孫致學(xué),張 凱,姚 軍,谷建偉,王建忠,李愛芬,張黎明
(中國石油大學(xué) 石油工程學(xué)院,山東 青島 266580)
近年來,伴隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整及石油供需矛盾的日益突出,培養(yǎng)掌握石油工程專業(yè)理論知識、具有較強(qiáng)解決實(shí)際問題能力的創(chuàng)新復(fù)合型人才成為石油高校教育研究重點(diǎn)。2012年,教育部、財政部[2012]6號文件《教育部、財政部關(guān)于實(shí)施高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升計劃的意見》明確指出改進(jìn)和加強(qiáng)工科專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育,培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力等方面起著關(guān)鍵作用。中國石油大學(xué)(華東)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心——“石油工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”目前承擔(dān)了石油工程專業(yè)的本科生畢業(yè)設(shè)計、課程設(shè)計和研究生培養(yǎng)任務(wù),在培養(yǎng)大學(xué)生自主學(xué)習(xí)動手實(shí)踐能力、激發(fā)創(chuàng)新思維方面起到至關(guān)重要的作用。隨著在校學(xué)生規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及優(yōu)質(zhì)科研資源的快速積累,如何提高自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)比例、及時將石油開發(fā)新技術(shù)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中、積極探索石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式成為石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)適應(yīng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)需求的研究熱點(diǎn)[1-2]。我們通過將3D打印技術(shù)引入石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,革新了傳統(tǒng)物理模型制作方法、縮短了模型制作周期、使地下油氣藏由“想象”變?yōu)椤艾F(xiàn)實(shí)”,為構(gòu)建Solid Learning研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提供了基礎(chǔ)。教育實(shí)踐證明,基于3D打印技術(shù)的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式可極大提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣,激發(fā)學(xué)生主動探索的創(chuàng)新思維,對于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力具有重要意義。
3D打印也稱作快速成型技術(shù),誕生于20世紀(jì)80年代后期,是基于材料累加原理的快速成型操作過程,將計算機(jī)中的三維模型通過向物品分層添加材料來創(chuàng)造出實(shí)物的一種疊層制造技術(shù)[3]。3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)前沿制造技術(shù),已逐步應(yīng)用于航天、軍工、醫(yī)療等領(lǐng)域。當(dāng)前,快速成型設(shè)備類型很多,包括立體光刻成型、熔融堆積成型、分層實(shí)體加工、選擇性激光燒結(jié)及三維打印等[4]。其中,粉末黏合式層疊法是快速成型的代表技術(shù),該技術(shù)根據(jù)對象物的三維數(shù)字化模型制作片狀數(shù)據(jù),將該片狀數(shù)據(jù)一層一層地層疊而形成立體物(立體模型),然后,通過清砂、激光燒結(jié)等后處理,完成物理模型的制備。目前,基于粉末黏合式層疊法的礦物3D打印機(jī)已投入市場,為本文提出的油藏物理模型制備方法提供了硬件支持[5-6],AFS-360三維打印機(jī)外觀見圖1和主要部件見圖2。
圖1 AFS-360三維打印機(jī)外觀
圖2 成型機(jī)主要部件
物理模型是研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的基礎(chǔ)和前提[7-9]。與傳統(tǒng)油氣藏物理模型制備方法相比,3D打印技術(shù)能夠直接從油氣藏實(shí)際地質(zhì)模型數(shù)據(jù)中生成相應(yīng)形狀的物理模型。與傳統(tǒng)技術(shù)相比,3D打印技術(shù)在研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有以下應(yīng)用優(yōu)勢:
(1)可以實(shí)現(xiàn)任意實(shí)際地質(zhì)模型的個性化制作。通過3D打印技術(shù),將深埋地下的抽象地質(zhì)概念引入現(xiàn)實(shí)世界,對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中的抽象概念或者科學(xué)過程進(jìn)行可視化展現(xiàn),使學(xué)生可以基于物理模型自主設(shè)計實(shí)驗(yàn),獲得更多的認(rèn)知體驗(yàn),培育創(chuàng)新思維。
(2)革新實(shí)驗(yàn)用物理模型制作的周期和方式。3D打印技術(shù)有效縮短模型設(shè)計、成型周期,以有形的“實(shí)物”模型展示教學(xué)內(nèi)容,并可以設(shè)計復(fù)雜油氣藏物理模型以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的要求,極大地提高了模型制備效率。同時,3D打印可以制作特殊的物理模型,如膠結(jié)、刻蝕方法無法制備的縫洞型油藏的物理模型。
(3)為學(xué)生創(chuàng)新思維的實(shí)現(xiàn)提供更便利的實(shí)現(xiàn)條件。傳統(tǒng)物理模型制備技術(shù)需要通過模具、車銑等機(jī)械加工技術(shù)將原材料轉(zhuǎn)換成模型,費(fèi)事費(fèi)力,難以大規(guī)模推廣應(yīng)用,限制了學(xué)生自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開展。3D打印技術(shù)為學(xué)生提供了自主設(shè)計、制備物理模型的途徑,有利于研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。
(4)提高物理模型制備原料利用率,降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。由于3D打印技術(shù)無需生產(chǎn)線,而且大大減少了材料,降低了生產(chǎn)成本。
為了適應(yīng)石油行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級對創(chuàng)新型人才的需求,中國石油大學(xué)(華東)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心——“石油工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”從實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的豐富以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式的改革等方面進(jìn)行探索與實(shí)踐。依托信息化平臺的建設(shè)和仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),將簡單的“遵循式”驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在仿真實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行,將有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場地資源向綜合性、自主設(shè)計性的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)拓展,增加綜合性的探索性實(shí)驗(yàn)比例。例如,緊跟頁巖氣、致密油等非常規(guī)油氣資源開發(fā)的全球化趨勢,加大壓裂酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件投入,在對設(shè)備進(jìn)行了升級改造的基礎(chǔ)上,自主設(shè)計與廠家生產(chǎn)相結(jié)合的方式引進(jìn)了適宜學(xué)生開展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的裝置,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性,消除了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與礦場實(shí)際應(yīng)用技術(shù)的代差[10-12]。針對地下油氣藏不可見的特點(diǎn),通過3D快速成型技術(shù)打印不同類型油氣藏的物理模型,將油氣藏的形狀、演化歷史和物理特征等方面進(jìn)行三維“可視化”和“實(shí)體化”。例如,縫洞型碳酸鹽巖油藏儲集空間類型有孔隙、溶孔乃至溶洞,巖心成型性差,很難鉆取天然巖心,常規(guī)的填砂方法、膠結(jié)方法、刻蝕方法(化學(xué)刻蝕和激光雕刻法)無法制備具有多重孔隙類型的碳酸鹽巖物理模型。基于計算機(jī)仿真建模結(jié)果,采用覆膜石英砂作為材料,可以實(shí)現(xiàn)縫洞型油藏等強(qiáng)非均質(zhì)大尺寸平板模型一次成型(見圖3),同時做到模型內(nèi)部裂縫、溶洞尺寸可控。3D打印技術(shù)的引入,為石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了由“想象”到“現(xiàn)實(shí)”的平臺,進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究性和創(chuàng)新性,將抽象轉(zhuǎn)化為具體、將不可見轉(zhuǎn)化為可見,很好地解決了傳統(tǒng)室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)概念抽象、無法可視化等不足,學(xué)生可形象、深刻地理解課程內(nèi)容。
圖3 應(yīng)用3D打印技術(shù)制作縫洞型油藏物理模型
培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的科技人才已經(jīng)成為建設(shè)創(chuàng)新型國家的基礎(chǔ)。石油工程專業(yè)是培養(yǎng)具有油氣田開發(fā)理論和知識的高端應(yīng)用型工程人才。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維、提高工程實(shí)踐能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)和培養(yǎng)方式[13]。為此,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不僅要強(qiáng)化學(xué)生對理論教學(xué)內(nèi)容的理解,同時要反映油氣田開發(fā)礦場工程實(shí)踐,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法改革要緊跟工業(yè)界發(fā)展形勢,重視將教師優(yōu)質(zhì)科研成果進(jìn)入到教學(xué)中來,支持教師根據(jù)需要自己研制儀器設(shè)備,向本科生開放科研實(shí)驗(yàn)室,以科研促進(jìn)教學(xué),將科研優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源[14]。例如,針對高溫高壓條件下部分生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)難以開展、理論教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)的問題,實(shí)驗(yàn)中心開發(fā)了“井控仿真模擬系統(tǒng)”、“酸化壓裂仿真模擬系統(tǒng)”等多套仿真模擬系統(tǒng),使學(xué)生通過計算機(jī)控制系統(tǒng),模擬生產(chǎn)實(shí)際條件,實(shí)際操控現(xiàn)場生產(chǎn)過程,真實(shí)體驗(yàn)和掌握重要的石油開發(fā)工藝過程,提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。通過促進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研”深度融合、建立了理論與實(shí)踐相結(jié)合啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,通過CT掃描、3D打印等新技術(shù)的應(yīng)用,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的技術(shù)水平,強(qiáng)化了大學(xué)生工程實(shí)踐能力,彌補(bǔ)了特殊現(xiàn)場環(huán)境下實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)難以進(jìn)行的困境,實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合素質(zhì)顯著提高,在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面表現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢。
如前所述,STEM(Scince,Technology,Engineering,Mathematics)教育的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)復(fù)合型創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。STEM教育已成為國際教育界的熱點(diǎn)研究問題,引起了世界各國的重視。研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革,不但對學(xué)生自主思考、創(chuàng)新思維提出更高的要求,對教師的科學(xué)素養(yǎng)和工程實(shí)踐能力也提出新的挑戰(zhàn)。教師是研究型教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的主導(dǎo)者,重視提高教師自身建設(shè)、主動消化吸收3D打印等近年科技進(jìn)步成果,強(qiáng)化教師工程實(shí)踐素養(yǎng)。近年來,通過樹立“實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)并重”的思想,促使教師觀念轉(zhuǎn)變,要求理論課教師必須參與實(shí)驗(yàn)教學(xué),工程型教師進(jìn)實(shí)驗(yàn)室;鼓勵和重視實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新,激勵教師積極參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平;采取引進(jìn)、攻讀學(xué)位、出國進(jìn)修、考察培訓(xùn)、會議交流等形式,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊伍提高業(yè)務(wù)水平、開闊視野、更新理念創(chuàng)設(shè)條件。專門制定了隊伍建設(shè)規(guī)劃、培養(yǎng)培訓(xùn)及激勵政策,注重既長于理論教學(xué)又長于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“雙師型”人才培養(yǎng),加強(qiáng)教師教學(xué)能力建設(shè),優(yōu)化隊伍結(jié)構(gòu),建設(shè)了一支愛崗敬業(yè)、結(jié)構(gòu)合理、素質(zhì)優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)師資隊伍。同時,注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊培養(yǎng)培訓(xùn)制度健全、落實(shí)到位,富有成效。規(guī)定新引進(jìn)的教師先進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室;鼓勵并有計劃安排現(xiàn)有人員攻讀高學(xué)位;組織教學(xué)觀摩、相互聽課以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)交流;加強(qiáng)國際合作交流,提高了隊伍國際化水平。與此同時,石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊每學(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)隊自身的研討與實(shí)踐,逐步提升團(tuán)隊教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。通過近年的團(tuán)隊建設(shè),充分挖掘團(tuán)隊教師的潛能,逐步形成了一支適應(yīng)STEM教育特色的結(jié)構(gòu)合理的“雙師型”實(shí)驗(yàn)教師隊伍,為研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的豐富與教法的改革提供了可靠的充分的師資力量保障。
中國石油大學(xué)(華東)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心在抓好傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)代石油工程技術(shù)發(fā)展不斷增設(shè)現(xiàn)代教學(xué)內(nèi)容,增加綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,以科研和實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究為依托,把研究成果轉(zhuǎn)化成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,取得良好的人才培養(yǎng)及輻射帶動效果。目前,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型齊全,面向全校7個學(xué)院、15個專業(yè),開設(shè)了66個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,其中驗(yàn)證型占45.5%,綜合設(shè)計型占43.9%,創(chuàng)新研究型占10.6%。年均人時數(shù)超過15萬,不僅為石油工程人才培養(yǎng)提供了支撐,而且滿足了不同專業(yè)對石油工程類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要,實(shí)驗(yàn)開出率為100%。貫穿人才培養(yǎng)新要求,保持實(shí)驗(yàn)教學(xué)不斷發(fā)展、不斷創(chuàng)新,激發(fā)了學(xué)生的自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究的熱情,增強(qiáng)了大學(xué)生的創(chuàng)新意識,提高了學(xué)生工程意識和解決問題的能力,人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提高。大學(xué)生創(chuàng)新性研究踴躍,取得豐碩的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新成果。3年來大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)立項(xiàng)192項(xiàng),其中國家級31項(xiàng);獲得各類獎勵140余項(xiàng),其中國家級24項(xiàng),省級48項(xiàng);申請專利45項(xiàng),13項(xiàng)已獲得授權(quán)。實(shí)驗(yàn)中心的教學(xué)理念、教學(xué)模式、管理模式、教學(xué)文件以及教材、儀器設(shè)備等,因獨(dú)具特色,被國內(nèi)外高校采用或借鑒,起到了很好的輻射和示范作用。近年來,具有深厚理論知識及工程實(shí)踐教學(xué)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%,參加過創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的出國留學(xué)生也受到導(dǎo)師的歡迎與贊許。我們將完善石油工程相關(guān)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)教學(xué)平臺建設(shè),充分發(fā)揮石油工程專業(yè)學(xué)生主觀能動性,敢于實(shí)踐,勇于思考,提高自身的實(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)骨干奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。
應(yīng)用3D打印技術(shù)對石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的地質(zhì)模型進(jìn)行可視化和實(shí)體化制作,解決了制約研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的物理模型制作瓶頸問題。根據(jù)石油行業(yè)發(fā)展及STEM教育理念對人才創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力的新要求,我校構(gòu)建室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與礦場實(shí)踐相結(jié)合的雙向?qū)嵺`教學(xué)體系,開展了研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織和管理模式、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式等改革,激發(fā)了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣和創(chuàng)新思維,形成了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)的良好局面。同時,通過近年的團(tuán)隊建設(shè),充分挖掘團(tuán)隊教師的潛能,逐步形成了一支適應(yīng)STEM教育特色的結(jié)構(gòu)合理的“雙師型”實(shí)驗(yàn)教師隊伍,為研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的豐富與教法的改革提供了可靠的充分的師資力量保障。
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[1]皮彥夫,石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心的技術(shù)與應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(28):6998-7000.
[2]梁萬林.人造巖心制備技術(shù)研究[J].石油儀器,2008,22(2):72-75.
[3]Rengier F,Mehndiratta A,von Tengg-Kobligk H,et al.3Dprinting based on imaging data:review of medical applications[J].Int J Comput Assist Radiol Surg,2010,5(4):335-341.
[4]王雪瑩.打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2012(26):3-5.
[5]Won S,Lee Y,Ha Y,et al.Improving pre-operative planning for complex total hip replacement with a Rapid Prototype model enabling surgical simulation[J].Bone Joint J,2013,95-B(11):1458-1463.
[6]李春燕,黃斌.3D打印產(chǎn)業(yè)中國專利申請現(xiàn)狀分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2014,63(4):43-46.
[7]隋秀香,石軍太.培養(yǎng)石油工程專業(yè)創(chuàng)新型人才的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探析[J].石油教育,2013(3):27-29。
[8]張紅光.開放實(shí)驗(yàn)室,培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[J],實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理[J].2011,28(6):16-19.
[9]戰(zhàn)永平,曲占慶,陳德春,等.壓裂實(shí)驗(yàn)仿真平臺構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(2):76-77,80.
[10]戰(zhàn)永平,曲占慶,陳德春,等.壓裂、酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2011,14(4):160-162,166.
[11]戰(zhàn)永平,曲占慶,陳德春.互動式教學(xué)在壓裂、酸化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的建立[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2011,9(4):123-124,128.
[12]陸天煒,張文桂,陳燕靈,等.構(gòu)建個性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,促進(jìn)創(chuàng)新能力及工程實(shí)踐能力培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(8):129-131.
[13]李兆隴,陰金香,麻英,等.構(gòu)建化學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺,促進(jìn)研究型人才培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006,23(4):7-9.
[14]金正一.建設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)室的思考與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2007,26 (1):124-125.