CDIO工程教育模式的油氣滲流力學(xué)改革
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摘要：針對學(xué)生在學(xué)習(xí)油氣滲流力學(xué)中表現(xiàn)出來的創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)能力不足以及油氣滲流力學(xué)課程中存在的教學(xué)難，理解難等問題，結(jié)合cdio教育理念和模式，從理論教學(xué)、實(shí)踐培養(yǎng)、人際交往和社會融合諸方面進(jìn)行探索，將課堂教育與課后自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，改進(jìn)教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生認(rèn)知水平，進(jìn)而構(gòu)建油氣滲流力學(xué)培養(yǎng)的新模式。
關(guān)鍵詞：地下滲流力學(xué)；CDIO；教學(xué)改革
瑞典皇家工程學(xué)院、美國麻省理工學(xué)院等國際知名大學(xué)在20世紀(jì)90年代創(chuàng)立了“CDIO”工程教育理念——CDIO是Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計）、Implement（實(shí)施）和Operate（運(yùn)行）4個英文單詞的縮寫[1]。其核心理念是利用豐富的大學(xué)資源、學(xué)科齊全等優(yōu)勢，在專業(yè)核心課程教學(xué)中，結(jié)合產(chǎn)品從研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)到運(yùn)行過程中涉及到的相關(guān)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、企業(yè)和社會等一系列團(tuán)隊綜合大項(xiàng)目，融入工程實(shí)際，訓(xùn)練和提高學(xué)生個人素養(yǎng)、基礎(chǔ)知識、工程意識和團(tuán)隊精神[2-3]。滲流力學(xué)主要研究在多孔介質(zhì)中流體的流動規(guī)律，不僅源自于流體力學(xué)，也與其他學(xué)科有不同程度的關(guān)聯(lián)性，經(jīng)常運(yùn)用在工程技術(shù)方面，如石油天然氣工程地下流體能源開發(fā)等。油氣層有著極其復(fù)雜的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)和不規(guī)則的外部幾何形態(tài)，油藏流體在內(nèi)部分布特征和流動情況復(fù)雜多變，認(rèn)識滲流的普遍規(guī)律、建立油氣儲層特征數(shù)學(xué)方程都需要滲流力學(xué)作為基礎(chǔ)[4]。滲流力學(xué)教學(xué)目標(biāo)是掌握各種驅(qū)動條件下地層流體所表現(xiàn)出不同運(yùn)動規(guī)律，能夠熟練計算產(chǎn)能，利用不穩(wěn)定試井方法得出地層各個參數(shù)，為實(shí)際工程應(yīng)用奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。滲流力學(xué)具有3個比較突出的特點(diǎn)：紛繁復(fù)雜的理論所表現(xiàn)出的基礎(chǔ)性，能夠在工程中得到實(shí)踐的應(yīng)用性，與其他多學(xué)科相關(guān)的前沿性。對學(xué)生來說，滲流力學(xué)研究對象為在多孔介質(zhì)中流動的流體，研究目標(biāo)為流體的流動規(guī)律。正是由于相對抽象的研究目標(biāo)和對象，學(xué)生無法切實(shí)體驗(yàn)，任課教師難以用闡述。另外，假設(shè)條件繁雜、數(shù)學(xué)模型抽象、理論推導(dǎo)理解困難、教學(xué)過程乏味，大部分學(xué)生感到無從學(xué)起。加之要求學(xué)生有一定數(shù)學(xué)建?；A(chǔ)，但大部分學(xué)生并不了解數(shù)學(xué)建模，無法將實(shí)際生產(chǎn)與數(shù)學(xué)公式之間聯(lián)系起來，無法形成高效、系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法。對教師來說，現(xiàn)代滲流力學(xué)是與多種基礎(chǔ)學(xué)科相互滲透的交叉性學(xué)科[5]，知識跨度范圍大，由于不同專業(yè)學(xué)生所具備的背景知識有差別，難以掌控教學(xué)難度。高等工程教育改革迫在眉睫的問題是培養(yǎng)和提高創(chuàng)新性和實(shí)踐性。為了解決這些問題，在課程教學(xué)中，將教師單方面教授知識轉(zhuǎn)變?yōu)樽寣W(xué)生涉及其中的研究活動，理論與實(shí)踐相結(jié)合，挖掘?qū)W生潛力，培養(yǎng)創(chuàng)新性思維，提高探究性學(xué)習(xí)能力，學(xué)以致用。因此，需要利用“CDIO”工程教育理念對教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新和改革，提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，從而培養(yǎng)創(chuàng)新意識和CDIO工程能力[6]?！癈DIO”工程教育模式不僅能夠培養(yǎng)創(chuàng)新和實(shí)踐能力，還整合了4種能力結(jié)構(gòu)：理論層面知識體系，實(shí)踐層面能力體系，人際交往技能體系，與社會融合技能體系。以培養(yǎng)這4種能力為目的，對滲流力學(xué)課程進(jìn)行了探索和改革。教師主導(dǎo)基礎(chǔ)理論知識，主要任務(wù)是將學(xué)生思路引向?qū)嶋H，學(xué)生結(jié)合儲備知識具體分析實(shí)際問題，把基礎(chǔ)理論與實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合起來，客觀生動地理解課程內(nèi)容。嘗試新的實(shí)踐教學(xué)方法，整合實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，改變實(shí)踐課程系統(tǒng)，建立基本職業(yè)技能培訓(xùn)與理論教學(xué)相輔相成的實(shí)踐教學(xué)新理念，鞏固學(xué)生基本技能，增強(qiáng)個人與團(tuán)隊協(xié)作，學(xué)生開發(fā)創(chuàng)新能力和職業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)齊頭并進(jìn)。
一、理論知識教學(xué)
將理論知識與學(xué)科發(fā)展新成果結(jié)合起來，通過各種教學(xué)手段，傳遞學(xué)生需要掌握的內(nèi)容，引導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)思考，增強(qiáng)創(chuàng)新意識。為了使理論教學(xué)客觀生動，使用FLASH動畫等現(xiàn)代教育手段（尤其是在勢的疊加、水驅(qū)油理論、壓降漏斗等較為抽象的章節(jié)），激起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[7]。注意常規(guī)教學(xué)方法與現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)手段相結(jié)合、理論與實(shí)際相結(jié)合、課堂與課后相結(jié)合及講授與課堂討論相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，使學(xué)生分析和解決問題能力得到提升。一是常規(guī)教學(xué)方法與現(xiàn)代技術(shù)手段結(jié)合。知識點(diǎn)存在難易，由簡到繁講解知識點(diǎn)，必然有相互聯(lián)系密切的知識點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生在大腦中建立樹狀圖，由主干知識延伸到分支，分支越多，對于知識的掌握就越豐富。比如，在講解達(dá)西滲流時，從一維線性流動推廣為多維，從單相流推廣為多相流，從平面一維線性流推廣為徑向流。總之，通過知識點(diǎn)間的相互聯(lián)系和對比，使學(xué)生掌握新知識的同時復(fù)習(xí)舊知識[8]。在推導(dǎo)書本理論公式過程中，適當(dāng)采用板書形式，使學(xué)生深刻記憶并且透徹理解公式中各個量的物理意義。對于工程案例，利用多媒體教學(xué)，采用課件形式不僅能夠動態(tài)表現(xiàn)工程實(shí)施，還使數(shù)學(xué)建模理論淺顯易懂，提升學(xué)習(xí)效果。二是理論與實(shí)際結(jié)合。針對課堂講授較為枯燥，課程理論性較強(qiáng)的特點(diǎn)，在教學(xué)中將一些生活中的知識融入，使學(xué)生感到理論知識貼近生活，減少對課程的疏離感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。比如，可以通過營養(yǎng)液在植物內(nèi)的流動來闡述“滲流”的概念。三是理論與實(shí)際研究結(jié)合。授課時將教師對“滲流力學(xué)”相關(guān)實(shí)際研究成果引入，將教師發(fā)表的有關(guān)論文作為延伸閱讀，豐富和延拓課堂教學(xué)內(nèi)容。通過教學(xué)案例，把前沿知識傳遞給學(xué)生，在提高課程教學(xué)質(zhì)量的同時，使學(xué)生加深對學(xué)科的認(rèn)識和理解。四是理論與現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)合。學(xué)生在滲流力學(xué)的課堂教學(xué)中，開始要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)概念和專業(yè)名詞，如流量、壓差；接著是掌握一系列規(guī)則和定律，并且理解概念間的關(guān)聯(lián)性，如達(dá)西定律之中通過壓差，可以聯(lián)想到流量和滲透率這兩個概念；最后是應(yīng)用，即嚴(yán)格按照定律嘗試解決問題，如計算油田產(chǎn)能?？梢酝ㄟ^滲流力學(xué)公式預(yù)估產(chǎn)量，甚至可以設(shè)計產(chǎn)能。應(yīng)將主要精力放在引導(dǎo)學(xué)生解決問題上，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程逐步產(chǎn)生興趣，提高創(chuàng)新思維。五是課堂與課后結(jié)合。僅傳授知識無法培養(yǎng)創(chuàng)新意識，要在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。鼓勵學(xué)生參加全國石油工程知識競賽和石油工程設(shè)計大賽，學(xué)生可以直接應(yīng)用所學(xué)知識。在設(shè)計大賽中，要求將多門石油學(xué)科相結(jié)合，以培養(yǎng)卓越工程師為目標(biāo)，充分發(fā)揮創(chuàng)新能力，設(shè)計作品，鍛煉和提高專業(yè)素養(yǎng)和能力。另外，學(xué)校自行組織相關(guān)活動，促使學(xué)生參加，如西南石油大學(xué)組織了石油工程小知識競答，并為優(yōu)勝者頒發(fā)獎狀。六是課堂講授與討論結(jié)合。結(jié)課時將學(xué)生分小組并進(jìn)行課堂演講，學(xué)生自主討論如何分析與建立模型。具體學(xué)習(xí)步驟如下：聯(lián)系工程實(shí)際問題和理論知識，抽象出滲流數(shù)學(xué)模型；通過數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)換為理論計算；通過計算結(jié)果，進(jìn)行分析，闡述問題本質(zhì)與規(guī)律。
二、實(shí)踐能力培養(yǎng)
在滲流力學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)方面，要求學(xué)生不僅有處理理論問題與工程實(shí)踐技能，還要有知識創(chuàng)新與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技能。聯(lián)系所需人才要求和特點(diǎn)以及行業(yè)發(fā)展，將有關(guān)實(shí)際現(xiàn)場項(xiàng)目和知識系統(tǒng)結(jié)合，制訂成實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。在學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計過程中，掌握要求內(nèi)容，豐富知識面，核心是CDIO工程教育理念，將構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)施、運(yùn)行這四大環(huán)節(jié)融匯在實(shí)踐教學(xué)中。在設(shè)計實(shí)踐教學(xué)過程中，指導(dǎo)學(xué)生有條不紊地完成CDIO的四個環(huán)節(jié)，具體實(shí)踐過程中，以工程和實(shí)驗(yàn)設(shè)計實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)。（一）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目側(cè)重訓(xùn)練學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本技能、創(chuàng)新研究和綜合設(shè)計能力，努力減小教學(xué)性實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐的差別。創(chuàng)建了“以基本實(shí)踐教學(xué)為主體、創(chuàng)新能力提升和知識技能拓展為兩翼”的工程實(shí)踐創(chuàng)新機(jī)制。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，提升學(xué)生對理論知識的認(rèn)識。學(xué)生能夠?qū)嶋H上手的是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其大致分兩類，一類是單向穩(wěn)定滲流和徑向穩(wěn)定滲流實(shí)驗(yàn)，另一類是多井干擾滲流場模擬實(shí)驗(yàn)。比如，不可壓縮流體單向穩(wěn)定滲流實(shí)驗(yàn)和平面徑向流，觀察壓降情況，并且驗(yàn)證達(dá)西定律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場相差較大，實(shí)際情況下油氣儲集和滲流通道中充滿了縫隙，學(xué)生需要分析產(chǎn)生誤差的原因。首先，分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計部分，實(shí)驗(yàn)原理是否正確，實(shí)驗(yàn)步驟是否合理，是否契合實(shí)際情況，假設(shè)條件是否得當(dāng)，是否考慮了流體流動狀態(tài)、地層是否均質(zhì)（非均質(zhì)程度）、井間干擾的狀況。其次，分析實(shí)驗(yàn)操作，基本的操作是否得當(dāng)，是否產(chǎn)生了偶然誤差。增開“滲流力學(xué)”虛擬實(shí)驗(yàn)，選擇開設(shè)水電比擬實(shí)驗(yàn)研究，了解徑向流、井間干擾和井段之間的相互作用；水力積分儀實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層條件，觀察壓力隨時間的變化過程。通過多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段創(chuàng)建模擬實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者同樣可以完成一系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，得到的結(jié)果與實(shí)際操作中所獲得的結(jié)果相差不大。開放研究生滲流力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，為申請科研課題和愛好科技創(chuàng)新的學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)平臺。通過專題講座、導(dǎo)師論壇、配置專門指導(dǎo)教師等形式，幫助學(xué)生學(xué)會課題研究和科技創(chuàng)新方法，多渠道建設(shè)創(chuàng)新實(shí)踐平臺，為學(xué)生提供創(chuàng)新機(jī)會。組織和幫助學(xué)生設(shè)計實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生參與課題研究。將學(xué)生分成多個小組，教師提出一個大課題，學(xué)生以此為基礎(chǔ)討論小課題，經(jīng)過調(diào)研、設(shè)計、試驗(yàn)、總結(jié)、成果展示等一系列過程完成課題研究。（二）軟件應(yīng)用將各類數(shù)學(xué)軟件進(jìn)引入課程學(xué)習(xí)，能夠快捷計算、繪圖、優(yōu)化、處理數(shù)據(jù)。利用主打具有豐富工具包Matlab、主打符號計算的Maple和主打建模的Eclipse等軟件對偏微分方程進(jìn)行數(shù)值模擬、分析和仿真。例如，滲流力學(xué)中的各種符號計算以及數(shù)值計算，能夠加深學(xué)生對滲流力學(xué)的熟悉程度，明白公式所代表的意義，提高分析以及解決問題能力。
三、人際交往能力培養(yǎng)
人際交往能力包括與個人、團(tuán)體協(xié)作能力、溝通能力以及大局意識?；凇癈DIO”教學(xué)模式的改革，能夠培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作、交流溝通、積極創(chuàng)新等品質(zhì)。在教學(xué)過程中，將學(xué)生分為多個項(xiàng)目組，每組設(shè)立一個組長，組員與組員互相協(xié)作形成有效的團(tuán)隊。除此之外，學(xué)生走向社會，積極深入相關(guān)企業(yè)學(xué)習(xí)團(tuán)隊合作，逐漸培養(yǎng)團(tuán)體協(xié)作精神、創(chuàng)新精神、工程精神、社會交往和實(shí)際運(yùn)用能力等。對考核方式進(jìn)行改革。改變過去陳舊的“教師對學(xué)生進(jìn)行評價”模式，學(xué)生既擔(dān)當(dāng)項(xiàng)目參與者角色，也是評價者。通過這種模式，學(xué)生能夠?qū)⒆约旱闹饔^能動性發(fā)揮出來。結(jié)課時，要求每組學(xué)生分別從如何設(shè)計構(gòu)思、如何操作運(yùn)行、最后結(jié)論、項(xiàng)目總結(jié)和最終收獲5個層面進(jìn)行答辯。項(xiàng)目最終評分分為3部分：任課教師給每個小組評分，小組討論互相評分，小組自評打分。3個方面的得分按照一定比例加權(quán)就是每個小組的最終得分。在這種小組協(xié)作互動型考核模式中，通過自評與互評，最大程度利用了教學(xué)資源以及最優(yōu)化教學(xué)效果，學(xué)生能夠不斷相互學(xué)習(xí)與自我提升。
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作者:卞小強(qiáng) 黃金輝 楊火海 單位:西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院