微課在油氣工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

韓忠英， 程遠(yuǎn)方， 黃小光

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) a.石油工程學(xué)院； b.儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

微課在油氣工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

韓忠英a， 程遠(yuǎn)方a， 黃小光b

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) a.石油工程學(xué)院； b.儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

為克服巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)難度大、數(shù)值實(shí)驗(yàn)可視性不足的弊端，提出了將微課教學(xué)模式引入實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)方法，并給出了油氣工程巖石力學(xué)微課實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)原則。以制作常規(guī)巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)微課為例，指出錄制巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)微課時(shí)應(yīng)遵循直觀性、優(yōu)選性以及操作規(guī)范性原則。分析了微課實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的應(yīng)用特征和優(yōu)勢(shì)，并探討了微課模式在油氣工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和存在問題。結(jié)果表明，油氣工程巖石力學(xué)微課實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有節(jié)省教學(xué)成本、真實(shí)性強(qiáng)、安全環(huán)保、易于激發(fā)學(xué)生積極性等優(yōu)點(diǎn)，可為油氣工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一條新思路。

微課; 巖石力學(xué); 實(shí)驗(yàn)教學(xué); 設(shè)計(jì)原則

0 引 言

微課是指將相關(guān)教學(xué)內(nèi)容聚焦在某一個(gè)環(huán)節(jié)上，利用一段視頻講解某個(gè)知識(shí)點(diǎn)、重點(diǎn)內(nèi)容、疑難問題或布置課后作業(yè)等的一種新時(shí)代下的教學(xué)模式。微課的短小精悍很好地解決了學(xué)習(xí)者的問題，把教材內(nèi)容進(jìn)行碎片化、情景化、重組整合，把復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容制作成可融合于課堂的視頻單元，有助于增加課堂效果[1-2]。微課作為信息化時(shí)代的一種新的教學(xué)形式，正逐步廣泛應(yīng)用于不同層次的各種課堂[3-5]。

自20世紀(jì)50年代巖石力學(xué)作為一門學(xué)科被認(rèn)可以來，巖石力學(xué)已逐漸受到人們的重視。在相關(guān)工科高等院校的教學(xué)中，巖石力學(xué)這門課程已經(jīng)由最初的選修課改成了現(xiàn)在的必修課，可見其基礎(chǔ)性與重要性。油氣工程巖石力學(xué)是適應(yīng)于石油工程領(lǐng)域的一門特殊的巖石力學(xué)課程[6]。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石油勘探開發(fā)環(huán)境日趨復(fù)雜，非常規(guī)能源逐步開采，對(duì)油氣工程巖石力學(xué)提出了更高的挑戰(zhàn)。油氣工程巖石力學(xué)在石油高校石油工程專業(yè)中的受重視程度越來越高。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是巖石力學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足巖石力學(xué)快速發(fā)展的需要[7-10]，為此，本文通過分析現(xiàn)有巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的研究現(xiàn)狀，將微課實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式引入到“巖石力學(xué)”課程教學(xué)中來。

1 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的現(xiàn)狀

目前在工科類高等院校的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，根據(jù)教學(xué)條件的不同，主要分為傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)和數(shù)值試驗(yàn)教學(xué)[11-15]。對(duì)油氣工程巖石力學(xué)而言，一方面，實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖然比較直觀，但多數(shù)院校由于受到經(jīng)濟(jì)條件的限制，用于模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)備有限，很難達(dá)到每位同學(xué)都有機(jī)會(huì)動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。比如巖石力學(xué)中的常規(guī)三軸壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，是巖石力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一，其實(shí)驗(yàn)設(shè)備伺服控制三軸試驗(yàn)機(jī)價(jià)格十分昂貴，至少需要幾十甚至上百萬美金，不可能做到人手一臺(tái)進(jìn)行操作，只能是多數(shù)人圍著一臺(tái)設(shè)備觀看老師的演示實(shí)驗(yàn)，這樣帶來的后果是學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的印象模糊，且很難有機(jī)會(huì)重復(fù)觀摩，導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果理解不深，從而影響整個(gè)課程效果。

另一方面，隨著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來，越來越多的高校選擇用數(shù)值實(shí)驗(yàn)教學(xué)的手段來彌補(bǔ)操作實(shí)驗(yàn)的不足[11,16]，由計(jì)算機(jī)軟件模擬實(shí)驗(yàn)。比如在油氣工程巖石力學(xué)中講解巖石的抗壓特性時(shí)，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬巖樣在受壓狀態(tài)下破壞的全應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖1所示，這樣僅能使學(xué)生形成一個(gè)籠統(tǒng)認(rèn)識(shí)，缺乏真實(shí)感，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

綜上所述，目前巖石力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所采取的教學(xué)方法在一定程度上存在著各自的弊端，很難滿足日益發(fā)展的巖石力學(xué)教學(xué)需要?！拔r(shí)代”的到來可為巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展提供一條新的思路。

2 油氣工程巖石力學(xué)微課實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)原則

2.1 直觀性原則

圖1 巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

微課模式短小精悍針對(duì)性強(qiáng)，利于觀看者在較短的時(shí)間內(nèi)直觀地了解其基本內(nèi)容。巖石不同于一般的金屬材料，本身非均質(zhì)性非常強(qiáng)，動(dòng)手操作過程中可以真實(shí)地掌握巖石的這一特性。進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，為獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果對(duì)每個(gè)處理環(huán)節(jié)的要求都比較高。制作巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)微課時(shí)，可將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程分成幾個(gè)小片段進(jìn)行設(shè)計(jì)。以制作常規(guī)巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)微課為例，整個(gè)過程可包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹，試樣制備，試樣安裝，實(shí)驗(yàn)過程展示及實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理等。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

常規(guī)巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要為微機(jī)控制電液伺服巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 微機(jī)控制電液伺服巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

微機(jī)控制電液伺服巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)機(jī)是巖石力學(xué)領(lǐng)域研究巖石在多種環(huán)境下力學(xué)特性的先進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備，可以自動(dòng)完成巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。主體設(shè)備包括三軸實(shí)驗(yàn)架，高壓釜，控制柜，計(jì)算機(jī)，以及圍壓泵等輔助系統(tǒng)。該設(shè)備主要用來測(cè)試巖石試樣在不同圍壓下的力學(xué)特性。進(jìn)行微課錄制時(shí)可在介紹實(shí)物的同時(shí)，給出設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)，如最大軸向力2 MN，最大圍壓100 MPa等。總之，通過2～3 min的設(shè)備展示片段使觀看者對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能有一個(gè)總體上的了解。

2.1.2 試樣制備

標(biāo)準(zhǔn)的試樣是巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵因素之一。常規(guī)巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣一般為直徑25 mm、高50 mm的圓柱體巖心，且必須保持上下兩個(gè)端面的光滑平行，如圖3所示。巖石結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙、裂縫及層理發(fā)育，部分巖石常溫常壓下脆性較強(qiáng)，獲取標(biāo)準(zhǔn)巖心的難度大。微課中可通過3 min左右的片段介紹標(biāo)準(zhǔn)試樣的制作過程，包括巖石的取心過程，以及標(biāo)準(zhǔn)試樣的打磨過程等。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)巖心試樣

2.1.3 試樣安裝

油氣工程巖石力學(xué)的研究對(duì)象一般是指埋藏于地下幾百米甚至幾千米的巖石，所處地層壓力較高。為研究地層條件下巖石的力學(xué)特性，需要在試樣周圍施加較高的壓力，這就給試樣的安裝帶來很大的挑戰(zhàn)。關(guān)鍵點(diǎn)之一是試樣的密封問題。另外還有傳感器的安裝問題等。微課中可通過邊操作邊講解的辦法介紹試樣的密封問題，以及傳感器的安裝方法和原理等內(nèi)容。最終將標(biāo)準(zhǔn)試樣裝配結(jié)果展示給大家，如圖4所示。本環(huán)節(jié)的微課制作可控制在2 min之內(nèi)。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)試樣裝配圖

2.1.4 實(shí)驗(yàn)過程展示及結(jié)果處理

圖5 實(shí)驗(yàn)過程展示圖

通過微機(jī)控制電液伺服巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加載過程及結(jié)果均可在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示出來，如圖5所示。可記錄隨軸向載荷的增加，試樣的軸向和徑向變形的變化情況，以及軸向載荷的變化情況等。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)出。因巖心本身的性質(zhì)和加載速度的不同決定了這一環(huán)節(jié)的用時(shí)大約在5 min。

直觀地了解了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過程及實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理可以很輕松地回歸到課堂上。課堂上通過與同學(xué)們的互動(dòng)，共同完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理，可加深對(duì)巖石抗壓特性的理解。

總之，巖石力學(xué)微課實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要本著直觀簡(jiǎn)潔的原則，將大約2 h的操作過程壓縮到20 min以內(nèi)完成，內(nèi)容飽滿不拖泥帶水，直奔主題，并留有懸念，把結(jié)果處理回歸到課堂上，進(jìn)一步加深了學(xué)生們對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解。

2.2 優(yōu)選性原則

巖石力學(xué)微課實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與選題應(yīng)以實(shí)用為主。優(yōu)選課程的核心部分以及要求學(xué)生要掌握的重點(diǎn)、難點(diǎn)部分，例如巖石單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，常規(guī)三軸壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，劈裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)等，有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)選題，并盡可能地激發(fā)學(xué)生的積極性。

2.3 操作規(guī)范性原則

微課形式教學(xué)本身具有可重復(fù)性，可隨時(shí)隨地播放。作為一種輔助教學(xué)手段應(yīng)具有一定的規(guī)范性。從基本操作方法，到語言講解部分，都應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。從某種意義上說，微課實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以看作是教科書的一部分，因此它的操作必須規(guī)范。以常規(guī)巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)為例，巖心加工制作標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)誤差必須達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。

3 微課模式在油氣工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用特征和優(yōu)勢(shì)

3.1 節(jié)省教學(xué)成本

油氣工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)所涉及到的設(shè)備要么價(jià)格相當(dāng)昂貴，要么比較精密，無法適應(yīng)于公共教學(xué)平臺(tái)，這也是目前乃至今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)尚不能廣泛開放的根本原因。利用微課實(shí)驗(yàn)教學(xué)可有效地解決這一問題。微課模式的核心是有高質(zhì)量的微視頻。有條件的教師可多制作幾個(gè)片段的操作視頻拿到課堂上展示，這樣既可保證教學(xué)質(zhì)量，增加學(xué)生興趣，又降低了教學(xué)成本。

3.2 實(shí)驗(yàn)真實(shí)性強(qiáng)

微課教學(xué)的實(shí)驗(yàn)視頻是來自實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)際操作，真實(shí)性強(qiáng)。巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)條件要求較高等因素導(dǎo)致巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的成功率偏低。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中從取心到完成實(shí)驗(yàn)，各個(gè)環(huán)節(jié)都可能失敗。開放性實(shí)驗(yàn)為獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一般避免使用難以順利完成實(shí)驗(yàn)的巖石。比如脆性較強(qiáng)或者層理發(fā)育明顯的巖石，很難獲取標(biāo)準(zhǔn)巖心。這種失敗的經(jīng)驗(yàn)則可以通過微視頻的形式帶到課堂供大家討論，大大增加了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性。

3.3 安全環(huán)保性教學(xué)

油氣工程巖石力學(xué)的研究對(duì)象一般是處于高溫高壓狀態(tài)下的巖石。一方面，巖石在制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣的過程中，需要對(duì)大塊巖石取心，打磨。這一過程中不可避免產(chǎn)生大量的粉塵，多個(gè)學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)大大增加環(huán)境的污染程度。另一方面，高溫高壓的實(shí)驗(yàn)條件不僅對(duì)設(shè)備要求較高，而且無形中增加了安全隱患，操作稍有不當(dāng)將可能造成人員傷害。因此，操作熟練的教師或?qū)嶒?yàn)人員通過親自演示并以微視頻的形式來展示整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，這樣既避免了對(duì)環(huán)境的大量污染，又降低了安全隱患。

3.4 易于激發(fā)學(xué)生積極性

巖石力學(xué)的基本核心是探討巖石的力學(xué)問題，在一系列“枯燥”的力學(xué)理論講解之后，微課形式實(shí)驗(yàn)展示環(huán)節(jié)的引入，增加了課堂教學(xué)的靈活性。同時(shí)每一視頻片段中帶回課堂思考的問題，大大激發(fā)了學(xué)生參與討論的積極性，從而能夠更深刻地理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

4 油氣工程巖石力學(xué)微課模式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和存在問題

4.1 油氣工程巖石力學(xué)微課模式實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果分析

“巖石力學(xué)”實(shí)驗(yàn)涉及到的細(xì)節(jié)多，要求高，概念相對(duì)抽象，對(duì)于力學(xué)基礎(chǔ)比較弱的同學(xué)來說操作和理解起來都比較困難。在微課實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施以前，多數(shù)同學(xué)圍繞一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且一般是力學(xué)基礎(chǔ)較好的同學(xué)進(jìn)行操作，這樣勢(shì)必造成好的更好，差的更差兩極分化嚴(yán)重。開展微課實(shí)驗(yàn)教學(xué)以來，課堂上形象化的實(shí)驗(yàn)展示，充分保證了每位同學(xué)都能真實(shí)的“參與”到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，兼顧了不同層次同學(xué)的需要，尤其是給懶于動(dòng)手的同學(xué)增加了了解掌握實(shí)驗(yàn)原理及過程的機(jī)會(huì)，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

4.2 油氣工程巖石力學(xué)微課模式實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

微課模式在油氣工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，適應(yīng)了數(shù)字化時(shí)代的要求，微視頻與課堂討論形式的結(jié)合，可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。然而，油氣井工程所涉及到的巖石受自身結(jié)構(gòu)及地質(zhì)環(huán)境等因素的影響，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力學(xué)行為差異性較大?？梢哉f，很難找到具有相同力學(xué)行為的兩塊巖心。這種差異性就增加了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的唯一性，這種唯一性通過幾十分鐘的實(shí)驗(yàn)是很難理解清楚的。微課形式實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能是學(xué)習(xí)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程、方法及對(duì)巖心力學(xué)性能的分析能力，達(dá)到基本教學(xué)目的。而對(duì)于真正想了解巖石力學(xué)特性的同學(xué)來說，還是需要親自動(dòng)手操作，實(shí)踐中獲取正解。

5 結(jié) 語

利用微課模式作為油氣工程巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助工具，解決了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中可操作性不強(qiáng)，直觀性差的問題。巧妙地運(yùn)用微視頻來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既可以節(jié)省教學(xué)成本，增加實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，又可保證安全環(huán)保性教學(xué)，更易于激發(fā)學(xué)生的積極性，提高教學(xué)效果。當(dāng)然，微課實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要應(yīng)用于硬件條件相對(duì)較弱的情況下，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)充裕，設(shè)備較多的高校還是建議讓學(xué)生親自動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)。

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Application of Micro-lecture in Experiment Teaching of Oil and Gas Engineering Rock Mechanics

HANZhongyinga,CHENGYuanfanga,HUANGXiaoguangb

(a. School of Petroleum Engineering, b. College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

Micro-lecture is introduced into the experiment teaching to overcome students’ difficulties to participate in the experiment of rock mechanics and visualize data indicated in the experiments. Principles for design of micro-lecture experiment teaching in the rock mechanics related to the oil and gas engineering are proposed. For example, in the pseudo-trial compression test of rock, the principles of direct observation, optimization and standard operation should be followed. On one hand, characteristics and advantages of the micro-lecture experiment teaching are analyzed, and on the other, challenges of applying the micro-lecture to the experiment teaching of rock mechanics related to the oil and gas engineering are also discussed. It is shown that the micro-lecture experiment teaching of oil and gas rock mechanics has its advantages: high experiment authenticity, low teaching cost, and environmental-friendly safety and high inspiration for students. And it can provide a new way of thinking for the oil and gas engineering rock mechanics experiment teaching.

micro-lecture; rock mechanics; experiment teaching; design principles

2016-03-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51504280);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(16CX02022A);中國(guó)石油大學(xué)(華東)校級(jí)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目(SY-B201422)

韓忠英(1979-)，女，山東乳山人，博士，講師，主要從事油氣井工程巖石力學(xué)相關(guān)的教學(xué)科研工作。

Tel.: 15269207505;E-mail: hanzhying@upc.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2017)02-0181-04