多學(xué)科交叉型專業(yè)課程教學(xué)方法探索和應(yīng)用
——以“巖土鉆掘工程”課程為例

時(shí)元玲，張平松，謝 焰，顧承串

安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001

工程教育專業(yè)認(rèn)證在國內(nèi)如火如荼地開展，“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的教育理念引發(fā)眾多教育工作者不斷思考[1]，探索和應(yīng)用符合工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的教學(xué)方法勢(shì)在必行。工程類課程實(shí)踐性強(qiáng)，根據(jù)各類教材制定授課內(nèi)容，存在理論知識(shí)與工程實(shí)踐脫節(jié)的問題，且難以追蹤行業(yè)發(fā)展前沿，既無法讓學(xué)生直觀認(rèn)知工程實(shí)踐問題，又不能有效培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力。

“巖土鉆掘工程”是地質(zhì)工程專業(yè)課程，涉及鉆探工藝、鉆探裝備、鉆孔護(hù)壁堵漏等多方面的內(nèi)容，交叉融合地質(zhì)學(xué)、機(jī)械、化學(xué)、流體力學(xué)、鉆柱力學(xué)、粉末冶金學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域[2-3]，具有理論科學(xué)性、工程實(shí)踐性和實(shí)驗(yàn)研究性強(qiáng)的特點(diǎn)。然而，地質(zhì)工程專業(yè)方向不同，存在課程體系中雖設(shè)置巖土鉆掘課程，但未涵蓋相關(guān)基礎(chǔ)課程的情況，以致學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，教學(xué)內(nèi)容難以深入。同時(shí)，目前“巖土鉆掘工程”課程現(xiàn)行教材種類較少，出版年份距今十年以上，教材內(nèi)容在新技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展方面存在欠缺。本文以“巖土鉆掘工程”課程為例，針對(duì)課程存在的問題，探索研究型教學(xué)、案例教學(xué)和沉浸式教學(xué)等教學(xué)方法在多學(xué)科交叉型工程類專業(yè)課程中的應(yīng)用，以期將教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

一、“巖土鉆掘工程”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“巖土鉆掘工程”課程是典型的多學(xué)科交叉型課程，主要涉及鉆進(jìn)工藝和鉆探設(shè)備兩方面的內(nèi)容，基本理論教學(xué)對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備廣度要求高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)設(shè)備、場(chǎng)地要求高，開展難度大。同時(shí)，課程內(nèi)容多為實(shí)踐性強(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)理論，僅依靠描述性講授，教學(xué)效果不佳。“巖土鉆掘工程”課程教學(xué)過程中主要存在如下問題。

1.課程體系中部分基礎(chǔ)課程欠缺

由于地質(zhì)工程專業(yè)方向側(cè)重點(diǎn)不同，“巖土鉆掘工程”課程在課程體系中所處地位不同。以國內(nèi)重點(diǎn)高校和地方性高校地質(zhì)工程專業(yè)“巖土鉆掘工程”課程為例（表1），勘察工程或巖土鉆掘方向的課程體系涵蓋鉆探工藝、鉆探設(shè)備等完整鉆探工程課程，并設(shè)置機(jī)械設(shè)計(jì)、流體力學(xué)、液壓傳動(dòng)等相關(guān)基礎(chǔ)課程；而工程地質(zhì)方向，課程體系中開設(shè)巖土鉆掘工程課程，但不設(shè)置相關(guān)基礎(chǔ)課程。

表1 國內(nèi)重點(diǎn)高校和地方性高校巖土鉆掘相關(guān)課程設(shè)置[4-6]

對(duì)于課程體系中不設(shè)置相關(guān)基礎(chǔ)課程的情況，無論巖土鉆掘工程作為必修課還是選修課開設(shè)，其授課內(nèi)容依然包含了鉆進(jìn)工藝、鉆探機(jī)具、鉆孔沖洗等各方面的基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)。以本課程中“鉆機(jī)與泵”為例，若無機(jī)械設(shè)計(jì)和液壓傳動(dòng)方面基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)生對(duì)鉆機(jī)零部件、鉆機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、鉆機(jī)液壓系統(tǒng)等圖紙閱讀難度大、工作原理理解不透徹，課堂學(xué)習(xí)和自主閱讀各類文獻(xiàn)資料均需花費(fèi)較多時(shí)間和精力。同時(shí)，教師在教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃制定教學(xué)大綱，對(duì)缺乏相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)支撐的教學(xué)內(nèi)容，大多停留在概述的層面，缺乏引導(dǎo)學(xué)生深入探討的切入點(diǎn)，教學(xué)效果不佳。

2.教學(xué)內(nèi)容追蹤技術(shù)發(fā)展有待改善

“巖土鉆掘工程”課程教材種類較少，表2所示為巖土鉆掘工程課程選用較多的教材，其出版年份普遍較早，教材內(nèi)容在跟蹤行業(yè)技術(shù)發(fā)展方面存在欠缺，有待更新。

表2 “巖土鉆掘工程”課程相關(guān)教材

當(dāng)前，自動(dòng)化、智能化鉆探裝備不斷出現(xiàn)，水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在地質(zhì)巖心鉆探、深部熱能勘探、天然氣水合物鉆采等各類工程中應(yīng)用逐漸增多。然而，從鉆探設(shè)備角度來講，現(xiàn)有巖土鉆掘工程教材中，對(duì)鉆機(jī)介紹主要集中在立軸式鉆機(jī)、轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)、動(dòng)力頭式鉆機(jī)等幾類傳統(tǒng)鉆機(jī)，而并未涉及新型節(jié)能的深井地質(zhì)巖心鉆機(jī)、新型全液壓鉆機(jī)、自動(dòng)化智能化鉆井系統(tǒng)等內(nèi)容。從鉆探工藝角度來講，大部分教材未提及定向鉆進(jìn)技術(shù)理論知識(shí)、科學(xué)鉆探理論知識(shí)、極地冰鉆技術(shù)理論、地?zé)岷吞烊粴馑衔锏惹鍧嵞茉纯碧介_發(fā)技術(shù)理論。從而導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)滯后于行業(yè)技術(shù)發(fā)展，學(xué)生欠缺技術(shù)理論知識(shí)導(dǎo)致在實(shí)際工程需求方面存在不足，教學(xué)過程不能很好地踐行“以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的教育理念。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)可操作性和參與性有待提高

巖土鉆掘工程實(shí)驗(yàn)通常包括巖石物理-力學(xué)性質(zhì)測(cè)試、巖心鉆探工具、鉆進(jìn)方法實(shí)驗(yàn)、鉆孔彎曲測(cè)量、鉆探設(shè)備實(shí)驗(yàn)及鉆井液性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。其中，巖石物理-力學(xué)性質(zhì)、鉆孔沖洗介質(zhì)實(shí)驗(yàn)，可操作性較強(qiáng)，學(xué)生參與積極性高，實(shí)驗(yàn)完成度好。鉆探設(shè)備、鉆探工具和鉆進(jìn)方法等實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)備和場(chǎng)地要求高，實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)有限，學(xué)生參與積極性較低，實(shí)驗(yàn)效果評(píng)判不夠明確。以鉆探工具實(shí)驗(yàn)為例，鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)難以觀察鉆具工作過程和工作狀態(tài)，拆裝、觀察實(shí)驗(yàn)走馬觀花且參與性不強(qiáng)。此外，對(duì)于非巖土鉆掘（或勘察工程）方向的學(xué)生，因課程課時(shí)量有限，巖土鉆掘課程實(shí)踐教學(xué)開設(shè)少，甚至不開設(shè)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)理論知識(shí)鞏固和應(yīng)用方面有所欠缺。

針對(duì)上述問題，本文探索研究型教學(xué)法、案例式教學(xué)法和沉浸式教學(xué)法在“巖土鉆掘工程”課程中的應(yīng)用，以期為多學(xué)科交叉型專業(yè)課教學(xué)提供思路。

二、科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的研究型教學(xué)法應(yīng)用

研究型教學(xué)以現(xiàn)代教育教學(xué)理論為基礎(chǔ)，將教學(xué)和科研相結(jié)合，旨在提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、問題意識(shí)、探究精神和創(chuàng)新能力[7-8]。以科研項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的研究型教學(xué)，在教學(xué)活動(dòng)中融入科研項(xiàng)目?jī)?nèi)容，在學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)的前提下，鼓勵(lì)學(xué)生參與科研活動(dòng)，將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用于科學(xué)研究，并在此過程中學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法和思維，培養(yǎng)解決復(fù)雜問題的能力和創(chuàng)新精神。研究型教學(xué)可用學(xué)術(shù)論文、專著、專利等科研成果作為學(xué)習(xí)的教材，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生借助于各種網(wǎng)絡(luò)資源自主查閱相關(guān)資料，并積極與課題相關(guān)師生探討。

以鉆探設(shè)備教學(xué)內(nèi)容為例，智能技術(shù)成為引領(lǐng)世界科技發(fā)展潮流的關(guān)鍵性戰(zhàn)略技術(shù)的背景下，鉆探裝備正朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。在教學(xué)過程中，教師以鉆探裝備自動(dòng)化、智能化方面論文、專利及專著為依據(jù)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，并可將自身或行業(yè)相關(guān)研究?jī)?nèi)容融入課堂。如安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)牽頭的2021年9月通過鑒定的“5000米新型能源勘探智能鉆探裝備與技術(shù)”項(xiàng)目、中國地質(zhì)調(diào)查局勘探技術(shù)研究所牽頭的2020年11月通過中期評(píng)審驗(yàn)收的“5000米智能地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備研發(fā)及應(yīng)用示范”項(xiàng)目[9]，均是行業(yè)內(nèi)近年在鉆探裝備智能化方面探索的重要項(xiàng)目，公開發(fā)表論文、專利數(shù)量較多，將上述科研項(xiàng)目中鉆探裝備、繩索取心鉆具、沖洗液體系、泥漿性能多參數(shù)一體化自動(dòng)測(cè)量裝置等各方面研究?jī)?nèi)容引入課堂，可提升教學(xué)內(nèi)容的時(shí)效性。

對(duì)非巖土鉆掘（或勘察工程）方向的學(xué)生來講，缺乏相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)內(nèi)容通常要求學(xué)生掌握程度較低。采用科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的研究型教學(xué)法，鼓勵(lì)學(xué)生自主查找并討論科研熱點(diǎn)和學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)，相比學(xué)習(xí)現(xiàn)有教材因?qū)W科交叉而存在的復(fù)雜且晦澀的圖紙和技術(shù)方法，更具有吸引力，從而提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

三、工程實(shí)踐支撐的案例教學(xué)法應(yīng)用

案例教學(xué)，是一種開放式、互動(dòng)式的教學(xué)方式，由美國哈佛法學(xué)院前院長(zhǎng)克里斯托弗·哥倫布·朗代爾（C.C.Langdell）于1870年首創(chuàng)，后經(jīng)哈佛企管研究所所長(zhǎng)鄭漢姆（W.B.Doham）推廣，并從美國迅速傳播到世界各地，被認(rèn)為是一種代表未來教育方向的教育方法[10]。案例教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，結(jié)合案例分析和討論開展教學(xué)活動(dòng)，注重學(xué)生主動(dòng)性和自主性，契合工程教育專業(yè)認(rèn)證“以學(xué)生為中心”的理念。工程類課程采用案例教學(xué)既便于構(gòu)建科學(xué)理論與工程實(shí)踐的聯(lián)系，又能緊跟行業(yè)發(fā)展，還能將學(xué)生放在教學(xué)活動(dòng)的主體位置，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)其發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

以科學(xué)鉆探基本理論為例，引入蘇聯(lián)科拉半島超深鉆（SG-3井）、聯(lián)邦德國大陸深鉆計(jì)劃（KTB）、中國大陸科學(xué)鉆探工程（CCSD-1井）、松遼盆地白堊紀(jì)科學(xué)鉆探（松科2井）、汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探、大洋鉆探計(jì)劃（ODP）、綜合大洋鉆探計(jì)劃（IODP）等大陸科學(xué)鉆探和大洋科學(xué)鉆探的典型項(xiàng)目案例，介紹并討論科學(xué)鉆探的作用和意義、技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)難度、技術(shù)突破等各方面理論知識(shí)。授課過程中以學(xué)生為中心開展教學(xué)活動(dòng)，教師作為“引導(dǎo)者”拋出理論知識(shí)所適用的工程類型和典型工程案例，鼓勵(lì)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，組織學(xué)生自主學(xué)習(xí)和討論，解答學(xué)生提出的問題，并評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。學(xué)生作為教學(xué)主體，思考、歸納、闡述學(xué)習(xí)內(nèi)容，可提高學(xué)習(xí)效果，又可啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。同時(shí)，基于典型工程案例設(shè)計(jì)教學(xué)過程，將枯燥的理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，既有利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，又可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、開闊學(xué)生眼界，還能夠克服現(xiàn)有教材未涵蓋相關(guān)內(nèi)容的不足。

四、虛擬仿真技術(shù)支撐的沉浸式教學(xué)法應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以三維空間的形式模擬創(chuàng)建虛擬世界場(chǎng)景，通過人機(jī)交互功能給用戶提供逼真的體驗(yàn)感和沉浸感[11]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是創(chuàng)建沉浸式教學(xué)環(huán)境的利器，學(xué)生可在虛擬場(chǎng)景中真實(shí)體驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。與傳統(tǒng)課堂教學(xué)方法相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將教師與學(xué)生、學(xué)生與教材之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的溝通，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生與教學(xué)場(chǎng)景之間的三維交互，有助于學(xué)生沉浸于教學(xué)內(nèi)容之中，極大增強(qiáng)學(xué)生的參與度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可突破時(shí)空限制營(yíng)造虛擬實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，打破實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)活動(dòng)對(duì)場(chǎng)地、設(shè)備要求的限制，且實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容便于更新，可緊跟行業(yè)技術(shù)發(fā)展[12]。

鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)人員操作技能要求高，開展難度大。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建虛擬鉆井現(xiàn)場(chǎng)，學(xué)生通過漫游方式沉浸其中，了解井場(chǎng)布置、鉆探設(shè)備的功能、鉆進(jìn)過程等；并設(shè)置虛擬交互式界面，使學(xué)生體驗(yàn)各鉆探設(shè)備的操作方法和作業(yè)流程。對(duì)關(guān)鍵部件和鉆具建立虛擬三維模型和仿真動(dòng)畫，如建立繩索取心鉆具三維模型，可便于學(xué)生細(xì)致觀察內(nèi)管總成、打撈裝置等的真實(shí)結(jié)構(gòu)和工作原理，從而加深對(duì)理論知識(shí)的理解。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性的特點(diǎn)，基于此技術(shù)開展“巖土鉆掘工程”課程實(shí)踐教學(xué)，既可保證學(xué)生在相關(guān)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的知識(shí)獲得感，又可克服實(shí)踐教學(xué)設(shè)施建設(shè)成本高、靜態(tài)展示內(nèi)容單一、鉆井現(xiàn)場(chǎng)安全隱患等問題，從而有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)熱情。

五、結(jié)語

在工程教育專業(yè)認(rèn)證、新工科建設(shè)、“交叉學(xué)科”成為我國第14個(gè)學(xué)科門類的背景之下，國內(nèi)高等教育更加強(qiáng)調(diào)將學(xué)生置于教學(xué)活動(dòng)的主體地位，以行業(yè)需求建設(shè)專業(yè)并制定學(xué)生培養(yǎng)方案。通過分析“巖土鉆掘工程”課程這一典型多學(xué)科交叉型專業(yè)課程的現(xiàn)狀，探索科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的研究型教學(xué)、工程實(shí)踐支撐的案例教學(xué)和虛擬仿真技術(shù)支撐的沉浸式教學(xué)等教學(xué)方法在其中的應(yīng)用，以期克服學(xué)生部分基礎(chǔ)知識(shí)薄弱、教學(xué)內(nèi)容滯后行業(yè)發(fā)展、實(shí)踐環(huán)節(jié)參與性不足等問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高課程教學(xué)質(zhì)量，并為向綜合性發(fā)展趨勢(shì)下的多學(xué)科交叉型課程教學(xué)提供思路。