程所面臨的問題，掌握歐拉方法、改進(jìn)的歐拉方法和龍格庫塔法這些最常規(guī)的方法完全足夠了。在有限的課時(shí)內(nèi)，精簡教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生學(xué)有所獲是容易實(shí)現(xiàn)并且行之有效的。

四、結(jié)合油田實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題能力

“數(shù)值分析”作為石油工程專業(yè)一門專業(yè)基礎(chǔ)課已經(jīng)得到了各大石油院校的認(rèn)可，不管是鉆井工程、油藏工程、采油工程以及后續(xù)的地面工程，都需要該課程的相關(guān)理論及方法。但由于該門課程偏重于數(shù)學(xué)理論，學(xué)生們學(xué)習(xí)起來普遍覺得枯燥乏味，如何將問題帶入課堂，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用就顯得格外重要。作為本專業(yè)的教師，必須要結(jié)合自身專業(yè)的特點(diǎn)，以科研項(xiàng)目中遇到的各種實(shí)際問題為研究對象，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)這門基礎(chǔ)專業(yè)課的興趣，讓學(xué)生理解學(xué)習(xí)這門課的重要性和價(jià)值所在。比如采油工程里面的井筒壓力溫度的計(jì)算，就需要計(jì)算方法里面的龍格庫塔方法進(jìn)行建模計(jì)算求解；油氣儲運(yùn)工程里面管線壓力計(jì)算，也需要相應(yīng)的理論和方法計(jì)算求解；此外后續(xù)的線性方程組的求解，在油藏?cái)?shù)值模擬[5-6]這門課里中也是極其重要的。在講述了理論知識后，結(jié)合油田實(shí)際生產(chǎn)科研項(xiàng)目問題，對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，改善上課及教學(xué)效果具有重要作用。從課堂實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生上課積極性和學(xué)習(xí)的能動性得到了極大地提高，很多學(xué)生開始主動參與課堂討論。

對于這樣的以科研問題為主導(dǎo)的教學(xué)，要積極引導(dǎo)學(xué)生來發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，這樣不僅體現(xiàn)了課堂學(xué)生主人翁精神，更給予了學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感。但上課內(nèi)容不易偏多，如果問題過多，速度過快，會讓學(xué)生產(chǎn)生疲憊感，在有限的時(shí)間內(nèi)集中講解1～2個知識點(diǎn)，并結(jié)合科研問題對提高教學(xué)效果具有明顯的改善作用。

以上是筆者從事“數(shù)值分析”教學(xué)授課中的一些體會。由于石油工程專業(yè)有其專業(yè)背景，所以授課方式必然與其他專業(yè)有所不同。以“數(shù)值分析”自身特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合石油工程專業(yè)特色，不斷吸取新的教學(xué)模式和理論，采用以學(xué)生為中心，精煉課堂教學(xué)內(nèi)容和理論結(jié)合油田實(shí)際問題的方法能有效地活躍課堂學(xué)習(xí)氣氛和提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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Discussion on Numerical Analysis Course Teaching in Petroleum Engineering Specialty

HU Jing-hong
China University of Geosciences, Beijing 100083, China

Numerical analysis is the basic specialty class in petroleum engineering. Based on the characteristics of numerical analysis teaching and the specialty of petroleum engineering, this paper suggested that students should be endowed a leading role, content of courses should be ref i ned, characteristics and diff i culties of petroleum engineering should be mastered and oil f i eld research problems and numerical analysis theories should be integrated, thus learning initiative of students can be improved and increased in the process of teaching. In order to achieve a good teaching performance, pertinence and practicability should be paid more attentions in teaching practice.

numerical analysis; petroleum engineering; teaching method

G 642

A

1006-9372 （2012）03-0048-03

2012-04-25。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助。

胡景宏，男，講師，主要從事油氣田開發(fā)工程的教學(xué)和研究工作。