基于問題導向的案例教學法在油田化學類課程中的教學實踐

楊麗麗，蔣官澄

（中國石油大學（北京）/石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

2020年1月21日，科技部等五部門印發(fā)了關于《加強“從0到1”基礎研究工作方案》的通知，目的在于如何推動基礎性研究作為創(chuàng)新源頭和引領的作用，以此解決我國基礎研究缺少“從0到1”的原創(chuàng)性成果漏洞。努力推動科教融合、圍繞重大科技任務加強科研育人[1]。

油田化學類課程作為油氣井工程、油氣田開發(fā)工程和海洋油氣工程中必不可少的重要子領域，在現(xiàn)代石油高等教育中重要性不斷提升。依據(jù)自身學科特點來講，油田化學類課程作為專門以應用為主的工程技術學科，依靠化學方法解決油田作業(yè)中出現(xiàn)的問題，其即具備系統(tǒng)的油氣田化學知識體系，又具備傳統(tǒng)石油領域的行業(yè)前瞻性。對于石油與天然氣工程專業(yè)的大學生來說，油田化學類課程不僅能培養(yǎng)學生的專業(yè)性，也能培養(yǎng)前瞻性的研究思維，為今后的研究及生產應用奠定了極其重要的基礎。就學科內容而言，本課程是一類承前啟后的技術基礎課，是在學生相關石油本科專業(yè)課程之后承接的綜合課程[2-5]。該課程一方面承接了油田化學課程的知識系統(tǒng)性和專業(yè)性，又突出了以行業(yè)最新進展來探討今后研究與應用的主要方向，再加上課程知識量大、課時短，若僅依靠傳統(tǒng)的黑板式授課方式，易出現(xiàn)部分內容講解模糊，學生難以領悟，以及學生產生枯燥、厭學等情緒。為了提高課堂質量，并且盡可能充分調動學生的積極性及學習興趣，加強學生自我調研學習、互動探討、思維研究和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以及增強學生對當前領域研究進展的研判能力，本文探討如何將基于問題導向的案例教學法引入油田化學類課程教學中，從而在傳統(tǒng)的研究生教學方法中創(chuàng)新，達到師生有效互動、課堂質量提高的效果。

基于問題導向的案例教學法是以建構主義為理論基礎，教學過程與傳統(tǒng)的教師為中心相反，轉變?yōu)槭谡n教師主導，學生為中心，倡導學生發(fā)揮主觀能動性，以更加開放的思維參與課程調研、學習和討論，在相互合作的基礎上主動以專業(yè)知識與實際問題結合的方式進行探究，這無疑結合了課堂內與外、理論與應用的多重教學模式[6]。基于問題為導向即在授課過程中穿插和引入各種實際發(fā)生的問題，師生共同圍繞提出問題、分析問題、解決問題的模式進行探討；案例教學法為教師在講授過程中借用油田實際生產案例設置一定的教學情景，使學生在感受具體案例的基礎上，根據(jù)出現(xiàn)的問題進行分析并能夠依據(jù)專業(yè)所學提出適宜的解決方法，案例的選擇則側重于實用性、先進性、典型性、啟發(fā)性，以及實踐性。以問題為導向的案例教學法的目的在于培養(yǎng)研究生能夠運用所學理論解決現(xiàn)實生產發(fā)生的問題，使“腦與手”充分結合，逐漸形成一套技能與技巧的應用方式。將上述兩種形式構建結合成一種有力手段，即將“基于問題導向的案例教學法”應用于教學活動，油田化學類課程課堂效果必將大幅度提升[7-9]。換句話說，學生在案例的研討中依據(jù)相應出現(xiàn)的問題提出適宜的解決方法，那么就說明學生在課程中學得的相關理論已經(jīng)比較成熟，而且還可以應用于實際案例。

一 基于問題導向的案例教學法在油田化學類課程中的實踐應用

（一）超分子化學在油氣田中的作用原理與應用

超分子化學是在傳統(tǒng)化學的基礎上不斷研究出現(xiàn)的，是研究基于分子之間的弱相互作用，進而形成具有某種特定功能的分子聚集體的一個化學分支。自此概念在20世紀80年代末提出之后，通過歷代學者的不斷研究，在某些研究領域已經(jīng)將超分子取代分子成為功能的最小基本單位。超分子化學的研究已經(jīng)成為21世紀具有廣泛高新技術研究價值的新源頭，在油氣田化學領域其也發(fā)揮著巨大的作用。學生需要根據(jù)書籍、文獻數(shù)據(jù)庫等途徑對超分子相關研究進行調研，掌握超分子化學的基本制備方法，梳理知識框架，以及目前較為先進的應用案例，在發(fā)布之后，有一位同學A選擇了此項案例，并根據(jù)自己的方式進行匯報，該同學本科即為石油專業(yè)，所以有一定的專業(yè)基礎。

在超分子應用相關章節(jié)課堂開始之前，選擇該案例的同學A進行匯報，其不僅對超分子化學的概念進行詳細的闡述，并向大家介紹了超分子的分子構筑基元、分子間弱相互作用超分子體系的分子識別與組裝等結構特點。最后學生A展示了超分子化學在油氣田中調剖堵水、稠油開采中的應用。例如，若使用超分子金屬配位交聯(lián)凝膠堵漏劑配制的一定濃度的可流動性溶液在與某種剛性堵漏架顆?；ハ嘧饔孟拢梢栽诼┦油ㄟ^膠結介質形成牢固的整體，具有粘度、彈力和強度足夠大的特點，可以保證在一段可控時間內，在適宜溫度下，形成較高流動阻力，能夠有效抵抗外來力，進而堵住漏層。

學生匯報結束之后，進入自由討論交流時間，對匯報PPT中的某些疑問進行探討交流。匯報學生調研充足，對其他同學的疑問能夠進行簡單的解答。學生在討論時，對超分子化學概念與普通化學分子概念存在困惑。因為一部分學生化學基礎相對薄弱，在討論時的爭論點在于超分子的作用機制及力的相互作用。

在整個匯報加討論流程中，可以看出學生A在課下花費了充足的精力去進行調研，能夠將超分子在調剖堵水、稠油開采中的一些內容有條理地、清晰地展示出來，且能與其他同學進行探討交流、答疑解惑。因為該同學的研究方向屬于油氣田開發(fā)領域，因此其調研對超分子在鉆井中的應用較少，學生A匯報的時間相對較長、PPT也相對條理。不同于其他專業(yè)的學生，其應在現(xiàn)研究方向的基礎之上，不斷對專業(yè)知識以及其余相關知識進行涉獵查詢，不斷拓展，完善自身的理論知識體系。

（二）仿生學在油氣田中的作用原理與應用

在近現(xiàn)代不斷地對仿生的研究中，已經(jīng)將仿生應用于多種領域。但是仿生學目前還沒有一個統(tǒng)一、清晰、嚴格的定義。很多石油專業(yè)同學對仿生學的應用缺少了解，但仿生學在石油領域已經(jīng)應用較長時間，尤其是在油氣田化學領域。通過對海洋貽貝分泌物、蚯蚓分泌物、人類血液循環(huán)等的研究，發(fā)明了多種仿生系列材料，為“安全、高效、經(jīng)濟、環(huán)?！钡你@探工程提供了有力的保證。學生需對仿生學的基本原理、主要方法和主要技術進行調研展示，但不限于這些問題。在案例發(fā)布之后，學生B選擇了此案例，因學生B之前接觸油氣田化學較少，在通過微信聊天一對一交流中，授課教師為其提供了一個大體的調研方向，并在國外期刊上尋找研究實例。

學生B首先展示了仿生學的現(xiàn)代廣義定義，即學習、模擬生物、生活和生境，制造包含自然或人造生命及其組件的人工制品。即仿生學是學習、模擬大自然，在制造的人工制品中實現(xiàn)回歸自然的仿生發(fā)展理念和發(fā)展模式的科學。并指出仿生學的油氣田化學領域的研究是傳統(tǒng)技術、高技術、新技術與仿生學的有機結合，以及仿生學基本原理主要包括需求性原理、模本原理、相似性原理、可實現(xiàn)性原理和比較優(yōu)化原理。后向大家介紹了通過模仿貽貝黏附蛋白分子結構，研發(fā)出的具有黏附特性的水溶性聚合物仿生材料——仿生固壁劑，以及模擬王蓮葉片通過多節(jié)點連接成高強度、高韌度、空間受力均勻的葉脈網(wǎng)格結構，并結合貝殼的多層復合結構與組成，可變形纖維絲網(wǎng)、高強度凝膠與剛性顆粒構成的仿生停鉆承壓堵漏新材料。

其他同學在討論時對仿生學產生了極大的新鮮感，并以其他領域的仿生技術應用進行比較分析，大多數(shù)學生對仿生的認知仍處于機械領域，例如仿生機械臂、仿生機器人等。其實仿生在化學領域已經(jīng)開始形成一套獨有的體系，并在各行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。

仿生學在油氣田化學領域的研究對學生來講有極大的新鮮感，因為這是身邊事物與自己研究方向的有效結合，大大提高學生的學習興趣。因為仿生學概念沒有一個確定的范圍，因此學生B的匯報中有一些偏題，但不影響學生去理解與應用仿生知識。學生B在匯報其應用實例時表達也十分的清晰，但在討論時對涉及超低油氣層傷害仿生鉆井液技術等應對力較差。因對該技術第一次調研，但也已經(jīng)有明顯的理論知識掌握與應用了解，而且能夠依據(jù)專業(yè)知識對其在油氣田中的應用進行了補充解釋。

（三）智能材料在油氣田中的作用原理與應用

智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術材料發(fā)展的重要方向之一。目前，智能材料已經(jīng)作為堵漏材料、調剖劑、固壁劑等研究并應用于油氣田化學領域。智能材料的研究和大規(guī)模的應用無疑是多種行業(yè)的一次重大技術革命。在本案例的研討中，學生需要掌握智能材料的基本定義、組成及制備方法，并調研目前先進的智能材料在油氣田化學領域與的應用案例。在本次案例發(fā)布之后，學生C選擇此案例，但是由于學生C此前沒有接觸過石油專業(yè)領域，因此授課教師需要提供其專業(yè)基本知識學習途徑，以及相關書籍，并對案例進行調研。

學生C在課堂匯報中，首先展示了智能材料的定義及組成，并闡述了智能材料相比于傳統(tǒng)材料所具備的特征優(yōu)勢。學生C按照化學成分將智能材料分為智能金屬材料、智能高分子（或聚合物、有機物）材料、智能無機非金屬（或陶瓷）材料、智能復合材料等。常見智能金屬材料主要包括：形狀記憶合金、磁致伸縮材料等，并對某幾類進行舉例。最后學生C對智能材料在鉆井液處理劑中的應用進行了實例分析，并對智能材料的未來做出了自己的預測。

智能材料已經(jīng)廣泛應用于各類行業(yè)，在討論時，學生以航天領域的材料進行補充，以此來對材料的未來做出預測，并且與傳統(tǒng)石油行業(yè)的發(fā)展進行比較，認為智能材料將是未來油氣田化學行業(yè)發(fā)展的重要方向之一。在討論時也有學生開始討論起智能材料在其他領域的研究方向，這與本課程出現(xiàn)沖突，授課教師也在及時進行了中止與解釋。

學生C在缺乏油氣田化學領域知識的條件下，能夠按照發(fā)布的案例與問題進行調研與總結，并對自己所選擇案例的未來發(fā)展做出預測。也因為缺乏相關知識，對行業(yè)理解不夠，因此無法詳細闡述其在實例中的作用機理，例如，智能材料作為鉆井液添加劑的情況下的作用機理。其調研框架完整，雖在討論時出現(xiàn)偏題情況，授課老師能夠進行有效更正。

（四）學生總結與反饋

在油田化學類課程即將結束時，要求學生進行案例總結，并且選擇某一相關課題進行調研撰寫大作業(yè)學習報告，重點為結合案例對知識的掌握程度，寫下自己的認知與感受，并對未來技術的發(fā)展做一個預測，最后將報告提交給授課教師，供教師判斷學生對本課程知識的掌握能力，以及對此教學方法及課程進行總結，以此來對今后的課程指導作為參考。根據(jù)學生所提交的大作業(yè)結果顯示，學生A、B、C對超分子化學、仿生學、智能材料領域的調研更加深入且極具代表性，對常用的油氣田化學試劑、油氣田現(xiàn)場工藝有了更加清晰地了解，認為所學的理論知識與現(xiàn)場生產密不可分；他們學會了運用國內外論文數(shù)據(jù)庫、書刊等搜集資料，有效提升了對問題分析解決的能力，知識理論應用的能力；增強了彼此之間相互合作學習；學生對目前油氣田化學領域進展及發(fā)展方向有了更深入的認識。雖然三位學生專業(yè)知識的儲存存在著差異，但此種方法無疑時對專業(yè)知識的拓展與記憶。雖然有學生提出，希望這樣的教學方式多實施，且能延長匯報交流的時間，但是由于課時的限制，授課教師也要進行章節(jié)知識的梳理，目前每次匯報的時間偏短，對于研究內容的交流偏重于在課下進行。

（五）教學總結與反饋

根據(jù)超分子化學、仿生學、智能材料在油氣田化學領域的應用研討，發(fā)現(xiàn)即使是專業(yè)基礎薄弱的同學在基于問題導向時，也能夠根據(jù)案例對專業(yè)知識進行梳理與總結，并能夠理解與掌握。根據(jù)學生的反饋，授課教師需要不斷改進授課方法，可以依據(jù)課時，將案例的選擇權給學生，依據(jù)其研究方向與興趣進行選擇，給予學生充足的時間去調研，適當?shù)难娱L學生匯報交流時間。在對油田化學類課程進行系統(tǒng)知識講解之前，根據(jù)每一章的內容選擇適當?shù)陌咐c問題供學生選擇，并在自由創(chuàng)新的基礎上使學生進行深入調研，例如環(huán)境保護、儲層保護、鉆井液堵漏、堵水調剖等。此時學生為中心，能夠在有限的主導中對知識進行充分的整合與理解。系統(tǒng)知識的梳理還是可以依據(jù)傳統(tǒng)的教學模式，使學生在案例教學的基礎上進行不斷地強化知識。

學生是教學中心，教師是授課時可靠的指導者。授課教師在匯報之后的積極引導會對學生的思維變化有顯著的影響，必要時的啟發(fā)，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、增強創(chuàng)新能力。學生對油田化學類課程問題與案例的調研匯報，也是授課教師不斷補充自己的機會，根據(jù)學生的討論能為今后的課程講解提供參考，豐富自己的教學內容，今后類似問題的提出也能指出相應的解決方案?，F(xiàn)代社會的運行主要靠大眾的分工合作，授課教師在讓學生去調研、匯報的時候，要鼓勵學生分工合作，互相交流，培養(yǎng)其主動探究問題的動手能力，在不斷的思維碰撞中提升自己。

二 結束語

設置油田化學類課程的教學目的是培養(yǎng)大學生掌握油氣田化學課程中的基本理論知識與相關專業(yè)概念，掌握其正確含義與現(xiàn)實適用范圍，如聚合物水基溶液、壓裂液、修井完井液等；掌握常用的油氣田化學劑的基本性質和使用方法，如增粘劑、降濾失劑等；掌握與鉆完井、采油、儲運有關的基本化學作業(yè)方法，如堵水調剖、堵漏、壓裂驅油等；了解常用的油氣田化學劑的制備方法；通過相關化學劑合成實驗的講解培養(yǎng)學生的動手能力和加強學生對先進油氣田化學工藝及其原理的理解。為今后學生的科研工作及油田現(xiàn)場生產應用奠定基礎。傳統(tǒng)“黑板式”教學法是以授課教師為主，聽課的學生只會講教師講授的知識強行灌輸，以及依據(jù)教學安排機械化的教學生實踐技能，這大大限制了學生對知識的擴展及自主學習、調研和不斷創(chuàng)新的能力，牢禁了學生的開放性思維，這無疑也限制了學生今后的研究與應用。

在油田化學類課程日常教學中采用基于問題導向的案例教學法，學生置于課堂中心，老師則擔任主導角色，以更加開放性地思維去鼓勵學生、引導學生，使理論更好的應用于實際，確確實實地踐行了“實踐是檢驗真理的唯一標準”這一準則，延伸了學生的邏輯思維，提升了學生學習的主動性，深化了所學專業(yè)知識實踐性，增強了學生創(chuàng)新能力，擴展了學生的思維模式，豐富了教學模式的多樣化，使油田化學類課程的學習增加了更多趣味性，提高了教學質量。但是，實行基于問題導向的案例教學法時授課教師需注意案例的判斷與選擇，根據(jù)教學大綱與實際技術應用情況進行判別，其次案例教學需要同整個課程知識體系相銜接，最重要的是盡可能保證足夠的教學時間。

如何更加有效地提高油田化學類課程的教學質量，使其更加豐富、多姿多彩，讓學生能夠有興趣，進而愿意學、喜歡學，最終將知識熟練于心，應用在今后廣闊且深入的研究工作中，還需要廣大教育工作者的共同努力，在實踐中檢驗真知、總結經(jīng)驗，改革更好的教學模式[10]。