基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺構(gòu)建

羅明良，溫慶志，齊 寧，戰(zhàn)永平，曲占慶，陳德春，馮其紅

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580）

低滲致密油氣、頁巖氣以及煤層氣等油氣資源的高效開發(fā)對于緩解我國能源短缺的局面至關(guān)重要。壓裂酸化技術(shù)是這類儲層開發(fā)的重要手段，已得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1－3］，該領(lǐng)域急需大量具有壓裂酸化知識背景的創(chuàng)新復(fù)合型人才。創(chuàng)新不僅要從書本中掌握理論知識、激發(fā)創(chuàng)新意識，還要在實(shí)踐中運(yùn)用創(chuàng)新方法出成果［4－5］，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力尤為重要。中國石油大學(xué)（華東）“石油工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”是國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，壓裂酸化實(shí)驗(yàn)室是其中一個(gè)重要組成部分。壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)以往僅開展裂縫導(dǎo)流能力驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，到2010年增加了壓裂酸化實(shí)驗(yàn)，主要面向石油工程、海洋油氣工程等專業(yè)，年平均實(shí)驗(yàn)人數(shù)達(dá)到500余人。由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)較少，且局限于對課堂理論知識的驗(yàn)證，學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析及表達(dá)能力的全面訓(xùn)練，難以對壓裂酸化理論與實(shí)踐融會貫通。因此如何利用現(xiàn)有教學(xué)與科研資源，構(gòu)建壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，提高學(xué)生自主開展壓裂酸化實(shí)驗(yàn)的比例，對于開拓石油工程專業(yè)學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力、迎接復(fù)雜油氣資源的高效開發(fā)具有重要的意義。

1 壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺構(gòu)建內(nèi)容

目前，石油工程專業(yè)學(xué)生對于壓裂酸化理論知識的學(xué)習(xí)主要依靠專業(yè)必修課“采油工程”與專業(yè)選修課“油水井增產(chǎn)增注技術(shù)”兩門課程，由于學(xué)時(shí)限制，只能對壓裂酸化一些基本概念、原理以及工藝過程進(jìn)行初步了解，缺乏對壓裂酸化理論與實(shí)踐進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的學(xué)習(xí)，不能滿足石油工業(yè)對于創(chuàng)新型人才的要求。因此有必要根據(jù)石油工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，改變課堂教學(xué)的組織形式，按照專業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，充分利用現(xiàn)有教學(xué)與科研實(shí)驗(yàn)室等有效資源，以論證型實(shí)驗(yàn)和演示型實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，提高學(xué)生自主開展壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的比例，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對前期掌握的各種專業(yè)知識的融會貫通。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生參與各種與壓裂酸化相關(guān)的科學(xué)研究項(xiàng)目以及創(chuàng)新實(shí)踐競賽活動，引導(dǎo)學(xué)生通過壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺進(jìn)行自主性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)過程中科研與教學(xué)的互動，充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，多角度、多層次培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的提升奠定良好基礎(chǔ)。

2010年以來，我們依托石油工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，整合各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，大力開展各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建。壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺作為其重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)與完善、教學(xué)科研資源融合以及大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)開展等，根據(jù)壓裂酸化理論教學(xué)內(nèi)容，從演示、驗(yàn)證到數(shù)值模擬再到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的角度，構(gòu)建了壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺（見圖1），為學(xué)生自主開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐提供了場地。利用該實(shí)驗(yàn)平臺資源，逐步提升學(xué)生在壓裂酸化領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

圖1 壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺構(gòu)建內(nèi)容示意圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)與完善

近年來，為了提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，石油工程學(xué)院加大了壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件投入，不僅對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了升級改造，而且通過自主設(shè)計(jì)與廠家生產(chǎn)相結(jié)合的方式創(chuàng)新了適宜學(xué)生開展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的裝置，并購買了礦場應(yīng)用較為廣泛的壓裂酸化工藝優(yōu)化模擬軟件，從而基本覆蓋了壓裂酸化相關(guān)重點(diǎn)知識。

2011年，為了克服壓裂理論學(xué)習(xí)困難以及人身安全無保障等問題，利用SCADA（supervisory control and data acquisition）系統(tǒng)［6－8］構(gòu)建了一套壓裂實(shí)驗(yàn)仿真平臺。仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備［9］以現(xiàn)場實(shí)物為依據(jù)，把壓裂施工所需設(shè)備按比例縮小制作，使之室內(nèi)化（如圖2—圖4所示），按照壓裂施工設(shè)備的擺放順序擺放，模擬壓裂施工現(xiàn)場。通過仿真軟件系統(tǒng)控制設(shè)備開關(guān)，演示壓裂施工每一環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了教師與學(xué)生之間的互動，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)壓裂酸化知識的興趣和積極性，提高了壓裂實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果［10］。

圖2 壓裂車模型

圖3 混砂車模型

圖4 罐車模型

在裂縫導(dǎo)流能力驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)中，為了更好地讓學(xué)生理解掌握支撐劑鋪置方式與支撐劑嵌入對裂縫導(dǎo)流能力的影響，實(shí)驗(yàn)教師對裂縫導(dǎo)流儀中常規(guī)導(dǎo)流室進(jìn)行了改進(jìn)，使支撐劑可以不同方式進(jìn)行鋪置，如均勻分布或柱形分布等，同時(shí)制備了系列巖板（見圖5），可以替換原有鋼板，因?yàn)殇摪宀荒芸疾熘蝿┣度氲挠绊?。通過對導(dǎo)流室的改進(jìn)與完善，使學(xué)生充分了解壓裂過程中支撐劑的分布和嵌入情況（見圖6），并考察這兩種情況對裂縫導(dǎo)流能力的影響規(guī)律，直觀深入地理解支撐劑鋪置、嵌入與裂縫導(dǎo)流能力之間的相互關(guān)系。

圖5 裂縫導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)用巖板

圖6 支撐劑嵌入圖

學(xué)生通過演示實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)基本對壓裂酸化基本原理、工藝有初步了解。為了充分發(fā)揮石油工程專業(yè)學(xué)生主觀能動性，我們整合現(xiàn)有教學(xué)與科研資源，將部分用于科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)裝置對學(xué)生開放，從而形成了覆蓋壓裂酸化基本知識的4個(gè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)——可視平板裂縫模擬實(shí)驗(yàn)、降摩阻模擬實(shí)驗(yàn)、酸蝕模擬實(shí)驗(yàn)、流變性測試實(shí)驗(yàn)。通過可視平板裂縫模擬裝置可以讓學(xué)生能更加直觀清晰地觀察到裂縫中支撐劑的運(yùn)移、沉降過程（如圖7所示），激發(fā)學(xué)生去理解、分析裂縫中支撐劑沉降運(yùn)移規(guī)律以及影響因素；通過降摩阻模擬實(shí)驗(yàn)裝置（見圖8），可以考察減阻劑的降阻效果以及排量、管徑等對減阻效果的影響，通過學(xué)生自主設(shè)計(jì)與完成實(shí)驗(yàn)，將課堂教學(xué)的理論知識延伸到實(shí)驗(yàn)教學(xué)，促使學(xué)生追問哪一類物質(zhì)可以減阻，減阻機(jī)理是什么等，提高了學(xué)生對這些知識的濃厚興趣。通過創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生主動參與這些問題的分析與研究，提升學(xué)生的主觀能動性和分析解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的貫通。

圖7 裂縫中支撐劑運(yùn)移沉降現(xiàn)象

圖8 管線摩阻測試儀

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺管理模式

壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理和運(yùn)行實(shí)行專人管理、資源共享的機(jī)制，并構(gòu)建了壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化子平臺，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，滿足了壓裂酸化教學(xué)科研實(shí)驗(yàn)室開放、學(xué)生自主學(xué)習(xí)和師生互動交流的要求，大大提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化、智能化管理水平，提高了管理效率和規(guī)范性。該子平臺建設(shè)了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理硬件系統(tǒng)。該子系統(tǒng)包括刷卡派位系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、錄編系統(tǒng)、點(diǎn)播系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)等六大系統(tǒng)。搭建了智能化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺，包含開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)、教學(xué)資源管理系統(tǒng)、儀器設(shè)備管理系統(tǒng)、創(chuàng)新項(xiàng)目管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核與評價(jià)分析系統(tǒng)等模塊。該信息化管理平臺功能強(qiáng)大，智能化程度高，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)、管理、考核等功能有機(jī)結(jié)合，借助該平臺實(shí)現(xiàn)了開放式、分散式、預(yù)約式、自助式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以隨時(shí)上網(wǎng)預(yù)約、自由選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程、自行完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，面向大學(xué)生第二課堂、畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和科學(xué)研究全面開放。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與效果

當(dāng)前石油工程專業(yè)大多實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以教師為主體的傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生經(jīng)常處于被動地位。實(shí)驗(yàn)通常由教師提前準(zhǔn)備好，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟完成規(guī)定實(shí)驗(yàn)，然后完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告就結(jié)束，這種模式使得學(xué)生缺乏自主思考的時(shí)間和空間。無法真正發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，不僅影響了學(xué)生動手操作能力的提高，而且制約了學(xué)生自主能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展。針對這種情況，壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)從教學(xué)模式、教學(xué)科研融合以及教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)等方面進(jìn)行了改革嘗試。

首先，改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。在壓裂酸化演示型和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)中，采用啟發(fā)式和互動式教學(xué)方法，通過在實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置一部分課堂教學(xué)中未涉及到的一些問題，促使學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識分析思考實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象，提高學(xué)生分析問題能力。另外，建立互動式教學(xué)模式，利用先進(jìn)的多媒體教學(xué)手段解決了壓裂、酸化過程原理講解不清晰、以看為主、只看不練、缺乏互動等問題，實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的雙向溝通，激發(fā)了教學(xué)雙方的主動性，拓展了對學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，不僅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，也提高了學(xué)生的專業(yè)技能。譬如以壓裂施工工藝互動教學(xué)為例，實(shí)驗(yàn)教師運(yùn)用仿真軟件系統(tǒng)，選擇教學(xué)系統(tǒng)中的現(xiàn)場地面工藝操作和壓裂基本工序中的試循環(huán)進(jìn)行演示，試循環(huán)工藝演示結(jié)束后，學(xué)生就可以在實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)際操作，進(jìn)行試循環(huán)工藝的實(shí)訓(xùn)。實(shí)訓(xùn)過程中，通過不同閥門的開關(guān)以及儀表控制臺的控制，學(xué)生和教師都可以在顯示屏上看到其操作結(jié)果。教師可以隨時(shí)指導(dǎo)檢查學(xué)生打開閥門的情況，并指導(dǎo)學(xué)生糾正自己的錯(cuò)誤，使學(xué)生順利完成該工藝的操作［11］。模擬型與創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)以綜合設(shè)計(jì)性、研究性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主體［12－14］，采用個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中主要通過教師與學(xué)生共同參與實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、參與教師的科研項(xiàng)目以及學(xué)生利用科研平臺自主提出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、制訂實(shí)驗(yàn)方案等方式，充分發(fā)揮學(xué)生想象力和創(chuàng)造力，不局限于教材內(nèi)容，促使教學(xué)與科研充分融合，提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力以及分析解決問題的能力。

完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊(duì)伍建設(shè)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力。構(gòu)建結(jié)構(gòu)合理的實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍與提高教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平是實(shí)現(xiàn)良好教學(xué)效果的基本條件。近年來，通過引進(jìn)與自身培養(yǎng)，構(gòu)建了一支學(xué)歷、職稱和年齡結(jié)構(gòu)合理的壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，其中具有豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教授3人，副教授5人，專職實(shí)驗(yàn)師2人。為了提高壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，學(xué)院多次組織課程教授、副教授及實(shí)驗(yàn)人員到其他高校觀摩學(xué)習(xí)，并與學(xué)生面對面地交流，聽取學(xué)生建議。教師在提高自身課堂教學(xué)與科研水平的同時(shí)，積極開展實(shí)驗(yàn)裝置自主設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，自主設(shè)計(jì)題目或參與教師的科研活動，啟發(fā)學(xué)生對壓裂酸化領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的興趣。每學(xué)期都聘請校內(nèi)外具有豐富實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的專家教授在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段以及學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的開展等方面進(jìn)行指導(dǎo)，并結(jié)合團(tuán)隊(duì)自身的研討與實(shí)踐，逐步提升團(tuán)隊(duì)教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

從2010年壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革以來，通過學(xué)校“211工程”與優(yōu)勢學(xué)科創(chuàng)新平臺建設(shè)經(jīng)費(fèi)等的支持，以及教師自身科研經(jīng)費(fèi)的投入，改善了壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件與軟件環(huán)境，逐漸形成了主要針對石油工程、海洋油氣工程專業(yè)為對象的壓裂酸化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺，建立了富有石油特色、課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系，學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識得到了明顯提高。2010年至2013年，我院壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺共承擔(dān)壓裂酸化實(shí)訓(xùn)2 450人次，開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目50余項(xiàng)，獲得國家獎(jiǎng)學(xué)金、中石化英才獎(jiǎng)學(xué)金等20余人次，參加“挑戰(zhàn)杯”、數(shù)學(xué)建模大賽等并獲得國家級一、二等獎(jiǎng)10余人次。近年來，具有壓裂酸化知識背景的學(xué)生受到國內(nèi)外石油企業(yè)的青睞，就業(yè)率達(dá)到100%，從事壓裂酸化研究的出國留學(xué)生也受到導(dǎo)師的歡迎與贊許。優(yōu)秀的教學(xué)成果堅(jiān)定了學(xué)院以壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)為突破口，完善石油工程相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的決心，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，敢于實(shí)踐，勇于思考，提高學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識，為學(xué)生將來成為相關(guān)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人才或技術(shù)骨干奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

壓裂酸化創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)以滿足石油天然氣工業(yè)快速發(fā)展對人才需求為目的，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為突破口，充分調(diào)動教師參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的積極性，重視對實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施個(gè)性化指導(dǎo)，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新實(shí)踐能力。同時(shí)，在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中，還需克服關(guān)門辦學(xué)的思想，堅(jiān)持走出去到企業(yè)學(xué)習(xí)、引進(jìn)企業(yè)高級人才來學(xué)校授課等方法，充分利用石油企業(yè)各方面的優(yōu)勢資源，在學(xué)校、企業(yè)、教師和學(xué)生之間建立起共同聯(lián)系的紐帶，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新實(shí)踐能力的作用。

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