碳中和背景下“鉆探工程學(xué)”課程教學(xué)改革

劉宇

[摘 要] 低碳、綠色、智能發(fā)展已成為社會共識，此背景下鉆探工程應(yīng)用場景及其結(jié)構(gòu)體系迅速變化。為使“鉆探工程學(xué)”課程教學(xué)緊跟時(shí)代與科技發(fā)展，保障學(xué)生在未來工作與研究中具有完備的知識體系及較好的創(chuàng)新思維，基于課程特點(diǎn)分析、問卷調(diào)查、行業(yè)發(fā)展背景分析，探討了“鉆探工程學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式的改革方向，提出以下三點(diǎn)課程改革建議：拓寬思維，夯實(shí)基礎(chǔ)，將深海深空等環(huán)境融入課程體系，進(jìn)一步夯實(shí)學(xué)生理論基礎(chǔ);緊跟前沿，注重實(shí)踐，以先進(jìn)工程案例梳理課程知識體系，密切聯(lián)系基礎(chǔ)知識與實(shí)踐應(yīng)用;點(diǎn)明“瓶頸”，啟發(fā)創(chuàng)新，通過講授鉆探工程學(xué)發(fā)展的瓶頸問題，啟發(fā)學(xué)生突破傳統(tǒng)桎梏的創(chuàng)新思維。

[關(guān)鍵詞] 鉆探工程學(xué);碳中和;教學(xué)改革;資源勘查工程

[基金項(xiàng)目] 2021年度中國礦業(yè)大學(xué)（北京）本科教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（J210210）;2021年度中國礦業(yè)大學(xué)（北京）研究生課程思政建設(shè)項(xiàng)目（B02506Z）

[作者簡介] 劉 宇（1990—），男，江蘇沛縣人，博士，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院講師，主要從事煤地質(zhì)、非常規(guī)油氣地質(zhì)研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）12-0055-04 [收稿日期] 2021-09-09

引言

鉆探是資源勘查、工程勘查、油氣開采、地?zé)衢_發(fā)、太空取樣等工程的關(guān)鍵技術(shù)，鑒于其在能源、資源方面的重要應(yīng)用，“鉆探工程學(xué)”已成為資源勘查工程專業(yè)重要的必修課程[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)及科技水平的飛速發(fā)展，我國的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)較以往有了大幅調(diào)整，特別是2021年中共中央、國務(wù)院《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》發(fā)布后，傳統(tǒng)能源-資源勘探領(lǐng)域一部分市場正逐漸轉(zhuǎn)型，鉆探工程在新領(lǐng)域的應(yīng)用范圍和規(guī)模正在逐步擴(kuò)大[2，3]。就高等教育而言，應(yīng)積極增加鉆探工程領(lǐng)域的前沿內(nèi)容，使高校學(xué)生能夠適應(yīng)未來的變化，更好地將所學(xué)知識運(yùn)用于工程實(shí)踐。

目前，“鉆探工程學(xué)”課程教學(xué)存在著三個(gè)主要問題：第一，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性相對較弱，多數(shù)學(xué)生缺乏課程學(xué)習(xí)的興趣，更談不上進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)研究;第二，相對當(dāng)前快速發(fā)展的技術(shù)，課程內(nèi)容更新速度較慢，課程知識點(diǎn)與科技發(fā)展并沒有建立應(yīng)有的聯(lián)系[4，5];第三，尚未建立起系統(tǒng)的線上線下聯(lián)動學(xué)習(xí)模式，不能充分利用當(dāng)前科技信息資源。為提高資源勘查工程專業(yè)“鉆探工程學(xué)”課程教學(xué)質(zhì)量，使課程內(nèi)容緊跟生產(chǎn)實(shí)踐技術(shù)發(fā)展，本文一方面分析當(dāng)前科技發(fā)展、大學(xué)生就業(yè)特點(diǎn)及能源-資源領(lǐng)域發(fā)展趨勢;另一方面結(jié)合問卷調(diào)查，在以學(xué)生為本的教學(xué)理念下，進(jìn)行“鉆探工程學(xué)”課程內(nèi)容與教學(xué)方式的改革研究。

一、教學(xué)內(nèi)容改革分析

（一）行業(yè)及學(xué)生就業(yè)背景分析

碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提出以來，我國在能源、資源等領(lǐng)域開展了一系列深度改革，其主要方向?yàn)榈吞?、清潔、環(huán)保、安全、智能[6]。在科技發(fā)展方面，人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)方興未艾，成為當(dāng)前科技發(fā)展的標(biāo)志，鉆探領(lǐng)域也逐漸實(shí)現(xiàn)自動化與智能化，一些高精度、自動化儀表已逐漸應(yīng)用于鉆探工程實(shí)踐[7]。隨著科技水平的飛速發(fā)展，我國鉆探工程已逐漸達(dá)到國際先進(jìn)水平，在太空勘查、深海鉆探、超深油氣井鉆探等方面取得了令人矚目的成績[8，9]。近十年鉆探工程的主要進(jìn)展包括智能化鉆井技術(shù)、定向井鉆井技術(shù)、深海鉆井技術(shù)、隨鉆測量技術(shù)等[7，10]。鉆探工程學(xué)應(yīng)用場景也有了一定的變化，深空、深海、深地已從技術(shù)展望發(fā)展至廣泛應(yīng)用[11，12]。

在產(chǎn)業(yè)調(diào)整及生活水平提高的背景下，資源勘查工程專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)選擇發(fā)生了較大變化，主要表現(xiàn)為選擇傳統(tǒng)資源領(lǐng)域人數(shù)減少、土建工程就業(yè)人數(shù)增加、就業(yè)方式多樣化。同時(shí)，隨著相關(guān)專業(yè)碩士招生人數(shù)的增加，資源勘查工程專業(yè)本科生讀研比例近年來不斷提高。以中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2020屆資源勘查工程專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)去向?yàn)槔?7人中讀研人數(shù)為37人，從事工程與建筑行業(yè)16人，能源/資源行業(yè)6人，其他就業(yè)18人，畢業(yè)生更傾向于選擇較為前沿或科研性質(zhì)較強(qiáng)的崗位。“鉆探工程學(xué)”課程應(yīng)基于當(dāng)前的發(fā)展形勢進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革，以適應(yīng)未來的就業(yè)與科研形勢，從而使得所培養(yǎng)的學(xué)生具有較強(qiáng)的適用性、實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力。

（二）教學(xué)內(nèi)容改革調(diào)查問卷結(jié)果分析

為更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，本研究設(shè)計(jì)了針對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式改革的調(diào)查問卷。問卷調(diào)查對象為中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2018級資源勘查工程專業(yè)本科生，調(diào)查時(shí)學(xué)生已完成“鉆探工程學(xué)”課程的學(xué)習(xí)與考核。本研究調(diào)查共發(fā)放問卷81份，其中返回有效問卷61份，調(diào)查問卷實(shí)施方式為微信群問卷。通過分析調(diào)研結(jié)果，建議在以下幾方面進(jìn)行改革。

1.應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)課程的實(shí)踐性?；趯柧碚{(diào)查結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍認(rèn)為課程最需要改進(jìn)的地方是實(shí)踐性較弱（占比62.3%）。在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置方面，建議選題中（多選）“增加案例教學(xué)”項(xiàng)占比最高，為66.6%，其他選項(xiàng)中“增加最新進(jìn)展”項(xiàng)占比59%，“增加行業(yè)‘卡脖子內(nèi)容”項(xiàng)占比55.7%?！般@探工程學(xué)”的核心在于服務(wù)應(yīng)用，以獲得更為準(zhǔn)確的地質(zhì)信息。課程的實(shí)踐性既是課程自身的需要，也是學(xué)生對本門課的主要期望。盡管前人在進(jìn)行“鉆探工程學(xué)”課程改革研究時(shí)強(qiáng)調(diào)應(yīng)增強(qiáng)課程的實(shí)踐性，但截至目前此問題并沒有得到較好的解決[5，13，14]。

2.可考慮增加科技前沿性、發(fā)展迫切性知識。為調(diào)查學(xué)生對鉆探工程科技前沿的感興趣程度，問卷中以“太空鉆探”為例對學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的認(rèn)識調(diào)查。90%的學(xué)生認(rèn)為有必要增加“太空鉆探”內(nèi)容，其中多數(shù)學(xué)生認(rèn)為增加1～2課時(shí)為宜。此外，44.3%的學(xué)生認(rèn)為增加“太空鉆探”等課程內(nèi)容可提高學(xué)習(xí)積極性，并且對未來工作可能有幫助;50.8%的學(xué)生認(rèn)為“可提高學(xué)習(xí)興趣及擴(kuò)展思維，但未來沒有從事相關(guān)工作的可能”。近年來，各行業(yè)“卡脖子”問題為科研人員和社會所關(guān)注與重視，86.7%的學(xué)生認(rèn)為有必要增加1～2課時(shí)的鉆探行業(yè)“卡脖子”內(nèi)容;73.8%的學(xué)生認(rèn)為鉆探行業(yè)“卡脖子”問題內(nèi)容“有助于提高學(xué)習(xí)積極性、有助于明確未來的發(fā)展方向”。

3.可基于問題導(dǎo)向性梳理教學(xué)內(nèi)容。問卷調(diào)研了如何在“鉆探工程學(xué)”學(xué)習(xí)中提高學(xué)習(xí)積極性。在此題目下，選擇人數(shù)最多的是“加強(qiáng)未來工作及科研中的問題導(dǎo)向，明確學(xué)有所用”（占比73.8%）;其次為“加強(qiáng)科技熱點(diǎn)導(dǎo)向，有興趣的學(xué)習(xí)”（占比70.5%）。鑒于此，建議教師在課程講授時(shí)緊密聯(lián)系課程知識點(diǎn)與工作/科研中的問題，或者基于工程問題導(dǎo)向梳理教學(xué)內(nèi)容。

二、教學(xué)方式改革分析

（一）教學(xué)方式發(fā)展及課程特點(diǎn)分析

“鉆探工程學(xué)”課程包括巖石基礎(chǔ)物理力學(xué)性質(zhì)、鉆探設(shè)備、鉆探工藝、巖心采取、沖洗介質(zhì)等內(nèi)容，涉及地質(zhì)、力學(xué)、機(jī)械、礦業(yè)等學(xué)科知識[1，14]。不同于地質(zhì)的其他專業(yè)課程，“鉆探工程學(xué)”有兩方面的特殊性：第一，課程側(cè)重于設(shè)備及工藝的講解，而資源勘查專業(yè)學(xué)生前期的機(jī)械及材料基礎(chǔ)較弱[5];第二，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，部分時(shí)候?qū)W生不能充分理解地下環(huán)境的特殊性。當(dāng)前授課主要采用PPT+板書+講授的方式，這種方式不能解決學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)中存在的問題。

隨著社交媒體、直播課程、網(wǎng)絡(luò)資源的興起，教育方式與獲取知識方式有了較大的變化，線上資源使知識學(xué)習(xí)更豐富化與便捷化[15]。目前而言，“鉆探工程學(xué)”課程開設(shè)人數(shù)相對較少，尚未構(gòu)建出系統(tǒng)化的線上教學(xué)資源，未實(shí)現(xiàn)線上線下資源的良性聯(lián)動。此外，近期興起的虛擬仿真課程較適用于“鉆探工程學(xué)”這一實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，但虛擬仿真這一更具有實(shí)際體驗(yàn)化的教學(xué)方式尚在逐步建設(shè)與完善過程中。

（二）教學(xué)方式問卷調(diào)查結(jié)果分析

教學(xué)方式方面，學(xué)生建議增加更多的動畫演示，使鉆探過程及細(xì)節(jié)更加直觀（占比75.4%），使學(xué)生更直觀地掌握鉆探運(yùn)行的原理。在課前與課后交流方面，82%的學(xué)生認(rèn)為通過構(gòu)建課程微信群傳達(dá)信息、交流問題的方式有利于課程學(xué)習(xí)，且應(yīng)該進(jìn)行更多的交流。在課前英文鉆探知識視頻播放效果方面，59%的學(xué)生認(rèn)為有助于對鉆探知識的學(xué)習(xí)并能夠鍛煉英文聽力。在實(shí)驗(yàn)及作業(yè)方面，選擇“鉆具觀測”和“鉆探設(shè)計(jì)”的學(xué)生人數(shù)最多，均為62.3%。分析調(diào)查問卷結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更傾向通過直觀感知學(xué)習(xí)相應(yīng)的理論知識，“鉆探工程學(xué)”教學(xué)方式的改革應(yīng)朝著引入動畫、虛擬仿真技術(shù)的方向改進(jìn)，使理論知識系統(tǒng)化與直觀化。

三、“鉆探工程學(xué)”教學(xué)改革綜合分析及建議

（一）“鉆探工程學(xué)”教學(xué)改革綜合分析

教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式息息相關(guān)，應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇合適的教學(xué)方式，以達(dá)到更好的教學(xué)效果[14]?，F(xiàn)代教學(xué)理念與科技發(fā)展水平要求學(xué)生對知識學(xué)習(xí)有著較高的興趣及積極性。盡管不同學(xué)生的興趣不同，但總體而言，絕大多數(shù)的學(xué)生對以下三個(gè)方面具有較高的興趣：第一，對未來工作/科研具有較大幫助的知識，學(xué)生能夠充分理解到學(xué)有所用;第二，科技前沿或者社會熱點(diǎn)知識，可滿足學(xué)生的好奇心，豐富學(xué)生的想象力;第三，行業(yè)“卡脖子”難點(diǎn)知識，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，讓學(xué)生更深刻地體會到自己學(xué)習(xí)的價(jià)值。針對此三個(gè)方面，應(yīng)緊密聯(lián)系未來工作場景及課程知識，密切聯(lián)系科技前沿與課程知識，密切聯(lián)系行業(yè)“卡脖子”問題與課堂知識。

（二）“鉆探工程學(xué)”教學(xué)改革建議

基于問卷調(diào)查結(jié)果及科技發(fā)展、行業(yè)發(fā)展形勢，對“鉆探工程學(xué)”課程改革提出以下建議。

1.拓寬課程基礎(chǔ)知識體系，融入深空等鉆探環(huán)境。以“太空鉆探”為例，可在巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論章節(jié)加入月球、火星等巖石內(nèi)容，在更廣的思維體系中向?qū)W生傳授鉆探工程學(xué)中巖石的分類及破巖機(jī)理;可在鉆具、鉆機(jī)等設(shè)備章節(jié)加入太空鉆探設(shè)備內(nèi)容，幫助學(xué)生掌握基礎(chǔ)設(shè)備及前沿設(shè)備知識;可在鉆探工藝章節(jié)加入太空鉆探環(huán)境與太空鉆探工藝，讓學(xué)生理解與掌握常規(guī)與特殊環(huán)境下鉆探的方法及差異，幫助學(xué)生發(fā)散思維學(xué)習(xí)。

2.通過前沿工程案例梳理課程知識體系。案例教學(xué)在前人對“鉆探工程學(xué)”課程研究中已成為共識，鑒于其重要性，在此應(yīng)再次強(qiáng)調(diào)案例教學(xué)的意義[5，13，14]。不僅如此，建議以先進(jìn)的工程案例串聯(lián)起課程不同章節(jié)的知識點(diǎn)，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。碳中和、碳選擇背景下，我國能源調(diào)整的一個(gè)重要方向是增加天然氣比例。在講授課程時(shí)，應(yīng)引入當(dāng)前較為前沿的非常規(guī)天然氣鉆探案例，從鉆探設(shè)備、鉆探方式等方面更新鉆探工程學(xué)前沿理論與實(shí)踐課程體系，使得課程知識具有時(shí)效性及應(yīng)用性。

3.增加鉆探工程學(xué)發(fā)展的瓶頸問題講授，啟發(fā)學(xué)生突破瓶頸的創(chuàng)新思維。與其他領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展過程中存在“卡脖子”問題相類似，我國鉆探行業(yè)的發(fā)展也存在一定的瓶頸問題，如頁巖氣開發(fā)時(shí)水平井鉆探延伸問題、探月工程中巖石鉆探問題等。教學(xué)改革過程中將進(jìn)一步讓學(xué)生了解這些瓶頸問題，理解背后的關(guān)鍵科學(xué)體系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)幫助學(xué)生開拓思維，引導(dǎo)學(xué)生以非常規(guī)的思路解決現(xiàn)有的瓶頸問題。

結(jié)語

“鉆探工程學(xué)”課程教學(xué)改革應(yīng)綜合考慮行業(yè)發(fā)展趨勢、科技最新進(jìn)展、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、學(xué)生就業(yè)方向等多種因素。建議將太空鉆探等前沿應(yīng)用場景融入鉆探工程學(xué)的課程體系，讓學(xué)生更加深入地掌握基礎(chǔ)理論知識，使學(xué)生學(xué)有所用。同時(shí)，可引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注我國鉆探工程學(xué)發(fā)展的瓶頸問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，使學(xué)生學(xué)有所創(chuàng)。在教學(xué)方式上建議對線上鉆探工程學(xué)學(xué)習(xí)資源進(jìn)行系統(tǒng)化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)線上與線下授課資源的聯(lián)動，充分利用當(dāng)前科技發(fā)展的優(yōu)勢;同時(shí)應(yīng)加快鉆探工程學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)，使鉆探工程學(xué)知識更加直觀與立體，以達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。

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Teaching Reform of the Drilling Engineering Courses under the Background of Carbon Neutralization

LIU Yu

（College of Geoscience and Survey Engineering， China University of Mining and Technology-Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： Low-carbon， green and smart development have become the consensus of the whole society. Under this background， the drilling engineering application scenario and its structural system are rapidly changing. In order to make the teaching of the Drilling Engineering course keep up with the technological development， and ensure that students have a complete knowledge system and good innovative thinking in future work and research， and based on the course characteristic analysis， questionnaire survey， industry development background analysis，etc， the study discusses the reform direction of the teaching content and teaching methods of the Drilling Engineering course. The following three course reform suggestions are put forward： to broaden thinking and consolidate the foundation， and to integrate the content of deep sea and deep space environment into the curriculum system， and further consolidate the theoretical foundation of students; to keep up with the forefront， pay attention to practice， introduce advanced engineering cases in the current development frontier to the course and sort out the knowledge system of the course， and combine the basic knowledge with practical application; to inspire students to break through the bottleneck problems by innovative thinking by the discussion of bottleneck problems in the development of drilling engineering in teaching process.

Key words： Drilling Engineering; carbon neutralization; teaching reform; resource exploration engineering