新工科背景下的鉆井液設(shè)計(jì)實(shí)踐與課程建設(shè)

曹曉春 花露露 焦昱璇

摘 ?要：基于新工科建設(shè)的要求，根據(jù)健康、安全與環(huán)境管理（HSE）全面引入石油工程所有課程的情況，鉆井液及其設(shè)計(jì)的教學(xué)方式、課程目標(biāo)以及對(duì)學(xué)生畢業(yè)能力、設(shè)計(jì)實(shí)踐的要求均做了相應(yīng)的改革。比較分析了線上教學(xué)與混合式教學(xué)效果，研究修訂了新工科背景下混合式教學(xué)的教學(xué)大綱及效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐等活動(dòng)全面培養(yǎng)和提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：新工科;鉆井液設(shè)計(jì);混合式教學(xué);教學(xué)評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：G640 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）S1-0082-04

Abstract： Based on the request of new engineering construction in Chinese universities， health， security and environmental management （HSE） has been introduced into all courses in Petroleum Engineering. Teaching methods and course goals were reformed as well as graduation capacity and designing practice for students majoring drilling fluids. Teaching effects of the existing blended teaching method were compared with those of online teaching methods in 2020. Teaching syllabus and effect evaluation index system were revised. The students' practice ability has been cultivated and enhanced by the way of innovation and entrepreneurship practice and other activities.

Keywords： new engineering; drilling fluid design; blended teaching; teaching evaluation

石油與天然氣是我國(guó)重要的能源和戰(zhàn)略資源，從1959年大慶油田“松基三井”產(chǎn)油開(kāi)始，我國(guó)的石油天然氣行業(yè)就為新中國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和能源安全提供了堅(jiān)實(shí)的保障。然而，根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》的最新統(tǒng)計(jì)，我國(guó)石油與天然氣對(duì)外依存度分別為73%和41%;2021年我國(guó)后疫情時(shí)代的經(jīng)濟(jì)仍然持續(xù)向好，進(jìn)一步刺激了能源需求，以至在全球碳排放總量的份額中占到30%以上。綠色安全生產(chǎn)及石油與天然氣的大力度勘探開(kāi)發(fā)均對(duì)石油工程的新工科建設(shè)提出了更高要求，所有專(zhuān)業(yè)課程均需要大篇幅引入健康、安全和環(huán)境管理（HSE）及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。同時(shí)，為了強(qiáng)調(diào)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力，在適當(dāng)縮減理論教學(xué)學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)上，增加學(xué)生的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐學(xué)時(shí)。

一、線上教學(xué)與混合式教學(xué)效果的評(píng)價(jià)

石油工程是東北石油大學(xué)的主干專(zhuān)業(yè)，是全國(guó)重點(diǎn)學(xué)科，專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)內(nèi)容除了要考慮思政元素外，還要向清潔能源、新能源、非常規(guī)油氣（如頁(yè)巖油/氣）等領(lǐng)域傾斜。所屬的油氣井工程也是國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，有國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)在正面臨著專(zhuān)業(yè)課程及設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)大綱、教案及教學(xué)內(nèi)容的全方位改革。例如，鉆井液工藝原理課程由48學(xué)時(shí)縮減為32學(xué)時(shí)，鉆井工程設(shè)計(jì)則由短學(xué)期的實(shí)踐活動(dòng)調(diào)整為32學(xué)時(shí)的實(shí)踐課程。

（一）線上教學(xué)

2020年上半年，我們利用直播和錄播的形式，引導(dǎo)因新冠肺炎疫情而居家的大三學(xué)生（石油工程專(zhuān)業(yè)7個(gè)本科生班級(jí)）學(xué)習(xí)48學(xué)時(shí)的鉆井液工藝原理課程。在本校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上，我們上傳了自行精心錄制的26個(gè)時(shí)長(zhǎng)均約45分鐘的教學(xué)視頻，供學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。及時(shí)與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，隨時(shí)解答學(xué)生在線學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到或提出的各種問(wèn)題，使學(xué)習(xí)和理解能力較弱的學(xué)生及時(shí)跟上課程進(jìn)度。理論學(xué)習(xí)結(jié)束后立即進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并將測(cè)驗(yàn)結(jié)果計(jì)入學(xué)生的平時(shí)成績(jī)，平時(shí)成績(jī)與期末的考試成績(jī)各占50%。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種教學(xué)方法的效果非常好，學(xué)生最終的平均成績(jī)超過(guò)80分。

至于實(shí)踐環(huán)節(jié)，我們也在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上傳了10多個(gè)相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)教學(xué)視頻。由于每個(gè)學(xué)生得到的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料各不相同，所設(shè)計(jì)的結(jié)果也各不相同，學(xué)生之間不能相互借鑒設(shè)計(jì)結(jié)果，必須依靠教師的指導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)并校核設(shè)計(jì)結(jié)果。為了使學(xué)生盡快高質(zhì)量地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，我們?cè)谔峁╀洸ヒ曨l的同時(shí)，還開(kāi)通直播，帶領(lǐng)學(xué)生理解設(shè)計(jì)的原理和方式方法，明白所需的計(jì)算公式和校核條件。在每一階段的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，我們都會(huì)一一舉例說(shuō)明，一步一步地將前面所學(xué)的原理、公式和校核方法運(yùn)用到實(shí)例中。學(xué)生在同步學(xué)習(xí)實(shí)例設(shè)計(jì)后，很快就能完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。最終，我們非常順利而且高質(zhì)量地完成了實(shí)踐設(shè)計(jì)的教學(xué)任務(wù)。

（二）混合式教學(xué)效果

2021年上半年，我們以線下授課為主，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行了線上線下的混合式教學(xué)改革，并進(jìn)一步優(yōu)化了錄播內(nèi)容，以方便石油工程專(zhuān)業(yè)2018級(jí)200多名學(xué)生的專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)。由于錄播內(nèi)容全面，設(shè)計(jì)示例詳細(xì)，部分視頻還面向了本校本專(zhuān)業(yè)的碩士研究生。

自2021年秋季學(xué)期開(kāi)始，按照修訂后的教學(xué)大綱和教學(xué)課時(shí)（32學(xué)時(shí)）的安排進(jìn)行教學(xué)?，F(xiàn)以該學(xué)期大三本科生正在學(xué)習(xí)的鉆井液工藝原理課程為例，我們提前發(fā)布教學(xué)文件和學(xué)習(xí)內(nèi)容，作為線下學(xué)習(xí)的輔助資料（如圖1所示）。學(xué)生能夠及時(shí)明確課程目標(biāo)和學(xué)習(xí)任務(wù)，查找相關(guān)輔助教學(xué)資料。學(xué)生在課堂上不能及時(shí)理解和掌握的內(nèi)容，可以通過(guò)課后觀看視頻進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和鞏固。

在課程教學(xué)近半時(shí)，我們從自建題庫(kù)中隨機(jī)抽取難易程度不一、題型多樣的試題，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了期中檢查。隨機(jī)組題的隨堂測(cè)試結(jié)果良好（如圖2所示），學(xué)習(xí)效果明顯優(yōu)于以教師授課為主的單一線下授課模式，也優(yōu)于以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的單一線上授課模式。由于均是客觀題，避免了教師對(duì)學(xué)生成績(jī)的主觀影響;當(dāng)然，由于缺少了綜合論述題，學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合理解和運(yùn)用能力可能會(huì)受到一定的影響。

二、教學(xué)大綱及效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在新工科建設(shè)前，鉆井液專(zhuān)業(yè)課是48學(xué)時(shí)，課程目標(biāo)多達(dá)7個(gè)，對(duì)應(yīng)的本科生畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)更多。這就使得我們將大部分時(shí)間和精力用于為達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)點(diǎn)而進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)，理論教學(xué)時(shí)間偏多，而教學(xué)結(jié)果及考試結(jié)果的質(zhì)量分析卻并不樂(lè)觀。例如，取2018級(jí)30名學(xué)生的考試試卷和平時(shí)作業(yè)作為樣本，優(yōu)、良、中、及格和不及格按6、7、7、6、4的比例抽取。根據(jù)各考核環(huán)節(jié)學(xué)生獲得的平均分值，計(jì)算2018級(jí)學(xué)生課程培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成情況，各考核環(huán)節(jié)學(xué)生達(dá)成度=學(xué)生獲得平均分值/該環(huán)節(jié)分值，分目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算公式以筆試試題計(jì)算課程目標(biāo)1過(guò)程為例，筆試課程目標(biāo)1達(dá)成度=課程目標(biāo)1的試題平均分/分目標(biāo)試題總分，課程目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算公式=（期末考試權(quán)重×支撐該課程目標(biāo)的試題平均分+作業(yè)權(quán)重×支撐該課程目標(biāo)的測(cè)驗(yàn)平均分×支撐該課程目標(biāo)的測(cè)驗(yàn)占分比例）/該課程目標(biāo)總分值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

為了滿足專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的持續(xù)改進(jìn)要求，為了新時(shí)代新工科下的專(zhuān)業(yè)發(fā)展，我們對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)精簡(jiǎn)，對(duì)教學(xué)大綱進(jìn)行了全面修訂。從2021-2022學(xué)年度開(kāi)始，鉆井液課程由舊版培養(yǎng)方案的48學(xué)時(shí)改為32學(xué)時(shí)，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，刪除了與其他專(zhuān)業(yè)課程重復(fù)的內(nèi)容。本次修改將舊版課程大綱中要求的數(shù)學(xué)模型（如鉆井液的流變性與鉆井工程的關(guān)系）等石油工程復(fù)雜問(wèn)題，轉(zhuǎn)為本門(mén)課程和工程實(shí)踐結(jié)合較為緊密的部分內(nèi)容，在精簡(jiǎn)課程目標(biāo)的同時(shí)，并不減少對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐。

本次修訂還將保護(hù)油氣儲(chǔ)層及HSE的內(nèi)容分化到常用鉆井液體系及其配漿材料和處理劑的授課內(nèi)容中，去除影響人體健康和生態(tài)環(huán)境的處理劑（例如，無(wú)機(jī)處理劑重鉻酸鉀對(duì)人體肺部有不良影響），強(qiáng)調(diào)其危害。同時(shí)還在授課內(nèi)容中，追蹤科技熱點(diǎn)，及時(shí)引入新出現(xiàn)的環(huán)保且保護(hù)儲(chǔ)層的生物高分子等新型材料和技術(shù)。

從教學(xué)進(jìn)度過(guò)半的中期檢查結(jié)果可見(jiàn)（圖2），課程目標(biāo)的考試成績(jī)?yōu)榱己靡陨?，教學(xué)效果明顯優(yōu)于教改前。

三、鉆井液設(shè)計(jì)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐

2020年，由于我們高質(zhì)量地完成了線上的設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)，接下來(lái)我們順利申請(qǐng)到省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)踐項(xiàng)目。

本設(shè)計(jì)過(guò)程涉及許多理工科的基礎(chǔ)知識(shí)（如機(jī)械力學(xué)、流體力學(xué)、物理化學(xué)、材料化學(xué)、環(huán)境化學(xué)和地質(zhì)學(xué)等）。我們需要應(yīng)用并且能夠檢索到的設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)很多，每年供學(xué)生設(shè)計(jì)所選用的資料也各不相同。為了避免重復(fù)性設(shè)計(jì)，我們建立了數(shù)據(jù)庫(kù)。在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用等安全系數(shù)法，必須考慮一些重要的安全系數(shù)（如防止產(chǎn)生溢流導(dǎo)致井噴事故的抽汲壓力系數(shù)，地層破裂壓力安全系數(shù)等），但這些系數(shù)以及計(jì)算公式和設(shè)計(jì)示例多是參照上個(gè)世紀(jì)90年代出版的《鉆井手冊(cè)》所給出的國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)。該手冊(cè)主要涉及的是常規(guī)油氣田的開(kāi)采，現(xiàn)已不能滿足“雙碳”形勢(shì)下新能源和清潔能源等的設(shè)計(jì)要求。所以，雖然我們可以讓學(xué)生在很短的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)如何進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，但是，卻很難在短短的32學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生融合前幾年學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識(shí)，搭好思維架構(gòu)，從而提出很好的設(shè)計(jì)方案。

目前，石油天然氣行業(yè)應(yīng)用廣泛的是大型工程設(shè)計(jì)軟件，其安裝和使用難度很大，學(xué)生學(xué)會(huì)使用的難度更大，而且程序難以升級(jí)。更為重要的是，有些方面的設(shè)計(jì)并不合理。例如，在鉆井液設(shè)計(jì)方面的選擇性很少，通常只能根據(jù)鉆井所需要的水力參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而很少考慮鉆井液的塑性黏度和動(dòng)切力等流變參數(shù)的影響。對(duì)于鉆井液十大體系的選擇也流于形式，學(xué)生在鉆井工程設(shè)計(jì)時(shí)，由于時(shí)間和知識(shí)結(jié)構(gòu)的限制，往往簡(jiǎn)單地選擇鄰井資料來(lái)替代。鉆井工程設(shè)計(jì)軟件也很少考慮鉆井液體系的組成，學(xué)生對(duì)于十六大類(lèi)鉆井液處理劑也知之甚少。

為了更好地通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)促進(jìn)教學(xué)，我們基于油氣田鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)和信息平臺(tái)，將油氣鉆井工程中的相關(guān)數(shù)據(jù)（包括地層的地質(zhì)資料及油氣井的工程資料）進(jìn)行歸類(lèi)采集，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和人工智能等技術(shù)手段，結(jié)合python等高級(jí)計(jì)算機(jī)算法，實(shí)現(xiàn)井身結(jié)構(gòu)等各階段的工程設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖3）。將地層類(lèi)型和井的類(lèi)別與鉆井液體系、性能及配方等各模塊信息進(jìn)行有機(jī)融合，以“互聯(lián)網(wǎng)+”為抓手，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井參數(shù)的設(shè)計(jì)和維護(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)分析。

設(shè)計(jì)實(shí)踐始于理論教學(xué)，新工科下的理論教學(xué)又鍛煉和培養(yǎng)了廣大師生的設(shè)計(jì)實(shí)踐能力。我們指導(dǎo)的學(xué)生連續(xù)兩屆獲得學(xué)?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”比賽的優(yōu)秀獎(jiǎng)，還獲得了今年的“第十一屆中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)大賽”綜合組全國(guó)三等獎(jiǎng)的佳績(jī)。

四、結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著清潔能源和新能源等領(lǐng)域的鉆井工程要求，以及計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和軟件的逐步普及，能源類(lèi)高校非常希望能夠突破諸多不利因素的制約，更好地實(shí)現(xiàn)資源共享，避免重復(fù)勞動(dòng)，節(jié)約教學(xué)、設(shè)計(jì)和時(shí)間管理成本。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，可以更好地完成專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)和工程設(shè)計(jì)實(shí)踐。

新工科背景下，必須進(jìn)一步提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，教師也要與學(xué)生一起做到教學(xué)相長(zhǎng)，進(jìn)一步提升自己的授課能力即教書(shū)育人能力。教師除了接受教育部的思政培訓(xùn)外，也接受現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)家的培訓(xùn)（如大慶油田井控專(zhuān)家對(duì)學(xué)校專(zhuān)業(yè)課教師的井控技術(shù)培訓(xùn)）。專(zhuān)業(yè)課教師將來(lái)還必須在規(guī)定時(shí)間段參與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，真正做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，為國(guó)家培育出更多更好的卓越工程師。

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