基于開放式實(shí)驗(yàn)室的石油工程專業(yè)選修課教學(xué)改革

李忠厚

一、引言

“實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，是應(yīng)對發(fā)展環(huán)境變化、把握發(fā)展自主權(quán)、提高核心競爭力的必然選擇，是加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、破解經(jīng)濟(jì)發(fā)展深層次矛盾和問題的必然選擇，是更好引領(lǐng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)、保持我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的必然選擇。”大學(xué)教育是引領(lǐng)創(chuàng)新發(fā)展的重要陣地，這就要求大學(xué)教育的職能從單純的傳播理論定律到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索、科學(xué)研究與為我國經(jīng)濟(jì)服務(wù)的轉(zhuǎn)變。延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院對石油工程專業(yè)選修課“物理法采油采氣新技術(shù)”進(jìn)行基于開放式實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式改革。

二、建立模塊化課程教學(xué)平臺

依托地域和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目優(yōu)勢，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為目標(biāo)，開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為大學(xué)生認(rèn)識油、氣田，掌握課程基本理論和石油工程采油采氣前沿知識火熱的物理法采油采氣新技術(shù)，從事物理法開采頁巖氣方案編寫，海上采油采氣平臺設(shè)計、井下工具設(shè)計以及物理法提高采收率是新技術(shù)創(chuàng)新的主要平臺。

延安大學(xué)作為一個綜合性大學(xué)，學(xué)科門類齊全，各個理工科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)施基本配備到位。石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)涉及化學(xué)、機(jī)械、物理、流體力學(xué)、計算機(jī)等各個領(lǐng)域，勢必要求石油工程專業(yè)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域發(fā)散思維，不能局限于一臺實(shí)驗(yàn)設(shè)備或者一個實(shí)驗(yàn)室，而是多種不同領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室的結(jié)合，這些都是在開放式實(shí)驗(yàn)室的前提下才能辦到的。

模塊化課程教學(xué)平臺就是在開放式實(shí)驗(yàn)平臺的基礎(chǔ)上建立的。選修課課程的設(shè)置不再局限于傳統(tǒng)的一門固定的教材，而是根據(jù)系統(tǒng)模塊化原理，以物理法采油采氣新技術(shù)的工藝技術(shù)原理為基礎(chǔ)，建立分層次，多級別的課程模塊管理系統(tǒng)，將聲波采油和聲波解堵與頁巖氣的開發(fā)結(jié)合起來，將電磁采油和采氣結(jié)合起來等整合成相對完整獨(dú)立的課程模塊。由學(xué)生按照培養(yǎng)計劃要求和個人興趣、工作需要對教學(xué)模塊進(jìn)行選擇。從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)個性化發(fā)展和創(chuàng)新能力的提高。

學(xué)生在模塊化課程教學(xué)平臺上可以選擇在開放式實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行相關(guān)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。石油學(xué)院提供院內(nèi)各實(shí)驗(yàn)室結(jié)合提供全流程實(shí)驗(yàn)平臺。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師課堂講授實(shí)驗(yàn)原理、理論定律，實(shí)驗(yàn)教師講解實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作，實(shí)驗(yàn)員準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)樣品不同；開放式實(shí)驗(yàn)室提供學(xué)生從樣品的采集，樣品的準(zhǔn)備和樣品的測試全流程的實(shí)驗(yàn)平臺。由學(xué)生進(jìn)行巖心鉆取實(shí)驗(yàn)室、油層物理實(shí)驗(yàn)室、油田化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、采油油藏實(shí)驗(yàn)室等各個實(shí)驗(yàn)室的操作，各個實(shí)驗(yàn)室由實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備指導(dǎo)，學(xué)生從被動地聽從安排到主動地申請各個實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作，可以根據(jù)自己的具體時間安排學(xué)習(xí)進(jìn)度和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，從而保證每一個學(xué)生在學(xué)完一個模塊后能夠獲得相關(guān)的技術(shù)或者工藝技能。

三、建立多手段的教學(xué)模式

1.建立在開放式實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上動畫實(shí)驗(yàn)演示平臺

學(xué)生在依托大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目提出自主設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案時，首先需要了解現(xiàn)行的常用實(shí)驗(yàn)設(shè)備是什么和開放式實(shí)驗(yàn)室平臺能夠提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有哪些。這些工作在沒有動畫實(shí)驗(yàn)演示平臺時很難操作的，尤其是專人負(fù)責(zé)的儀器設(shè)備；學(xué)生自身的時間和精力有限，社交資源匱乏，不能在有限的時間內(nèi)籌集到需要的信息。只有在建立動畫實(shí)驗(yàn)演示平臺的基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠在網(wǎng)絡(luò)上查詢需要的信息。最重要的是，學(xué)生可以通過網(wǎng)站信息平臺了解到有哪些實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以及這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠用來做什么實(shí)驗(yàn)，這樣學(xué)生在進(jìn)行項(xiàng)目申報前就已經(jīng)進(jìn)行了個性思考和組織調(diào)研等具有創(chuàng)新性能力培養(yǎng)的工作了。

動畫實(shí)驗(yàn)演示平臺可以為學(xué)生自主設(shè)計的實(shí)驗(yàn)提供儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)操作流程。學(xué)生在查詢到需要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備時，還需要了解這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備，尤其是高精尖的實(shí)驗(yàn)設(shè)備它們的儀器操作步驟。很多大型設(shè)備，多是從國外進(jìn)口，價格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，維護(hù)周期長，一旦操作失誤，會給國家和單位造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，從而會延誤科研研究和技術(shù)開發(fā)。通過建立動畫實(shí)驗(yàn)演示平臺，學(xué)生在進(jìn)行大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作時，可以邊按照平臺的指示邊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作。比如學(xué)生自主設(shè)計的聲波采油試驗(yàn)中，需要使用油藏工程實(shí)驗(yàn)室的恒速驅(qū)替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備前，必須對驅(qū)替系統(tǒng)的平流泵進(jìn)行循環(huán)試車；這個過程要求進(jìn)出水管道必須是單一液相蒸餾水，不能出現(xiàn)微小氣泡，尤其不能混入空氣；學(xué)生必須按照平臺提供的實(shí)驗(yàn)步驟一步步進(jìn)行操作，并且和顯示器所顯示的數(shù)據(jù)一一比對，不能有絲毫馬虎。在所有實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成以后，學(xué)生在進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)時，需要設(shè)定流體的驅(qū)替速度。設(shè)定的驅(qū)替速度必須在儀器的承受范圍之內(nèi)，并且要和試驗(yàn)樣品相匹配，才能使恒速驅(qū)替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在最佳的工況下運(yùn)作，這些匹配的過程就是培養(yǎng)學(xué)生的解決問題和分析問題的創(chuàng)新能力。

2.建立基于教學(xué)發(fā)展中心創(chuàng)新研發(fā)平臺

延安大學(xué)為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，建立了教學(xué)發(fā)展中心。學(xué)生可以在教學(xué)發(fā)展中心請教不同學(xué)科的教授、副教授和校外的兼職教授，高級工程師為他們提供在常規(guī)課程中學(xué)習(xí)不到的理論知識和現(xiàn)場工藝的技術(shù)指導(dǎo)。

物理法采油采氣新技術(shù)是一門與現(xiàn)場工藝結(jié)合非常緊密的課程。比如物理法開采頁巖氣中的超聲霧化排水工藝就涉及水平井頁巖氣開采中水平井段產(chǎn)出地層水的超聲霧化問題。頁巖氣在開采的過程當(dāng)中常常會出現(xiàn)氣水同產(chǎn)的現(xiàn)象，不同程度地伴有產(chǎn)層水進(jìn)入井底，而這些產(chǎn)層水也會對頁巖氣的開采造成不同程度的影響，將會嚴(yán)重地影響到頁巖氣的采收率甚至導(dǎo)致停產(chǎn)，同時這些產(chǎn)層水也會對環(huán)境造成一定的潛在污染和資源的浪費(fèi)。

學(xué)生在教學(xué)發(fā)展中心與來自頁巖氣開采一線的延長油田高級工程師經(jīng)過探討，一致認(rèn)為對頁巖氣井氣水同產(chǎn)的問題，主要集中在如何豐富氣井資料的研究基礎(chǔ)上，對頁巖氣水平井地層出水規(guī)律進(jìn)行定量描述和預(yù)測，并結(jié)合氣體滲流理論利用超聲霧化設(shè)備進(jìn)行探討氣水同流的機(jī)理。最后學(xué)生給出了自主設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案和施工工藝步驟，即收集頁巖氣水平井開采方式及使用量、氣井產(chǎn)量、氣井伴生產(chǎn)出地層水量等基礎(chǔ)資料，確定采樣方案。進(jìn)行超聲波霧化地層水實(shí)驗(yàn)，對超聲波霧化地層水規(guī)律進(jìn)行研究，并結(jié)合氣井產(chǎn)量、巖心對超聲波不同頻率，不同功率、不同作用方式對超聲波霧化模式進(jìn)行刻畫。準(zhǔn)備氣舉試驗(yàn)所需材料，采集頁巖氣不同烴類組分的氣體樣品，并對樣品進(jìn)行前期處理，在采油工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氣舉試驗(yàn)，分析在不同烴類組分氣體流量下的攜帶液體的能力。最后，進(jìn)行頁巖氣水平井超聲波排水增產(chǎn)現(xiàn)場試驗(yàn)，給出超聲波排水增產(chǎn)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用模式。

3.建立校企合作模式下的現(xiàn)場教學(xué)模式

在實(shí)現(xiàn)高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和企業(yè)單位聯(lián)合的創(chuàng)新模式指導(dǎo)下，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，可以轉(zhuǎn)變單一的學(xué)校內(nèi)的課程教學(xué)為校企聯(lián)合的現(xiàn)場教學(xué)。一則可以彌補(bǔ)高校缺乏大型和高精尖設(shè)備的短板，二則可以鍛煉學(xué)生的思考和實(shí)踐能力。只有緊密和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，解決生產(chǎn)實(shí)際中出現(xiàn)的問題，才能快速提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

開展本科生或者研究生常駐研究院所的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，研究院所的高級別科研人員從事的大多是開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，所解決的大多都是學(xué)科前沿未曾面臨的科研難題。本科生或者研究生常駐研究院所，參與這些科研實(shí)驗(yàn)和相關(guān)的科研小組討論，可以極大開闊學(xué)生的眼界，學(xué)習(xí)相應(yīng)的創(chuàng)新方法和創(chuàng)新思路，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

石油學(xué)院的研究生常駐位于西安的延長研究院，開發(fā)了多種物理法采油采氣技術(shù)，尤其在頁巖氣領(lǐng)域。在水平井開采頁巖氣的過程中面臨著頁巖氣井水平段產(chǎn)出水水淹的問題。為了解決這個問題，學(xué)生和科研人員進(jìn)行了大量的自行設(shè)計的實(shí)驗(yàn)，不僅給出了相關(guān)的科研報告，還與企業(yè)聯(lián)合申請了相關(guān)的發(fā)明專利，極大鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

四、建立學(xué)生自主探索選修課教學(xué)和創(chuàng)新能力的考核體系

轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的課堂教師教授實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教師講授實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)員準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)樣品，為學(xué)生根據(jù)學(xué)科前沿知識自主選擇研究方向、自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案、自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)操作、自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的自主探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。面臨物理法采油采氣新技術(shù)選修課課程中的頁巖氣勘探開發(fā)的學(xué)科前沿，學(xué)生自主選擇了頁巖氣的產(chǎn)出機(jī)理方向，自主設(shè)計了研究頁巖氣的解析吸附實(shí)驗(yàn)方案，利用油田化學(xué)實(shí)驗(yàn)室和油層物理實(shí)驗(yàn)室以及跨學(xué)科的環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)中的分光儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備，給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和公式擬合，給出了相關(guān)的研究報告。

基于開放式實(shí)驗(yàn)室的選修課的教學(xué)不再以考核學(xué)生對技術(shù)原理和工藝知識的掌握程度為目標(biāo)，而是以學(xué)生利用現(xiàn)有的技術(shù)手段和實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行未知領(lǐng)域探索和研究的創(chuàng)新能力的考核為目標(biāo)。第一是考核學(xué)生的對學(xué)科前沿的把握程度，是否能夠及時了解學(xué)科前沿的研究進(jìn)度。第二是考核學(xué)生對未知領(lǐng)域問題的思考能力，只有深入思考，才能提出可行的實(shí)驗(yàn)方案，并能對實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的結(jié)果有一定的分析處理能力。因此，從選修課的選擇，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計、實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理等幾個方面入手建立有利于培養(yǎng)創(chuàng)新能力的考核體系。

五、結(jié)語

石油工程專業(yè)選修課“物理法采油采氣新技術(shù)”的教學(xué)改革不是簡單地通過傳統(tǒng)的單一課堂講授原理和實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行本科生實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的，而是通過建立在開放式實(shí)驗(yàn)平臺上的模塊化課程教學(xué)、多手段的教學(xué)模式和自主探索與創(chuàng)新能力考核體系上的。這讓我們深深感受到，轉(zhuǎn)變專業(yè)選修課教學(xué)思想，專業(yè)選修課教學(xué)手段，要進(jìn)一步注重專業(yè)選修課的技術(shù)更新，才能更好地提供有利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生動手解決實(shí)際問題的能力。

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