基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的滲流物理實(shí)驗(yàn)對(duì)分課堂教學(xué)模式初探

樊冬艷， 孫致學(xué)， 付帥師， 呂愛民， 杜殿發(fā), 谷建偉， 陳付真

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

基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的滲流物理實(shí)驗(yàn)對(duì)分課堂教學(xué)模式初探

樊冬艷， 孫致學(xué)， 付帥師， 呂愛民， 杜殿發(fā), 谷建偉， 陳付真

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

針對(duì)滲流物理實(shí)驗(yàn)課堂現(xiàn)狀，以及部分實(shí)驗(yàn)高溫高壓環(huán)境、抽象性強(qiáng)等特點(diǎn)，基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和模塊化教學(xué)方式，本文提出了滲流物理實(shí)驗(yàn)課程的對(duì)分課堂實(shí)施方案。首先，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊化，把15項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分為6大模塊進(jìn)行系統(tǒng)講授，其次，基于仿真平臺(tái)安全和重復(fù)性等特點(diǎn)，學(xué)生利用一周時(shí)間進(jìn)行內(nèi)化吸收，最后，進(jìn)行課堂討論和分組實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，對(duì)分課堂提高了學(xué)生的積極性和參與度，理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果有了明顯提升，同時(shí)對(duì)學(xué)生和教師也是一種大膽的嘗試和創(chuàng)新。

滲流物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 仿真平臺(tái)； 模塊化教學(xué)； 對(duì)分課堂

0 引 言

實(shí)踐作為檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中扮演著舉足輕重的戰(zhàn)略地位[1-3]。滲流物理實(shí)驗(yàn)[4-5]作為石油工程專業(yè)課程油層物理[6]和滲流力學(xué)[7]的延伸和拓展，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，圍繞油藏巖石和流體的物理和滲流特征，依托國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心——“石油工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，系統(tǒng)開設(shè)了15個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。針對(duì)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)生主動(dòng)預(yù)習(xí)的積極性不高，機(jī)械地按部就班完成實(shí)驗(yàn)操作，無法發(fā)揮和體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力等問題，提出了基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)滲流物理實(shí)驗(yàn)對(duì)分課堂教學(xué)模式，并在實(shí)踐教學(xué)過程中受到了學(xué)生們的積極肯定，提高了學(xué)生自我學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)動(dòng)手和獨(dú)立思考能力也有了很大的提升。

1 滲流物理實(shí)驗(yàn)對(duì)分課堂的必要性

對(duì)分課堂教學(xué)模式(PAD模式)由張學(xué)新教授[8,9]根據(jù)國(guó)內(nèi)大學(xué)課堂現(xiàn)狀提出的，把教學(xué)在時(shí)間上分為講授、內(nèi)化吸收和討論3個(gè)步驟，把一半課堂時(shí)間分配給教師進(jìn)行講授，另一半分配給學(xué)生以討論的形式進(jìn)行相互式學(xué)習(xí)。孫致學(xué)老師[10]結(jié)合滲流物理實(shí)驗(yàn)的特殊性，設(shè)計(jì)了滲流物理實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有開放重復(fù)性、仿真性和移動(dòng)性等特點(diǎn)。針對(duì)滲流物理實(shí)驗(yàn)采用基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的對(duì)分課堂教學(xué)模式主要基于以下考慮：

(1) 滲流物理實(shí)驗(yàn)課程是圍繞油氣層地下幾km的物理及滲流過程而設(shè)計(jì)的，因此，部分實(shí)驗(yàn)必須在高溫高壓下進(jìn)行，溫度一般在40～60℃，壓力一般在20 MPa，故在實(shí)驗(yàn)過程中具有一定的危險(xiǎn)性，學(xué)生在沒有做預(yù)習(xí)和操作不當(dāng)?shù)那闆r下非常危險(xiǎn)，所以在講解基本概念和原理后有個(gè)內(nèi)化吸收過程是非常有必要的。

(2) 實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為地下的油氣資源，深埋在地下，看不見摸不著，因此涉及到的概念和機(jī)理具有一定的抽象性和復(fù)雜性；其次相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器昂貴復(fù)雜，操作不規(guī)范容易使實(shí)驗(yàn)儀器損壞，耽誤正常分組實(shí)驗(yàn)和教學(xué)進(jìn)度。為此，在實(shí)戰(zhàn)操作之前，每位同學(xué)通過仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，深入理解理論難點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵操作方法，平臺(tái)的可視化、可修正和可重復(fù)等特征打破了時(shí)間和空間限制，通過仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬后如圖1所示，再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)操作，大大提高了學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果和積極性。

(a) 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

(b) 實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)

圖1 流體PVT高壓物性仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)對(duì)比

(3) 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程主要分為老師講解和學(xué)生操作兩部分，沒有消化和討論過程，導(dǎo)致學(xué)生的主動(dòng)性不強(qiáng)，且只是按照標(biāo)準(zhǔn)步驟指導(dǎo)學(xué)生機(jī)械完成實(shí)驗(yàn)過程，調(diào)查表明學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果不理想，大部分學(xué)生往往是在對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和步驟不太理解的情況下完成操作，難以發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性，因此在討論后進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生更加主動(dòng)和自信。

2 滲流物理實(shí)驗(yàn)對(duì)分課堂的教學(xué)實(shí)施

為了對(duì)比和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，在2015～2016年度第二個(gè)學(xué)期首先針對(duì)石油工程卓越工程師班進(jìn)行試點(diǎn)教學(xué)，共2個(gè)班，每班30個(gè)學(xué)生，共60人。該實(shí)驗(yàn)課程共24個(gè)學(xué)時(shí)，包含15個(gè)實(shí)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容豐富，采用模塊化教學(xué)方式[11]，把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為6個(gè)模塊(① 油藏流體物性分析；② 巖石礦物組成分析；③ 巖心骨架和孔隙物性分析；④ 儲(chǔ)層滲透率分析；⑤ 特殊巖心物性分析；⑥ 水電模擬滲流實(shí)驗(yàn))，除第一堂和最后一堂2個(gè)學(xué)時(shí)，其他每個(gè)教學(xué)模塊4個(gè)學(xué)時(shí)。

2.1課程設(shè)計(jì)及安排

針對(duì)滲流物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀，對(duì)分課堂主要分為教學(xué)模塊講授、基于仿真平臺(tái)的內(nèi)化吸收、討論與實(shí)驗(yàn)。每3個(gè)人一組，每班10組，每次5組同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)施步驟見圖2。

圖2 對(duì)分課堂實(shí)施步驟

由圖2可見，除了第一次是標(biāo)準(zhǔn)的2個(gè)學(xué)時(shí)，主要用于對(duì)分課堂模式的說明以及第一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的理論講授，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行滲流物理仿真平臺(tái)的操作使用；其它為4個(gè)學(xué)時(shí)，主要包括：① 該實(shí)驗(yàn)?zāi)K的理論回顧以及實(shí)驗(yàn)具體細(xì)節(jié)討論，考察學(xué)生們是否已經(jīng)理解和明確實(shí)驗(yàn)原理和過程，并發(fā)揮學(xué)生的積極主動(dòng)性，其次強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)安全須知，確保學(xué)生們?cè)谡_安全的情況下完成實(shí)驗(yàn)；② 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，3人一組分工明確，確保實(shí)驗(yàn)在有序和思路清晰的情況下完成；③ 上一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交以及下一個(gè)模塊的理論講授。

2.2仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

滲流物理仿真平臺(tái)是借助現(xiàn)代無線通信技術(shù)，豐富的網(wǎng)絡(luò)教育資源，以及隨處可見的手機(jī)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)學(xué)習(xí)，突破了時(shí)間和空間的限制，非常適用于對(duì)分課堂的內(nèi)化吸收過程。學(xué)生通過手機(jī)利用碎片化時(shí)間即可輕松實(shí)現(xiàn)高溫高壓實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)通過滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、點(diǎn)擊等操作即可完成仿真實(shí)驗(yàn)，且在設(shè)計(jì)過程中，每一步都附帶文字說明，讓學(xué)生在操作過程中理解實(shí)驗(yàn)原理。仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有可重復(fù)性的特點(diǎn)，在前一次實(shí)驗(yàn)操作失敗的情況下，可以重新開始，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，有助于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

2.3反饋及考評(píng)方式

反饋主要是針對(duì)在上一組實(shí)驗(yàn)操作中容易出現(xiàn)的問題，進(jìn)行重點(diǎn)說明，共同交流討論避免類似問題重復(fù)出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)課程沒有最終考試，因此更加注重過程學(xué)習(xí)，其中6個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K15分，包括仿真平臺(tái)模擬5分，實(shí)驗(yàn)報(bào)告5分，實(shí)踐操作表現(xiàn)5分，還有10分為平時(shí)積極發(fā)言討論分值，共計(jì)100分。

3 對(duì)分課堂結(jié)合仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的心得

對(duì)分課堂在張學(xué)新教授2014年提出后，相對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂，取舍折中，更加符合國(guó)內(nèi)大學(xué)的教學(xué)實(shí)際，在全國(guó)得到了迅速的推廣及應(yīng)用[12-16]，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比存在明顯的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)分課堂的教學(xué)也對(duì)教師和學(xué)生提出了進(jìn)一步的要求和挑戰(zhàn)。

3.1與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)比

首先，對(duì)分課堂學(xué)生相對(duì)傳統(tǒng)課堂更加積極，課堂氣氛更加熱烈，通過一周的內(nèi)化吸收，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和操作過程已經(jīng)有了基本了解，所以在問題討論過程中，大家都有理可依，給了學(xué)生更好地溝通和展示機(jī)會(huì)，大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的參與度；而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，大部分學(xué)生在毫無任何準(zhǔn)備的情況下步入實(shí)驗(yàn)室，講解完實(shí)驗(yàn)操作步驟，也難以理解實(shí)驗(yàn)原理。其次，對(duì)分課堂有利于教學(xué)相長(zhǎng)，促進(jìn)師生感情，傳統(tǒng)教學(xué)只是老師講授實(shí)驗(yàn)原理和步驟，然后學(xué)生按照標(biāo)準(zhǔn)步驟完成實(shí)驗(yàn)過程，缺乏對(duì)分課堂的內(nèi)化吸收和交流反饋環(huán)節(jié)，而正是這兩個(gè)環(huán)節(jié)給了學(xué)生和教師進(jìn)一步溝通的機(jī)會(huì)，在學(xué)生疑問中教師也在成長(zhǎng)，例如在利用落球法測(cè)量原油黏度實(shí)驗(yàn)討論中，學(xué)生指出能否采用水來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，最后學(xué)生在測(cè)試水黏度的過程中再現(xiàn)了密度測(cè)量過程，體現(xiàn)了學(xué)生們的探索和創(chuàng)新思維，不再是驗(yàn)證性的機(jī)械操作，促進(jìn)了師生交流。

3.2對(duì)分課堂教學(xué)的挑戰(zhàn)

對(duì)分課堂相對(duì)傳統(tǒng)課堂更加靈活，每個(gè)模塊4 h的課程時(shí)間，需要教師根據(jù)每個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和形式，安排好講授和討論實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，而不用嚴(yán)格規(guī)定為1∶1的時(shí)間分配，因此教師需要夯實(shí)的理論基礎(chǔ)，強(qiáng)大的課堂駕馭能力和引導(dǎo)能力，對(duì)教師特別是經(jīng)驗(yàn)不足的新教師是一個(gè)較大挑戰(zhàn)。

學(xué)生也必須從傳統(tǒng)課堂的被動(dòng)學(xué)習(xí)中及時(shí)轉(zhuǎn)變，化被動(dòng)為主動(dòng)，基于實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)每個(gè)人都有內(nèi)化吸收的過程記錄，在討論階段個(gè)人經(jīng)驗(yàn)問題共同分享，再分組實(shí)驗(yàn)；在此過程中，需要學(xué)生們課下消化，課上思考交流，最后實(shí)踐證明，因此，每一模塊的實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生都是一個(gè)理論到實(shí)踐的探索過程。

仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的完善和維護(hù)對(duì)教師而言，是另一個(gè)較大而繁瑣的工作量，這部分勞動(dòng)是課時(shí)以外的，且時(shí)間分散，目前學(xué)校還沒有統(tǒng)一維護(hù)人員。

4 結(jié) 語

本文闡述了對(duì)分課堂在滲流物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的應(yīng)用，根據(jù)目前存在的問題分析了對(duì)分課堂的必要性和實(shí)施過程，首先在理論講授后，基于實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)更有效地進(jìn)行內(nèi)化吸收，采用模塊化教學(xué)把滲流物理實(shí)驗(yàn)劃分為6個(gè)模塊，每個(gè)模塊4個(gè)課時(shí)，更有效地實(shí)施討論和分組實(shí)驗(yàn)，形成了一套集教學(xué)、學(xué)習(xí)、討論反饋、實(shí)驗(yàn)為一體的對(duì)分課堂教學(xué)模式，且有利益于對(duì)學(xué)生進(jìn)行過程考核。基于實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的滲流物理實(shí)驗(yàn)對(duì)分課堂，更加體現(xiàn)了高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的嘗試，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高了學(xué)生參與度，同時(shí)教學(xué)相長(zhǎng)，奠定和鍛煉了學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)求知探新的能力。

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PADClassTeachingResearchofFlowinPorousMediaandPetrophysicsExperimentsBasedonSimulationPlatform

FANDongyan,SUNZhixue,FUShuaishi,LüAiming,DUDianfa,GUJianwei，CHENFuzhen

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

According to the teaching status of the flow in porous media and petrophysics experiments, as well as high temperature and high pressure environment and strong abstraction in some experiments, the presentation-assimilation-discussion (“PAD”) mode of experiment teaching has been presented based on the simulation experimental platform and modularized teaching method. First of all, the experimental content is modularized, 15 experiments are divided into 6 modules. Secondly, students take one week to absorb experiment content using the simulation experimental platform, which is safe and repeatable. Finally, classroom discussions and group experiments are conducted. The results show that the PAD mode has improved the students’ enthusiasm and participation, and the effect of theory and experiment teaching has been improved obviously. Meanwhile, it is also a bold attempt and innovation for students and teachers.

experimental teaching of flow in porous media and petrophysics; simulation experimental platform; modularized teaching method; presentation-assimilation-discussion class

TE 348； G 434

A

1006-7167(2017)09-0153-03

2016-11-15

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(51490654)；國(guó)家自然科學(xué)青年基金(51504277)；山東省教學(xué)改革項(xiàng)目(B2016M008)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項(xiàng)目(QN201504，QN201604)

樊冬艷(1985-)，女，江西南昌人，博士，講師，研究方向：油氣滲流理論的教學(xué)和研究。Tel.:18561302763; E-mail:fandongyan2010@126.com