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)大綱及效果評價(jià)指標(biāo)體系，通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐等活動全面培養(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)評價(jià)

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：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)油開始，我國的石油天然氣行業(yè)就為新中國的經(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)，我國石油與天然氣對外依存度分別為73%和41%;2021年我國后疫情時代的經(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發(fā)均對石油工程的新工科建設(shè)提出了更高要求，所有專業(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)評價(jià)。同時，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)時的基礎(chǔ)上，增加學(xué)生的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐學(xué)時。

一、線上教學(xué)與混合式教學(xué)效果的評價(jià)

石油工程是東北石油大學(xué)的主干專業(yè)，是全國重點(diǎn)學(xué)科，專業(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（如頁巖油/氣）等領(lǐng)域傾斜。所屬的油氣井工程也是國家重點(diǎn)學(xué)科，有國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)在正面臨著專業(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)時縮減為32學(xué)時，鉆井工程設(shè)計(jì)則由短學(xué)期的實(shí)踐活動調(diào)整為32學(xué)時的實(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（石油工程專業(yè)7個本科生班級）學(xué)習(xí)48學(xué)時的鉆井液工藝原理課程。在本校的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上，我們上傳了自行精心錄制的26個時長均約45分鐘的教學(xué)視頻，供學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。及時與學(xué)生進(jìn)行互動，隨時解答學(xué)生在線學(xué)習(xí)過程中遇到或提出的各種問題，使學(xué)習(xí)和理解能力較弱的學(xué)生及時跟上課程進(jìn)度。理論學(xué)習(xí)結(jié)束后立即進(jìn)行測驗(yàn)，檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并將測驗(yàn)結(jié)果計(jì)入學(xué)生的平時成績，平時成績與期末的考試成績各占50%。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種教學(xué)方法的效果非常好，學(xué)生最終的平均成績超過80分。

至于實(shí)踐環(huán)節(jié)，我們也在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上傳了10多個相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)教學(xué)視頻。由于每個學(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)，我們在提供錄播視頻的同時，還開通直播，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)，我們都會一一舉例說明，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，同時利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺進(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，以方便石油工程專業(yè)2018級200多名學(xué)生的專業(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業(yè)的碩士研究生。

自2021年秋季學(xué)期開始，按照修訂后的教學(xué)大綱和教學(xué)課時（32學(xué)時）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理解和掌握的內(nèi)容，可以通過課后觀看視頻進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和鞏固。

在課程教學(xué)近半時，我們從自建題庫中隨機(jī)抽取難易程度不一、題型多樣的試題，對學(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，避免了教師對學(xué)生成績的主觀影響;當(dāng)然，由于缺少了綜合論述題，學(xué)生對專業(yè)知識的綜合理解和運(yùn)用能力可能會受到一定的影響。

二、教學(xué)大綱及效果評價(jià)指標(biāo)體系

在新工科建設(shè)前，鉆井液專業(yè)課是48學(xué)時，課程目標(biāo)多達(dá)7個，對應(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)量分析卻并不樂觀。例如，取2018級30名學(xué)生的考試試卷和平時作業(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)的測驗(yàn)平均分×支撐該課程目標(biāo)的測驗(yàn)占分比例）/該課程目標(biāo)總分值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

為了滿足專業(yè)認(rèn)證的持續(xù)改進(jìn)要求，為了新時代新工科下的專業(yè)發(fā)展，我們對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)精簡，對教學(xué)大綱進(jìn)行了全面修訂。從2021-2022學(xué)年度開始，鉆井液課程由舊版培養(yǎng)方案的48學(xué)時改為32學(xué)時，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)雜問題，轉(zhuǎn)為本門課程和工程實(shí)踐結(jié)合較為緊密的部分內(nèi)容，在精簡課程目標(biāo)的同時，并不減少對畢業(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，無機(jī)處理劑重鉻酸鉀對人體肺部有不良影響），強(qiáng)調(diào)其危害。同時還在授課內(nèi)容中，追蹤科技熱點(diǎn)，及時引入新出現(xiàn)的環(huán)保且保護(hù)儲層的生物高分子等新型材料和技術(shù)。

從教學(xué)進(jìn)度過半的中期檢查結(jié)果可見（圖2），課程目標(biāo)的考試成績?yōu)榱己靡陨希虒W(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)，接下來我們順利申請到省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的設(shè)計(jì)類實(shí)踐項(xiàng)目。

本設(shè)計(jì)過程涉及許多理工科的基礎(chǔ)知識（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。在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時，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)示例多是參照上個世紀(jì)90年代出版的《鉆井手冊》所給出的國內(nèi)外數(shù)據(jù)。該手冊主要涉及的是常規(guī)油氣田的開采，現(xiàn)已不能滿足“雙碳”形勢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)生在很短的時間內(nèi)學(xué)會如何進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，但是，卻很難在短短的32學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生融合前幾年學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識，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)會使用的難度更大，而且程序難以升級。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切力等流變參數(shù)的影響。對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，由于時間和知識結(jié)構(gòu)的限制，往往簡單地選擇鄰井資料來替代。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)生對于十六大類鉆井液處理劑也知之甚少。

為了更好地通過設(shè)計(jì)實(shí)踐來促進(jìn)教學(xué)，我們基于油氣田鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫和信息平臺，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)行歸類采集，通過數(shù)據(jù)分析和人工智能等技術(shù)手段，結(jié)合python等高級計(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)（見圖3）。將地層類型和井的類別與鉆井液體系、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，可以對現(xiàn)場鉆井參數(shù)的設(shè)計(jì)和維護(hù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和動態(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，還獲得了今年的“第十一屆中國石油工程設(shè)計(jì)大賽”綜合組全國三等獎的佳績。

四、結(jié)束語

近年來，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)語言和軟件的逐步普及，能源類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，節(jié)約教學(xué)、設(shè)計(jì)和時間管理成本。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，可以更好地完成專業(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，進(jìn)一步提升自己的授課能力即教書育人能力。教師除了接受教育部的思政培訓(xùn)外，也接受現(xiàn)場專家的培訓(xùn)（如大慶油田井控專家對學(xué)校專業(yè)課教師的井控技術(shù)培訓(xùn)）。專業(yè)課教師將來還必須在規(guī)定時間段參與現(xiàn)場實(shí)踐，真正做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，為國家培育出更多更好的卓越工程師。

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