滲流物理實驗模塊化教學改革初探

付帥師， 李愛芬， 姚 軍， 張儼彬， 張麗麗

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

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滲流物理實驗模塊化教學改革初探

付帥師， 李愛芬， 姚 軍， 張儼彬， 張麗麗

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

根據滲流物理實驗教學現狀，引入模塊化實驗教學方法，通過可行性探究，將滲流物理實驗項目進行模塊劃分，提出了模塊化實驗教學法的實施方案和途徑。滲流物理實驗模塊化教學對教師教學和學生學習提出了更高的要求，同時加強了實驗教學的綜合性、設計性和創新性，實現了實驗材料的連續性，加強各實驗參數結果的關聯對比性，充分鍛煉學生通過實驗手段對知識的探求能力。

滲流物理實驗； 模塊化； 教學改革

0 引 言

實驗是認識自然科學規律的基本手段，實驗教學在21世紀人才培養中占有重要的戰略地位[1-5]。依托中國石油大學(華東)石油工程國家級實驗教學示范中心，“滲流物理實驗”是一門獨立設課的專業實驗課程，講授油藏巖石、流體物性和儲層滲流規律特征的重點專業實驗知識，與專業基礎課程油層物理和滲流力學所教授知識點聯系緊密，對學生的理論和實踐水平要求較高[6-10]。課程學時為24學時，包括15個實驗項目，教學內容豐富，但部分實驗項目之間聯系不夠緊密，學生學習主動性不強，上課過程中很多學生按照標準操作步驟機械化的操作儀器，課后公式化的處理實驗數據，對其測試操作背后的實驗原理理解不夠充分，讓探究性的實驗過程變成機械化的驗證過程，未能充分發揮實驗教學所具有的創造性和創新性，使得學生對實驗和理論知識的掌握不夠深層透徹。

“模塊化教學”[11-15]在課堂理論和實踐教學中應用廣泛，與傳統的“線式教學”不同，模塊化教學實踐中，把課本內容中的按照先后順序的點狀知識進行歸類整理，并按照教學內容劃分教學模塊，從模塊問題的提出，到教學模塊中要解決的關鍵問題，再到知識的學習和問題的解決，以及最終所學習知識的應用和拓展研究。將散落的知識點進一步分析總結，找出各中關聯并在教學實踐中將其連接成線，整合成面，整體推進教師教學和學生學習。

1 滲流物理實驗模塊化教學可行性探究

滲流物理實驗課程以《滲流物理實驗》(李愛芬主編)為主要教材，教材內容涵蓋了油層物理實驗中常用技術，儲層流體巖石物性測試方法、原理、測試儀器和實用，流體滲流規律測試方法和儀器使用。課程開出的實驗項目有：地層油的高壓物性；液體粘度及流變性測定；巖石潤濕性測定；巖石碳酸鹽含量測定；頁巖膨脹實驗；粒度組成分析；巖石比面測定；巖石孔隙度測定；巖石油水飽和度測定；巖石滲透率測定；巖石毛管壓力曲線測定；不可壓縮流體單向穩定滲流實驗；平面徑向滲流實驗；水電模擬實驗；鏡像反映實驗。各實驗項目的開設時間與理論課程學習內容同步，一般是先上理論課程，后進行實驗教學。

1.1 教學模塊劃分和內容制定

分析各實驗項目的實驗內容和所涉及原理儀器，根據各實驗的實驗對象介質和所測實驗物性參數，可將滲流物理實驗課程中各個實驗項目分成六個模塊。

模塊一：油藏流體物性分析，其中包括：地層油的高壓物性、液體粘度及流變性測定。

模塊二：巖石礦物組成分析，其中包括：頁巖膨脹性、巖石碳酸鹽含量測定、粒度組成分析。

模塊三：巖心骨架和孔隙物性分析，其中包括：巖石比面測定；巖石孔隙度測定；巖石油水飽和度測定；

模塊四：儲層巖石滲透性分析，其中包括：巖石滲透率測定；不可壓縮流體單向穩定滲流實驗；平面徑向滲流實驗；

模塊五：特殊巖心物性分析，其中包括：巖石毛管力曲線測定，巖石潤濕性測定；

模塊六：水電模擬滲流實驗，其中包括：水電模擬實驗；鏡像反映實驗。

補充說明：礦物組成分析、骨架和孔隙物性分析和滲透性分析都屬于常規巖心分析的范疇，鑒于實驗材料的區別以及學時安排的可行性，將常規物性分析細化成3個相對獨立的實驗模塊。

1.2 學時安排和班級試點實施

以往滲流物理實驗教學都是按照每節課2學時進行的，對于理論課堂教學，這是常用且有效的學時安排方式。相比而言，實驗教學對學生的動手能力和探索能力要求更高，在實驗過程中也更能鍛煉學生的創新思維、動手能力和協作精神。2學時的時間安排，學生往往來不及真正搞清楚研究方法，而根據實驗儀器說明進行機械性的操作，得出的結論往往是驗證型結論，不能充分發揮實驗的教學優勢。與研究生科研實驗不同，讓本科生全天候研究一個實驗內容是不切合實驗課教學實際的。實驗教學學時安排要充分考慮實驗項目內容，難易程度和時間安排的合理性。

通過對所有實驗項目的歸類劃分，考慮長學時實驗教學的必要性和可行性，共將實驗項目劃分成六個模塊，每個教學模塊實驗學時為4個學時。這種安排并不是機械性的將兩次實驗課學時相加合成為4學時的實驗課，通過對實驗項目的研究和教學內容的調整與改進，每個實驗模塊所做實驗內容都有非常密切的關聯，能夠做到各模塊實驗原理相近相通，承前啟后，所得實驗結果也有較強的關聯性、對比性和科學價值。

基于石油工程專業學生多分班多的教學實際，為提高教學質量和實驗效果，首先針對卓越工程師班進行試點教學研究。卓越工程師班的學生課程安排與普通班級不同，理論課程進度較快，安排為試點教學班級，更能鍛煉學生的學習能力和創造性思維。

1.3 模塊教學可行性保障

滲流物理實驗室具有充足的實驗設備和實驗材料；教學團隊有具有高級職稱的教授和實驗教師等，教學經驗豐富，教學方式多樣；按照“模塊研究內容提出—學生實驗方法研究和流程設計—學生書寫預習報告—模塊內容講授—分組模塊實驗—學生處理數據書寫報告”的模式，將實驗項目整合化，實驗材料連續化，讓學生對實驗原理和內容的理解更為深刻，進一步提升學生的實驗探索水平，團隊協作能力，數據處理能力和時間安排掌控能力，加深學生理論和實踐知識的掌握程度，提高“滲流物理實驗”的教學水平和學生的學習能力。

2 模塊化教學對教師和學生要求更高

模塊化教學對教師教學和學生學習的能力要求更高：① 教師要對教學內容整體把握劃分模塊，對基礎知識點的把握，細節的整合取舍，都需要教師具有較強的知識和授課水平。② 滲流物理實驗模塊化教學實行4學時的時間安排，課堂時間長，授課實驗室不止一個房間，涉及多套實驗儀器，對教師在教學實踐中的知識傳授講解以及課堂掌控能力有更高的要求。③ 模塊化學習將散落的知識點整合以后，要求學生具有更高的學習能力，包括對學習內容的整體把握和預習，實驗方案的設計和實施，知識點的掌握和聯想，創新思維的應用和培養等。

3 滲流物理實驗模塊化教學優勢體現

3.1 加強實驗教學的綜合性、設計性和創新性

以測量原油黏度測定為例，以往的實驗教學中，不少學生以機械的旋轉黏度計操作得出黏溫曲線，實驗結果多為驗證型結果，不能充分發揮實驗教學的優勢。而將流體物性分析單獨作為一個實驗模塊，學生首先要知道地層流體物性參數有幾項，然后研究各種物性參數的測量方法，設計各個物性參數測定的流程，分析實驗室測定流體物性參數的可行性辦法以及各種實驗儀器的選擇，學習不同實驗儀器的測量原理及操作方法，原油黏度作為流體物性里一個重要的參數，可以使用落球黏度計、旋轉黏度計和毛細管黏度計等方法來測定，但是各種測定方法又有各自的優勢與差別。經過一系列的設計和試驗操作，學生能夠鍛煉出科學研究中最重要的探索精神和創新思維，擺脫驗證性的機械操作，提高實驗教學的效果。

3.2 充分鍛煉學生的實驗探索精神

打破“先理論教學，后實驗研究”的固定教學模式，讓學生通過實驗探究理論知識規律的得出，培養對學生從發現未知現象到探究現象變化的規律性再到提煉理論規律的科研習慣，真正通過實驗教學提高學生的科學研究和探索能力。

以儲層巖石滲透性分析模塊為例，在之間的教學實踐中，根據達西公式，用氣測滲透率儀測定巖心的氣體滲透率，實驗中學生按照標準化的儀器操作過程，測定已有巖心的滲透率，主要加深了理論課程中達西公式的學習和掌握。經過對氣測滲透率和不可壓縮流體單、徑向穩定滲流實驗的模塊化整合，課堂教學中，學生要首先確定用什么實驗介質來模擬儲層，包括填砂模型或巖心樣品，研究不同實驗條件對實驗結果的影響，然后學習不同介質測定滲透率的方法以及公式計算，探索不同情況下實驗過程的實施方法和數據處理方法，通過學生對宏觀儲層模擬實驗和單個巖心樣品實驗的設計和操作，對比學習氣測滲透率和液測滲透率的原理和方法，探索不同實驗方法所得結果的差異性，從而鍛煉學生的多線程思維方式和對不同科研實驗方法的探索精神。

3.3 實現實驗材料的連續性，加強各物性參數的關聯對比性

以往的教學中，各物性參數如孔隙度、滲透率和比面是根據標準實驗流程測定不同巖心的參數值，實驗數據之間沒有關聯，無對比性。在模塊化教學實踐中，首先測定砂子的粒度組成，然后用已知粒度參數的砂子人工膠結制造巖心，各小組用各自的巖心進行孔隙度、滲透率、比面、毛管力曲線等的參數測定，實現了所測實驗材料和實驗結果的連續性，學生可以從實驗結果中得到孔隙度、滲透率、比面和毛管力等參數之間的相關關系，對各物性參數進行對比，加強學生對各參數的理解和掌握。讓學生親自制做巖心并測試參數，增加了實驗教學的趣味性和綜合設計性，更加鍛煉學生的動手和協作能力，也加強了學生實驗的成就感。

3.4 增加選做型創新實驗，培養學生科學研究能力

滲流物理實驗與油層物理和滲流力學中的石油專業知識緊密相連，很多機理現象都需要通過實驗方法探究，基于實驗室建設的成效以及國家級實驗教學示范中心平臺的支持條件，以及石油工程學院獨具的科研優勢，有能力開出綜合設計性的實驗項目供學生選做，從而更進一步地提高學生的探索精神和科研能力。擬開出的選做實驗項目有：油水兩相相滲曲線測定；頁巖氣吸附解吸測試研究；油水毛管力曲線測定；表面活性劑提高采收率實驗研究等。

4 結 語

論文闡述了滲流物理實驗的教學現狀和模塊化教學法在實驗教學中的應用，根據實際情況分析了滲流物理實驗模塊化教學的可行性，將滲流物理實驗課程的15個實驗項目進行歸類，劃分成各具特色的6個實驗模塊，以每個實驗模塊4個學時的時間安排組織課堂教學，并說明了模塊教學方法的實施保障。模塊化教學法在滲流物理實驗教學中初次應用，對教師教學和學生學習提出了更高的要求。滲流物理實驗模塊化教學加強了實驗教學的綜合性、設計性和創新性，充分鍛煉學生的實驗探索精神，實現了實驗材料的連續性，加強各物性參數的關聯對比性，增設選做綜合創新實驗，充分鍛煉學生通過實驗手段對知識的探求能力。

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Modularized Teaching Reform in Experiments of Flow in Porous Media and Petrophysics

FUShuai-shi,LIAi-fen,YAOJun,ZHANGYan-bin,ZHANGLi-li

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

According to the current teaching situation of experiments of flow in porous media and petrophysics, the modularized experimental teaching method is introduced. Through the feasibility study, the experiments items are divided into modules and the embodiments and approaches of modularized teaching method are proposed. The modularized teaching reform in experiments of flow in porous media and petrophysics requires more for the teachers’ lecturing and students’ studying. Also, it improves the comprehensiveness, designability and creativity of the experimental teaching. The experiments materials are used successively and the experimental parameters results are much more correlated and comparative, thus exercising the students’ ability of exploration of knowledge through experiments.

experiments of flow in porous media and petrophysics； modularized； teaching reform

2014-10-22

國家自然科學基金項目(51234007)；山東省自然科學基金聯合專項(ZR2014EL017)

付帥師(1989-)，男，山東汶上人，碩士，助理實驗師。研究方向：滲流物理實驗教學，低滲油田提高采收率和滲流機理研究。

Tel.：15318889466；E-mail：fushuaishi@upc.edu.cn

李愛芬(1962-)，女，山東安丘人，博士，教授，博士生導師。研究方向：油氣滲流、提高采收率機理等方面的研究及教學工作。

Tel.：0532-86981163; E-mail：aifenli@upc.edu.cn

G 642.423

A

1006-7167(2015)10-0165-03