工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的石油鉆采機(jī)械課程協(xié)同互動教學(xué)探索

◇長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 李寧 劉俊

武漢天之逸科技有限公司 艾樂

本文分析討論了石油鉆采機(jī)械課程互動教學(xué)面臨的問題與機(jī)遇，并探討了石油機(jī)械課程的線上線下相結(jié)合、課堂與生產(chǎn)現(xiàn)場和實驗平臺實時互融的協(xié)同互動教學(xué)模式。本研究將有助于提高課堂教學(xué)效果和課程目標(biāo)達(dá)成度。

工程教育專業(yè)認(rèn)證作為一種有效的工程教育質(zhì)量保障體系，其核心理念主要包括：以學(xué)生為中心的教育理念、產(chǎn)出導(dǎo)向理念和持續(xù)改進(jìn)機(jī)制等。工程教育專業(yè)認(rèn)證工作的普及，推動了我國工程教育的理念更新和教學(xué)改革，已成為提升我國工程教育質(zhì)量的重要手段和推動建設(shè)一流本科專業(yè)的重要舉措。以學(xué)生為中心的理念，強(qiáng)調(diào)通過研究和實踐來構(gòu)建知識；通過知識的運用來發(fā)展創(chuàng)新思維和提高創(chuàng)新能力；通過自主、探索、互動的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)范圍，來引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生運用知識解決復(fù)雜工程問題。

課程是專業(yè)教育的核心和基礎(chǔ)。專業(yè)認(rèn)證關(guān)注課程質(zhì)量的評價，尤其是專業(yè)核心課程的課程目標(biāo)達(dá)成情況。在日常教學(xué)中，采用正確的教學(xué)方法、優(yōu)化的教學(xué)模式和高度互動的教學(xué)過程是提高課程目標(biāo)達(dá)成度的有效措施。在專業(yè)核心課程的教學(xué)中運用互動式教學(xué)，一方面有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)習(xí)動機(jī)、提升課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果；另一方面通過平等、開放的師生互動，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終生學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

石油鉆采機(jī)械課程是機(jī)械工程領(lǐng)域石油機(jī)械方向的專業(yè)主干課，與工程實踐聯(lián)系十分緊密。為了提高石油鉆采機(jī)械課程的教學(xué)質(zhì)量，學(xué)者們提出了一些教學(xué)改革意見。雷娜[1-2]等針對石油鉆采機(jī)械課程傳統(tǒng)教學(xué)和考核方式的不足，以O(shè)BE理念為核心，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計、考核方式、評分標(biāo)準(zhǔn)、考核內(nèi)容等方面，提出教學(xué)改革意見。孫元偉[3]等提出將虛擬仿真實訓(xùn)技術(shù)運用到石油鉆采機(jī)械課程的實踐教學(xué)中，并充分利用網(wǎng)絡(luò)授課的便利性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。趙海洋[4]等在石油鉆采機(jī)械實訓(xùn)中引入學(xué)生分組和團(tuán)隊協(xié)作，將學(xué)生的被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，提高了教學(xué)效果。學(xué)者們分別從課堂教學(xué)和課程實訓(xùn)方面，提出了很好的教學(xué)改革舉措。然而，如果能將課堂教學(xué)與實訓(xùn)實踐有機(jī)結(jié)合起來，教學(xué)效果將會更好。因此，為了縮短課堂與生產(chǎn)實踐之間的距離，本研究按照工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，探索石油鉆采機(jī)械課程的協(xié)同互動教學(xué)模式。

1 基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的石油鉆采機(jī)械課程教學(xué)目標(biāo)

石油鉆采機(jī)械課程在介紹鉆井機(jī)械、采油機(jī)械、完井設(shè)備及井下工具的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、使用方法和維護(hù)保養(yǎng)等知識的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用物理學(xué)、力學(xué)、鉆井工程、油氣田開發(fā)工程、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)械加工與制造、機(jī)電控制等方面的知識，對石油鉆采核心設(shè)備進(jìn)行方案設(shè)計、分析計算、評價與改進(jìn)。通過課程學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新設(shè)計能力、分析解決實際鉆井工程和采油工程問題的能力和從事生產(chǎn)管理、工藝設(shè)計等實際工作的能力。培養(yǎng)精益求精的工匠精神，為學(xué)生從事石油鉆采設(shè)備相關(guān)設(shè)計、制造、管理、維護(hù)和研究工作打下堅實的基礎(chǔ)。

工程教育專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)中要求，專業(yè)必須要有明確、公開、可衡量的畢業(yè)要求，而課程要滿足認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，就必須能有效支持相應(yīng)畢業(yè)要求的達(dá)成[4]。因此，從培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”能力的角度出發(fā)，制定了“石油鉆采機(jī)械”課程的課程目標(biāo)：①了解我國油氣資源開發(fā)的國家戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)政策，正確理解和運用石油鉆采設(shè)備相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)范。針對復(fù)雜工程問題，能夠按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備的系統(tǒng)方案分析與評價；②能理解石油鉆采設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、設(shè)計和使用方法、技術(shù)參數(shù)，掌握各種鉆采設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)，能根據(jù)油氣鉆采工程的健康和安全要求，正確分析和評價復(fù)雜石油鉆采設(shè)備的設(shè)計、制造、運行和管理方案；③掌握鉆井液固控系統(tǒng)、采油設(shè)備、修井設(shè)備和壓裂裝備的工作機(jī)理和適用范圍，并能理解和評價它們的設(shè)計、制造及運行對環(huán)境保護(hù)和社會可持續(xù)發(fā)展的影響；④結(jié)合石油鉆采設(shè)備發(fā)展的新趨勢、新理論和新技術(shù)，使學(xué)生能自主學(xué)習(xí)和終生學(xué)習(xí)。

為了切實達(dá)到上述課程目標(biāo)，相關(guān)的課程內(nèi)容、教學(xué)方式、考核內(nèi)容、考核方式以及評分標(biāo)準(zhǔn)，都需要適當(dāng)調(diào)整。石油鉆采機(jī)械課程由原來的關(guān)注老師講解重要設(shè)備的工作原理、設(shè)計計算和使用維護(hù)方法，轉(zhuǎn)變到關(guān)注學(xué)生在石油裝備方面學(xué)會了什么,掌握的程度如何，具備了哪些解決實際復(fù)雜工程問題的能力。更加注重過程考核，注重實驗操作和動手能力，總之，課程教學(xué)的互動性要求明顯提高。

2 石油鉆采機(jī)械課程互動教學(xué)面臨的問題與機(jī)遇

在工程教育專業(yè)認(rèn)證之前的實際教學(xué)中，很多學(xué)生反映，在高校課堂中互動頻率很低。一方面，教師的講課方式照本宣書，沒有新意，不能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情；另一方面，一直以來受傳統(tǒng)的教學(xué)思想的影響，學(xué)生不敢、不想也不愿與老師在課堂中有更多的眼神、語言或者是動作的交流。此外，大學(xué)生手中智能手機(jī)的信息查詢、娛樂和游戲功能改變了高校課堂的氣氛，部分同學(xué)習(xí)慣用手機(jī)即時查詢課程相關(guān)信息，也有部分同學(xué)使用手機(jī)做與課堂無關(guān)的事情，課堂氛圍變得沉寂。以上種種原因影響了師生課堂互動教學(xué)模式的構(gòu)建。

2020年春季學(xué)期，由于新冠疫情的影響，學(xué)生不能按期返回學(xué)校上課，教育部組織全國高校開展了一場基于互聯(lián)網(wǎng)的線上教學(xué)活動。此次線上教學(xué)覆蓋范圍之廣、持續(xù)時間之長、師生參與規(guī)模之多是前所未有的。盡管線上教學(xué)還存在一些不足，尚不能完全取代線下教學(xué)，但疫情期間的在線教學(xué)活動使廣大學(xué)生感受到了線上教學(xué)的互動性和趣味性，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。同時，也使授課教師及其教學(xué)團(tuán)隊成員，體驗到了教師協(xié)同工作便利性、過程考核的便捷性和教學(xué)效果反饋的時效性，促進(jìn)教學(xué)過程的及時、持續(xù)改進(jìn)。這些將推動信息技術(shù)與課堂教學(xué)相融合，促進(jìn)教學(xué)改革。

工程教育認(rèn)證和線上教學(xué)模式，將推動師生互動教學(xué)模式的創(chuàng)新。在高校工程學(xué)科的課堂教學(xué)中，可以采用的互動教學(xué)模式主要有：提問激發(fā)式、主題討論式、案例分析式、實踐操作式和情景模擬式等。其中，日常教學(xué)中應(yīng)用最多的是提問激發(fā)式、主題討論式和案例分析式[5]，而運用情景教學(xué)和實踐操作法的則相對較少。究其原因，一方面是因為一些教師長期形成的講授式教學(xué)思維定式，以及課堂理論教學(xué)與工程實踐教學(xué)在時間和空間上分離；另一方面是由于工程應(yīng)用場景與課堂環(huán)境的差別巨大，虛擬現(xiàn)實和數(shù)字孿生技術(shù)在工程教育中的應(yīng)用水平還有待提高。然而，當(dāng)前的智能手機(jī)和4G/5G網(wǎng)絡(luò)時代，已經(jīng)打破了地域界限、設(shè)備互聯(lián)和多媒體資源之間的壁壘。尤其是雨課堂、騰訊課堂、ZOOM和釘釘網(wǎng)課等一大批在線課程軟件或APP的出現(xiàn)，使課堂教學(xué)中采用實踐操作式和情景模擬式的在線互動成為可能。

3 石油鉆采機(jī)械課程協(xié)同互動教學(xué)方式探討

（1）建立線上線下相結(jié)合的校內(nèi)外教師團(tuán)隊協(xié)同教學(xué)模式。對校內(nèi)主講教師、助理教師和校外教師進(jìn)行合理的任務(wù)分工。校內(nèi)主講教師負(fù)責(zé)預(yù)習(xí)材料的選編，課堂講授內(nèi)容的組織和講解；助理教師負(fù)責(zé)預(yù)習(xí)材料的發(fā)布、預(yù)習(xí)情況統(tǒng)計、課程作業(yè)和課程“項目”的輔導(dǎo)和評閱等；校外教師負(fù)責(zé)設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用和維護(hù)保養(yǎng)教學(xué)材料的組織和現(xiàn)場講解。

校內(nèi)主講教師、助理教師和校外教師，協(xié)同完成互動式教學(xué)的課程資料和考核機(jī)制；根據(jù)工程專業(yè)教育認(rèn)證的要求，針對課程目標(biāo)整理教學(xué)內(nèi)容、課程資料和考核內(nèi)容；建立完整、客觀的過程考核和期末考核評價體系，設(shè)計石油機(jī)械課程的目標(biāo)達(dá)成度分析系統(tǒng)。

（2）建立石油鉆采機(jī)械課程的課堂與實驗?zāi)M平臺協(xié)同的互動教學(xué)模式。石油鉆采設(shè)備中的石油鉆機(jī)和水力壓裂機(jī)組為大型成套設(shè)備，采油地面設(shè)備體積通常也比較龐大，難以在實驗室中運行或展示，相關(guān)的實踐教學(xué)如果將學(xué)生帶到作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行，時間成本、經(jīng)濟(jì)成本和安全風(fēng)險都比較大[6]。因此，建造石油鉆采設(shè)備的實驗?zāi)M平臺成為一種比較好的選擇。例如以采油工程中廣泛應(yīng)用的游梁式抽油機(jī)為具體對象，搭建抽油機(jī)縮比模型的實驗室監(jiān)測平臺。研究抽油機(jī)光桿載荷與位移、抽油機(jī)平衡度、抽油機(jī)有功功率和無功功率、抽油機(jī)運行聲音信號、抽油機(jī)井口振動等在線狀態(tài)參數(shù)的采集和監(jiān)測系統(tǒng)，編寫相關(guān)軟件，建立抽油機(jī)實驗平臺與課堂的遠(yuǎn)程協(xié)同。綜合運用雨課堂在線教學(xué)平臺、工業(yè)遠(yuǎn)程傳輸模塊和視頻監(jiān)控云臺，搭建在線同步課堂，開展遠(yuǎn)程協(xié)同實驗。

（3）設(shè)置石油鉆采機(jī)械課程的學(xué)生“項目組”式互動學(xué)習(xí)任務(wù)。有效調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，是提升學(xué)習(xí)效率和培養(yǎng)專業(yè)能力的有效手段。石油鉆采機(jī)械的應(yīng)用范圍較廣、涉及多學(xué)科交叉融合、技術(shù)更新速度快，所以，課程相關(guān)的閱讀材料非常豐富?？梢圆捎糜暾n堂，提前布置材料閱讀預(yù)習(xí)任務(wù)，分項目組開展討論或提交專題分析報告，以提高課堂教學(xué)的效率和質(zhì)量。

以項目方式開展教學(xué)，既可以與鉆井機(jī)械現(xiàn)場應(yīng)用中面臨的實際問題相聯(lián)系，例如針對某型石油鉆機(jī)在某工況下的起鉆時間計算問題；也可以與抽油機(jī)現(xiàn)場示功圖與井下故障分析相聯(lián)系。讓學(xué)生以項目形式，從分析問題開始，提出解決方案，并跟蹤現(xiàn)場問題的解決效果。

在課程考核方面，注重團(tuán)隊合作作業(yè)或項目的開發(fā)，讓學(xué)生之間互動起來[7]。根據(jù)石油機(jī)械課程教學(xué)大綱中的重難點要求，圍繞課程目標(biāo)及其達(dá)成度指標(biāo)，設(shè)計多組課程練習(xí)“項目”，編寫學(xué)生學(xué)習(xí)指導(dǎo)材料和考核標(biāo)準(zhǔn)；通過功能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合，實現(xiàn)一題多卷，同時注重引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

（4）將思政元素融入課程互動教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。在互動學(xué)習(xí)實踐中融入思政內(nèi)容，實現(xiàn)全員全方位育人，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情。例如，通過介紹陸地石油鉆機(jī)和抽油機(jī)發(fā)展與社會進(jìn)步的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感和歷史使命感，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神；通過學(xué)習(xí)和討論油氣水力壓裂裝備的大功率、大排量、電驅(qū)化和集群化發(fā)展趨勢，使學(xué)生認(rèn)識到石油裝備的發(fā)展與國家“雙碳”戰(zhàn)略的密切關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的社會責(zé)任感；通過了解石油鉆機(jī)和有桿采油設(shè)備在國家重大工程中的應(yīng)用，使學(xué)生既感受到石油鉆采機(jī)械的重要性，更能感受到我們國家正在共筑中國夢，實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷和學(xué)習(xí)熱情。

4 結(jié)束語

本文基于工程教育認(rèn)證背景，研究石油機(jī)械課程的線上線下相結(jié)合、課堂與生產(chǎn)現(xiàn)場和實驗平臺實時交互的協(xié)同互動教學(xué)模式。通過校內(nèi)外教師團(tuán)隊協(xié)同、課堂與生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備協(xié)同和學(xué)生之間“項目組”協(xié)同方式，將課堂與工程現(xiàn)場融合，實現(xiàn)師生互動，學(xué)生互動，人機(jī)互動等多樣化的互動形式，營造平等、活潑、生動的課堂氛圍，將有助于提高課堂教學(xué)效果和課程目標(biāo)達(dá)成度。