滲流物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)改革初探

付帥師， 李愛芬， 姚 軍， 張儼彬， 張麗麗

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

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滲流物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)改革初探

付帥師， 李愛芬， 姚 軍， 張儼彬， 張麗麗

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

根據(jù)滲流物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，引入模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，通過(guò)可行性探究，將滲流物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行模塊劃分，提出了模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的實(shí)施方案和途徑。滲流物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)對(duì)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)提出了更高的要求，同時(shí)加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)材料的連續(xù)性，加強(qiáng)各實(shí)驗(yàn)參數(shù)結(jié)果的關(guān)聯(lián)對(duì)比性，充分鍛煉學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段對(duì)知識(shí)的探求能力。

滲流物理實(shí)驗(yàn)； 模塊化； 教學(xué)改革

0 引 言

實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)自然科學(xué)規(guī)律的基本手段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在21世紀(jì)人才培養(yǎng)中占有重要的戰(zhàn)略地位[1-5]。依托中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，“滲流物理實(shí)驗(yàn)”是一門獨(dú)立設(shè)課的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，講授油藏巖石、流體物性和儲(chǔ)層滲流規(guī)律特征的重點(diǎn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)知識(shí)，與專業(yè)基礎(chǔ)課程油層物理和滲流力學(xué)所教授知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系緊密，對(duì)學(xué)生的理論和實(shí)踐水平要求較高[6-10]。課程學(xué)時(shí)為24學(xué)時(shí)，包括15個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教學(xué)內(nèi)容豐富，但部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不強(qiáng)，上課過(guò)程中很多學(xué)生按照標(biāo)準(zhǔn)操作步驟機(jī)械化的操作儀器，課后公式化的處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其測(cè)試操作背后的實(shí)驗(yàn)原理理解不夠充分，讓探究性的實(shí)驗(yàn)過(guò)程變成機(jī)械化的驗(yàn)證過(guò)程，未能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)所具有的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性，使得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)和理論知識(shí)的掌握不夠深層透徹。

“模塊化教學(xué)”[11-15]在課堂理論和實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)的“線式教學(xué)”不同，模塊化教學(xué)實(shí)踐中，把課本內(nèi)容中的按照先后順序的點(diǎn)狀知識(shí)進(jìn)行歸類整理，并按照教學(xué)內(nèi)容劃分教學(xué)模塊，從模塊問(wèn)題的提出，到教學(xué)模塊中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，再到知識(shí)的學(xué)習(xí)和問(wèn)題的解決，以及最終所學(xué)習(xí)知識(shí)的應(yīng)用和拓展研究。將散落的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)一步分析總結(jié)，找出各中關(guān)聯(lián)并在教學(xué)實(shí)踐中將其連接成線，整合成面，整體推進(jìn)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)。

1 滲流物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)可行性探究

滲流物理實(shí)驗(yàn)課程以《滲流物理實(shí)驗(yàn)》(李愛芬主編)為主要教材，教材內(nèi)容涵蓋了油層物理實(shí)驗(yàn)中常用技術(shù)，儲(chǔ)層流體巖石物性測(cè)試方法、原理、測(cè)試儀器和實(shí)用，流體滲流規(guī)律測(cè)試方法和儀器使用。課程開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：地層油的高壓物性；液體粘度及流變性測(cè)定；巖石潤(rùn)濕性測(cè)定；巖石碳酸鹽含量測(cè)定；頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)；粒度組成分析；巖石比面測(cè)定；巖石孔隙度測(cè)定；巖石油水飽和度測(cè)定；巖石滲透率測(cè)定；巖石毛管壓力曲線測(cè)定；不可壓縮流體單向穩(wěn)定滲流實(shí)驗(yàn)；平面徑向滲流實(shí)驗(yàn)；水電模擬實(shí)驗(yàn)；鏡像反映實(shí)驗(yàn)。各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)時(shí)間與理論課程學(xué)習(xí)內(nèi)容同步，一般是先上理論課程，后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.1 教學(xué)模塊劃分和內(nèi)容制定

分析各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和所涉及原理儀器，根據(jù)各實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象介質(zhì)和所測(cè)實(shí)驗(yàn)物性參數(shù)，可將滲流物理實(shí)驗(yàn)課程中各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分成六個(gè)模塊。

模塊一：油藏流體物性分析，其中包括：地層油的高壓物性、液體粘度及流變性測(cè)定。

模塊二：巖石礦物組成分析，其中包括：頁(yè)巖膨脹性、巖石碳酸鹽含量測(cè)定、粒度組成分析。

模塊三：巖心骨架和孔隙物性分析，其中包括：巖石比面測(cè)定；巖石孔隙度測(cè)定；巖石油水飽和度測(cè)定；

模塊四：儲(chǔ)層巖石滲透性分析，其中包括：巖石滲透率測(cè)定；不可壓縮流體單向穩(wěn)定滲流實(shí)驗(yàn)；平面徑向滲流實(shí)驗(yàn)；

模塊五：特殊巖心物性分析，其中包括：巖石毛管力曲線測(cè)定，巖石潤(rùn)濕性測(cè)定；

模塊六：水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)，其中包括：水電模擬實(shí)驗(yàn)；鏡像反映實(shí)驗(yàn)。

補(bǔ)充說(shuō)明：礦物組成分析、骨架和孔隙物性分析和滲透性分析都屬于常規(guī)巖心分析的范疇，鑒于實(shí)驗(yàn)材料的區(qū)別以及學(xué)時(shí)安排的可行性，將常規(guī)物性分析細(xì)化成3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

1.2 學(xué)時(shí)安排和班級(jí)試點(diǎn)實(shí)施

以往滲流物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是按照每節(jié)課2學(xué)時(shí)進(jìn)行的，對(duì)于理論課堂教學(xué)，這是常用且有效的學(xué)時(shí)安排方式。相比而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力和探索能力要求更高，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也更能鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維、動(dòng)手能力和協(xié)作精神。2學(xué)時(shí)的時(shí)間安排，學(xué)生往往來(lái)不及真正搞清楚研究方法，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器說(shuō)明進(jìn)行機(jī)械性的操作，得出的結(jié)論往往是驗(yàn)證型結(jié)論，不能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)。與研究生科研實(shí)驗(yàn)不同，讓本科生全天候研究一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是不切合實(shí)驗(yàn)課教學(xué)實(shí)際的。實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)安排要充分考慮實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，難易程度和時(shí)間安排的合理性。

通過(guò)對(duì)所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的歸類劃分，考慮長(zhǎng)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性和可行性，共將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目劃分成六個(gè)模塊，每個(gè)教學(xué)模塊實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為4個(gè)學(xué)時(shí)。這種安排并不是機(jī)械性的將兩次實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)相加合成為4學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究和教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整與改進(jìn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K所做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都有非常密切的關(guān)聯(lián)，能夠做到各模塊實(shí)驗(yàn)原理相近相通，承前啟后，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性、對(duì)比性和科學(xué)價(jià)值。

基于石油工程專業(yè)學(xué)生多分班多的教學(xué)實(shí)際，為提高教學(xué)質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)效果，首先針對(duì)卓越工程師班進(jìn)行試點(diǎn)教學(xué)研究。卓越工程師班的學(xué)生課程安排與普通班級(jí)不同，理論課程進(jìn)度較快，安排為試點(diǎn)教學(xué)班級(jí)，更能鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造性思維。

1.3 模塊教學(xué)可行性保障

滲流物理實(shí)驗(yàn)室具有充足的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料；教學(xué)團(tuán)隊(duì)有具有高級(jí)職稱的教授和實(shí)驗(yàn)教師等，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富，教學(xué)方式多樣；按照“模塊研究?jī)?nèi)容提出—學(xué)生實(shí)驗(yàn)方法研究和流程設(shè)計(jì)—學(xué)生書寫預(yù)習(xí)報(bào)告—模塊內(nèi)容講授—分組模塊實(shí)驗(yàn)—學(xué)生處理數(shù)據(jù)書寫報(bào)告”的模式，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整合化，實(shí)驗(yàn)材料連續(xù)化，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容的理解更為深刻，進(jìn)一步提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探索水平，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，數(shù)據(jù)處理能力和時(shí)間安排掌控能力，加深學(xué)生理論和實(shí)踐知識(shí)的掌握程度，提高“滲流物理實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)水平和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

2 模塊化教學(xué)對(duì)教師和學(xué)生要求更高

模塊化教學(xué)對(duì)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的能力要求更高：① 教師要對(duì)教學(xué)內(nèi)容整體把握劃分模塊，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的把握，細(xì)節(jié)的整合取舍，都需要教師具有較強(qiáng)的知識(shí)和授課水平。② 滲流物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)實(shí)行4學(xué)時(shí)的時(shí)間安排，課堂時(shí)間長(zhǎng)，授課實(shí)驗(yàn)室不止一個(gè)房間，涉及多套實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)教師在教學(xué)實(shí)踐中的知識(shí)傳授講解以及課堂掌控能力有更高的要求。③ 模塊化學(xué)習(xí)將散落的知識(shí)點(diǎn)整合以后，要求學(xué)生具有更高的學(xué)習(xí)能力，包括對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的整體把握和預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施，知識(shí)點(diǎn)的掌握和聯(lián)想，創(chuàng)新思維的應(yīng)用和培養(yǎng)等。

3 滲流物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)

3.1 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性

以測(cè)量原油黏度測(cè)定為例，以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不少學(xué)生以機(jī)械的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)操作得出黏溫曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果多為驗(yàn)證型結(jié)果，不能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。而將流體物性分析單獨(dú)作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生首先要知道地層流體物性參數(shù)有幾項(xiàng)，然后研究各種物性參數(shù)的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)各個(gè)物性參數(shù)測(cè)定的流程，分析實(shí)驗(yàn)室測(cè)定流體物性參數(shù)的可行性辦法以及各種實(shí)驗(yàn)儀器的選擇，學(xué)習(xí)不同實(shí)驗(yàn)儀器的測(cè)量原理及操作方法，原油黏度作為流體物性里一個(gè)重要的參數(shù)，可以使用落球黏度計(jì)、旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和毛細(xì)管黏度計(jì)等方法來(lái)測(cè)定，但是各種測(cè)定方法又有各自的優(yōu)勢(shì)與差別。經(jīng)過(guò)一系列的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)操作，學(xué)生能夠鍛煉出科學(xué)研究中最重要的探索精神和創(chuàng)新思維，擺脫驗(yàn)證性的機(jī)械操作，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

3.2 充分鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探索精神

打破“先理論教學(xué)，后實(shí)驗(yàn)研究”的固定教學(xué)模式，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究理論知識(shí)規(guī)律的得出，培養(yǎng)對(duì)學(xué)生從發(fā)現(xiàn)未知現(xiàn)象到探究現(xiàn)象變化的規(guī)律性再到提煉理論規(guī)律的科研習(xí)慣，真正通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生的科學(xué)研究和探索能力。

以儲(chǔ)層巖石滲透性分析模塊為例，在之間的教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)達(dá)西公式，用氣測(cè)滲透率儀測(cè)定巖心的氣體滲透率，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生按照標(biāo)準(zhǔn)化的儀器操作過(guò)程，測(cè)定已有巖心的滲透率，主要加深了理論課程中達(dá)西公式的學(xué)習(xí)和掌握。經(jīng)過(guò)對(duì)氣測(cè)滲透率和不可壓縮流體單、徑向穩(wěn)定滲流實(shí)驗(yàn)的模塊化整合，課堂教學(xué)中，學(xué)生要首先確定用什么實(shí)驗(yàn)介質(zhì)來(lái)模擬儲(chǔ)層，包括填砂模型或巖心樣品，研究不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，然后學(xué)習(xí)不同介質(zhì)測(cè)定滲透率的方法以及公式計(jì)算，探索不同情況下實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)施方法和數(shù)據(jù)處理方法，通過(guò)學(xué)生對(duì)宏觀儲(chǔ)層模擬實(shí)驗(yàn)和單個(gè)巖心樣品實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作，對(duì)比學(xué)習(xí)氣測(cè)滲透率和液測(cè)滲透率的原理和方法，探索不同實(shí)驗(yàn)方法所得結(jié)果的差異性，從而鍛煉學(xué)生的多線程思維方式和對(duì)不同科研實(shí)驗(yàn)方法的探索精神。

3.3 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)材料的連續(xù)性，加強(qiáng)各物性參數(shù)的關(guān)聯(lián)對(duì)比性

以往的教學(xué)中，各物性參數(shù)如孔隙度、滲透率和比面是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程測(cè)定不同巖心的參數(shù)值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)，無(wú)對(duì)比性。在模塊化教學(xué)實(shí)踐中，首先測(cè)定砂子的粒度組成，然后用已知粒度參數(shù)的砂子人工膠結(jié)制造巖心，各小組用各自的巖心進(jìn)行孔隙度、滲透率、比面、毛管力曲線等的參數(shù)測(cè)定，實(shí)現(xiàn)了所測(cè)實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的連續(xù)性，學(xué)生可以從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到孔隙度、滲透率、比面和毛管力等參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)各物性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)各參數(shù)的理解和掌握。讓學(xué)生親自制做巖心并測(cè)試參數(shù)，增加了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和綜合設(shè)計(jì)性，更加鍛煉學(xué)生的動(dòng)手和協(xié)作能力，也加強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的成就感。

3.4 增加選做型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究能力

滲流物理實(shí)驗(yàn)與油層物理和滲流力學(xué)中的石油專業(yè)知識(shí)緊密相連，很多機(jī)理現(xiàn)象都需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法探究，基于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成效以及國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心平臺(tái)的支持條件，以及石油工程學(xué)院獨(dú)具的科研優(yōu)勢(shì)，有能力開出綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供學(xué)生選做，從而更進(jìn)一步地提高學(xué)生的探索精神和科研能力。擬開出的選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：油水兩相相滲曲線測(cè)定；頁(yè)巖氣吸附解吸測(cè)試研究；油水毛管力曲線測(cè)定；表面活性劑提高采收率實(shí)驗(yàn)研究等。

4 結(jié) 語(yǔ)

論文闡述了滲流物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀和模塊化教學(xué)法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際情況分析了滲流物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)的可行性，將滲流物理實(shí)驗(yàn)課程的15個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行歸類，劃分成各具特色的6個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，以每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K4個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間安排組織課堂教學(xué)，并說(shuō)明了模塊教學(xué)方法的實(shí)施保障。模塊化教學(xué)法在滲流物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中初次應(yīng)用，對(duì)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)提出了更高的要求。滲流物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性，充分鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探索精神，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)材料的連續(xù)性，加強(qiáng)各物性參數(shù)的關(guān)聯(lián)對(duì)比性，增設(shè)選做綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，充分鍛煉學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段對(duì)知識(shí)的探求能力。

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Modularized Teaching Reform in Experiments of Flow in Porous Media and Petrophysics

FUShuai-shi,LIAi-fen,YAOJun,ZHANGYan-bin,ZHANGLi-li

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

According to the current teaching situation of experiments of flow in porous media and petrophysics, the modularized experimental teaching method is introduced. Through the feasibility study, the experiments items are divided into modules and the embodiments and approaches of modularized teaching method are proposed. The modularized teaching reform in experiments of flow in porous media and petrophysics requires more for the teachers’ lecturing and students’ studying. Also, it improves the comprehensiveness, designability and creativity of the experimental teaching. The experiments materials are used successively and the experimental parameters results are much more correlated and comparative, thus exercising the students’ ability of exploration of knowledge through experiments.

experiments of flow in porous media and petrophysics； modularized； teaching reform

2014-10-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51234007)；山東省自然科學(xué)基金聯(lián)合專項(xiàng)(ZR2014EL017)

付帥師(1989-)，男，山東汶上人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師。研究方向：滲流物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，低滲油田提高采收率和滲流機(jī)理研究。

Tel.：15318889466；E-mail：fushuaishi@upc.edu.cn

李愛芬(1962-)，女，山東安丘人，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：油氣滲流、提高采收率機(jī)理等方面的研究及教學(xué)工作。

Tel.：0532-86981163; E-mail：aifenli@upc.edu.cn

G 642.423

A

1006-7167(2015)10-0165-03