革新水電模擬滲流實(shí)驗(yàn) 依托開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)翻轉(zhuǎn)課堂

付帥師， 王增寶， 李愛芬， 樊冬艷， 呂愛民， 耿 杰

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

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[1-3]。水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)基于水電相似原理，應(yīng)用直觀可操作的水電場(chǎng)在實(shí)驗(yàn)室中模擬復(fù)雜抽象的滲流場(chǎng)，能夠真實(shí)地反映地下穩(wěn)定滲流場(chǎng)的滲流規(guī)律，模擬各種復(fù)雜的邊界條件和井網(wǎng)條件，用水電場(chǎng)參數(shù)來計(jì)算油水井產(chǎn)量(注入量)、等勢(shì)線分布、流線分布等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可用來檢驗(yàn)數(shù)值模擬和滲流模型解析解的準(zhǔn)確性，幫助學(xué)生掌握和理解各種不同形式油藏和生產(chǎn)井網(wǎng)條件下的不可壓縮流體穩(wěn)定滲流所涉及到的各種問題和知識(shí)。因此，水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)在滲流物理實(shí)驗(yàn)和滲流力學(xué)的課程教學(xué)和實(shí)踐中具有重要的地位和意義[4-9]。

水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要包括水電模擬平面徑向穩(wěn)定滲流實(shí)驗(yàn)以及在此基礎(chǔ)之上的水電模擬鏡像反映實(shí)驗(yàn)，是滲流物理實(shí)驗(yàn)課程中典型的“三性”實(shí)驗(yàn)?zāi)K，對(duì)學(xué)生實(shí)踐操作和教師課堂教學(xué)有較高的要求。而傳統(tǒng)的講授式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法在水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐中并沒有很好的教學(xué)效果，不能保證學(xué)生在理解復(fù)雜理論知識(shí)的同時(shí)明確清晰的實(shí)驗(yàn)方案，導(dǎo)致部分學(xué)生在機(jī)械地依照講義重復(fù)試驗(yàn)步驟，不利于發(fā)揮學(xué)生的探索能力和創(chuàng)造性思維。探究如何在有限學(xué)時(shí)的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提高學(xué)生的認(rèn)知和實(shí)驗(yàn)及理論探究水平，是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，凝練實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的必經(jīng)之路[10-11]。總結(jié)幾年來的水電模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和經(jīng)驗(yàn)，依托我校石油工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和開放實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)方案和教學(xué)方法的改革與實(shí)踐，引入并改進(jìn)了適應(yīng)此類綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)法[12-16]，有效保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前展后拓效果，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

1 水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)改革方法

在水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)K幾年來的教學(xué)實(shí)踐過程中，總結(jié)出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在授課和學(xué)生操作過程中容易出現(xiàn)的問題，經(jīng)過不斷的試驗(yàn)和分析，提出了針對(duì)各種問題的改革方法，并應(yīng)用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了不錯(cuò)的效果。

1.1 存在的問題

(1) 傳統(tǒng)的水電模擬實(shí)驗(yàn)介質(zhì)是銅帶和硫酸銅溶液，分別模擬穩(wěn)定滲流時(shí)的邊界條件和流體介質(zhì)，但是在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過程中，由于模擬油藏邊界所用的銅帶和銅片很難達(dá)到100%純度，其中含有的金屬雜質(zhì)會(huì)與硫酸銅溶液中的銅離子發(fā)生置換反應(yīng)，造成實(shí)驗(yàn)過程中電導(dǎo)率的改變，并且置換反應(yīng)的發(fā)生加劇了銅帶的腐蝕，生成銅銹，大大降低了銅帶和銅制生產(chǎn)井和探針的導(dǎo)電性能，使實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電流和電壓存在較大的誤差，影響實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性。

(2) 在測(cè)量流場(chǎng)等勢(shì)線的實(shí)驗(yàn)中，通常選用“連接電橋測(cè)電流法”，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)需逐步調(diào)整儀器電阻，以完成電橋的連接(見圖1、2)，調(diào)節(jié)時(shí)用試錯(cuò)法比較費(fèi)時(shí)，并且在學(xué)生實(shí)踐操作中經(jīng)常出現(xiàn)電路短路和燒壞電表等情況，影響了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行，所以有必要探索一種更便捷精確的測(cè)定流場(chǎng)中等勢(shì)線的新方法。

圖1 連接電橋法儀器圖

圖2 連接電橋測(cè)電流法原理圖

(3) 實(shí)驗(yàn)中模擬生產(chǎn)井和測(cè)定電壓電流所用的探針都是用同樣規(guī)格的銅絲做成，會(huì)造成一定的實(shí)驗(yàn)誤差。在固定模擬井時(shí)使用了平衡支架，對(duì)模擬場(chǎng)的測(cè)量范圍造成了影響，測(cè)定時(shí)探針在模擬場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)受到了限制，使得測(cè)定數(shù)據(jù)不夠完整，因此應(yīng)對(duì)模擬井固定裝置進(jìn)行改進(jìn)。

1.2 改變實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)介質(zhì) 增加流場(chǎng)穩(wěn)定性

為了解決傳統(tǒng)硫酸銅溶液和儀器的強(qiáng)腐蝕性特征，選取幾種不同的電解質(zhì)溶液(氯化鈉，硫酸鈉和氯化鎂等)，優(yōu)選穩(wěn)定防腐蝕、更適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)和操作的穩(wěn)定電解質(zhì)溶液體系。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，選用了氯化鈉溶液作為新型電解質(zhì)溶液體系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度不變時(shí)，在連續(xù)進(jìn)行水電模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試操作24 h后，溶液的電導(dǎo)率值基本不變。在20次課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)過后，模擬邊界和生產(chǎn)井用的銅帶和探針表面沒有明顯腐蝕銅銹痕跡，因此用氯化鈉溶液作為新的電解質(zhì)溶液體系具有較高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，同時(shí)氯化鈉溶液為無色透明溶液，方便學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)觀察流場(chǎng)中模擬井和邊界的位置關(guān)系等。圖3所示為測(cè)得的氯化鈉溶液電導(dǎo)率關(guān)系圖版，方便學(xué)生配制溶液。

圖3 氯化鈉溶液電導(dǎo)率圖版

1.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程 提高可操作性

連接電橋法操作復(fù)雜，且只能測(cè)定選定電壓下的等勢(shì)點(diǎn)位置，方法不夠直接，在保證實(shí)驗(yàn)精度的基礎(chǔ)上，提出了“直接測(cè)電壓法”測(cè)定流場(chǎng)中等勢(shì)線分布和壓降漏斗曲線的新方法。直接測(cè)電壓法實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。

圖4 直接測(cè)電壓法流場(chǎng)電勢(shì)測(cè)試流程圖

將改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，綜合分析14個(gè)班級(jí)100多組學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況，實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)到100%，以往測(cè)量電橋法的電表?yè)p壞率在10%左右，直接測(cè)量電壓法的儀表?yè)p壞率降低到了2%以下。并且新的實(shí)驗(yàn)方法能夠很好地應(yīng)用于井筒附近壓降漏斗曲線的直接測(cè)試(水電模擬平面徑向穩(wěn)定滲流實(shí)驗(yàn))，以及滲流場(chǎng)中不同等勢(shì)線分布直接測(cè)試(水電模擬鏡像反映實(shí)驗(yàn))，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的精度，實(shí)驗(yàn)方法快捷且具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和可操作性，在保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)完善的同時(shí)提高了實(shí)驗(yàn)的效率，具有很好的實(shí)際應(yīng)用效果。

1.4 改革實(shí)驗(yàn)測(cè)試線路 提高實(shí)驗(yàn)精度

區(qū)分模擬井探針和測(cè)試探針，將測(cè)試探針換成只有模擬井直徑1/5的紫銅絲，在保證了測(cè)試探針良好電導(dǎo)率的同時(shí)，滿足了模擬井與真實(shí)井筒之間幾何相似系數(shù)的科學(xué)性，有效區(qū)分測(cè)試探針和模擬井規(guī)格尺寸，極大地減小了因探針尺寸過大對(duì)測(cè)試結(jié)果精度造成的誤差。同時(shí)，由于井筒附近壓降急劇，數(shù)據(jù)變化較大，超細(xì)探針在測(cè)量近井地帶的電位分布時(shí)具有很好的適用性，精確度高且容易精準(zhǔn)控制位置分布。

去除固定模擬井的電解質(zhì)溶液池頂部平衡支架，采用池底單邊固定模擬生產(chǎn)井探針的形式，避免了池頂平衡支架對(duì)模擬場(chǎng)測(cè)量范圍造成的影響，測(cè)定時(shí)探針在模擬場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)不受儀器支架系統(tǒng)的限制，延展了測(cè)定數(shù)據(jù)范圍的寬廣度，使得學(xué)生能夠獲得更全面精確的模擬滲流場(chǎng)原始數(shù)據(jù)，便于實(shí)驗(yàn)處理和誤差分析，讓學(xué)生對(duì)滲流場(chǎng)的認(rèn)知更進(jìn)一步。

1.5 引入設(shè)計(jì)性操作模塊 提升實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造性

水電模擬平面徑向穩(wěn)定滲流實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和必做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，模擬了圓形地層中間一口直井在穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)的滲流問題，要求學(xué)生掌握油井產(chǎn)量與生產(chǎn)壓差的關(guān)系以及油井附近壓力降落曲線的測(cè)試。由于模擬井探針和模擬邊界銅帶的限制，沒能提供出更具有多樣性的模擬對(duì)象。因此引入了自拼接式模擬井探針組件以及不同形狀生產(chǎn)邊界，用來模擬復(fù)雜井網(wǎng)系統(tǒng)、水平井、多分支井、方形邊界以及直線供給邊界等復(fù)雜滲流力學(xué)問題，讓學(xué)生在完成平面徑向穩(wěn)定滲流測(cè)試的同時(shí)，依照自己的興趣，發(fā)揮創(chuàng)造性，設(shè)計(jì)并測(cè)定復(fù)雜條件下的滲流場(chǎng)壓力分布問題。設(shè)計(jì)性模塊的引入極大地發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)性特點(diǎn)。圖5為學(xué)生自行拼接設(shè)計(jì)的多樣性井型。

直井水平井多分支井方形邊界中心—口水平分支井

圖5 學(xué)生自行設(shè)計(jì)的多樣性井型

2 依托開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

關(guān)于水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)K，傳統(tǒng)的教學(xué)方法為教師課堂講授，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作，過程中學(xué)生與老師交流問題和解決方法，課后學(xué)生分析數(shù)據(jù)并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于本模塊實(shí)驗(yàn)原理復(fù)雜，儀器操作步驟較多，講授式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的總體效果并不好，部分學(xué)生反映不能透徹理解實(shí)驗(yàn)原理，造成實(shí)驗(yàn)操作過程中狀況頻出。

依托我校石油工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心開放實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)，結(jié)合網(wǎng)上視頻學(xué)習(xí)系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)，引入了適用于水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)K的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。主要教學(xué)流程如圖6所示?；跐B流物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)的模式，針對(duì)水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)這一“三性”實(shí)驗(yàn)?zāi)K，改變傳統(tǒng)結(jié)果傳授式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，依托開放式實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)的便捷溝通渠道，充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，做到課前保證學(xué)生理論學(xué)習(xí)的目的性和自主設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性；課上翻轉(zhuǎn)課堂，保證教的針對(duì)性和學(xué)的成效性，在解疑答惑的基礎(chǔ)之上完成理論在實(shí)驗(yàn)研究中的實(shí)踐和應(yīng)用；課后充分利用開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成實(shí)驗(yàn)成果分析，報(bào)告批閱審查，問卷填寫調(diào)研，教學(xué)方法總結(jié)和效果分析。此外，針對(duì)模塊內(nèi)兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，逐層遞進(jìn)，從平面徑向穩(wěn)定滲流實(shí)驗(yàn)的講授討論教學(xué)引申到鏡像反映實(shí)驗(yàn)的討論式教學(xué)，從復(fù)雜理論的深入學(xué)習(xí)和講授到理論的延伸和實(shí)踐，經(jīng)過學(xué)習(xí)-翻轉(zhuǎn)課堂-學(xué)習(xí)-再翻轉(zhuǎn)的四學(xué)時(shí)兩次實(shí)驗(yàn)的“遞進(jìn)式翻轉(zhuǎn)課堂”模塊教學(xué)，最大程度的發(fā)揮了教與學(xué)的針對(duì)性，從結(jié)果傳授式的傳統(tǒng)教學(xué)真正轉(zhuǎn)變成過程經(jīng)歷式的教學(xué)模式，通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，讓學(xué)生深刻探究和學(xué)習(xí)水電模擬滲流的理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)。

圖6 水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)K翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法

3 革新后的教學(xué)效果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)升級(jí) 突顯創(chuàng)新設(shè)計(jì)性

經(jīng)過對(duì)水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)K兩部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革，實(shí)驗(yàn)設(shè)備改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)方案更新，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的革新，突顯了本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的創(chuàng)新設(shè)計(jì)性，大大提高了學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)?zāi)K的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)參與度。通過問卷調(diào)查，對(duì)400份數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析，在50%以上的學(xué)生眼中，水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)是比較兼重理論和實(shí)踐的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(見圖7)；而57%的學(xué)生認(rèn)為，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目真正發(fā)揮了設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)本該有的教學(xué)效果(見圖8)；90%以上的學(xué)生表示自己對(duì)水電模擬創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K有興趣或有較高興趣(見圖9)。

圖7 水電模擬實(shí)驗(yàn)難易程度調(diào)查圖8 水電模擬實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)性程度調(diào)查

圖9 創(chuàng)新設(shè)計(jì)性模塊實(shí)驗(yàn)興趣度調(diào)查

3.2 翻轉(zhuǎn)課堂 突破傳統(tǒng)局限性

通過引入針對(duì)本實(shí)驗(yàn)的遞進(jìn)式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，打破了以往講授式實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的局限性，讓學(xué)生通過認(rèn)真自學(xué)設(shè)計(jì)和課堂翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)實(shí)踐，真正掌握復(fù)雜的水電模擬理論知識(shí)，并將理論知識(shí)充分應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試探索中，做到通過相似原理用直觀水電場(chǎng)的表象數(shù)據(jù)反求復(fù)雜滲流場(chǎng)的理論特征，以討論為學(xué)，以教為學(xué)，以探索為學(xué)，將有限課堂時(shí)間內(nèi)的教與學(xué)的效果最大化。圖10為學(xué)生對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法的認(rèn)可程度調(diào)查，一半以上的學(xué)生認(rèn)為本方法具有很好的效果，這也印證了靈活多變以及針對(duì)課程特點(diǎn)的適應(yīng)性強(qiáng)的教學(xué)方法在日常課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要性。

圖10 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法學(xué)生認(rèn)可度調(diào)查

4 結(jié) 語

通過總結(jié)水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)開展過程中的不足，升級(jí)實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)介質(zhì)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程和儀器設(shè)備部件，很大程度上提高了實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性、精確性和可操作性。引入設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K，提升了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)性和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，徹底突破了傳統(tǒng)教學(xué)方法在水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的弊端和局限，取得了很好的成效。水電模擬滲流實(shí)驗(yàn)仍然是滲流力學(xué)和滲流物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要理論和實(shí)踐組成部分，努力變革固有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和研究更有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，是提高教學(xué)效果以及學(xué)生理論和實(shí)踐知識(shí)水平的必經(jīng)道路。