微課在油氣工程巖石力學實驗教學中的應用

韓忠英， 程遠方， 黃小光

(中國石油大學(華東) a.石油工程學院； b.儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

微課在油氣工程巖石力學實驗教學中的應用

韓忠英a， 程遠方a， 黃小光b

(中國石油大學(華東) a.石油工程學院； b.儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

為克服巖石力學實驗教學中學生參與實驗難度大、數值實驗可視性不足的弊端，提出了將微課教學模式引入實驗課堂的教學方法，并給出了油氣工程巖石力學微課實驗教學的設計原則。以制作常規巖石三軸壓縮實驗微課為例，指出錄制巖石力學實驗微課時應遵循直觀性、優選性以及操作規范性原則。分析了微課實驗教學模式的應用特征和優勢，并探討了微課模式在油氣工程巖石力學實驗教學的效果和存在問題。結果表明，油氣工程巖石力學微課實驗教學具有節省教學成本、真實性強、安全環保、易于激發學生積極性等優點，可為油氣工程巖石力學實驗教學提供了一條新思路。

微課; 巖石力學; 實驗教學; 設計原則

0 引 言

微課是指將相關教學內容聚焦在某一個環節上，利用一段視頻講解某個知識點、重點內容、疑難問題或布置課后作業等的一種新時代下的教學模式。微課的短小精悍很好地解決了學習者的問題，把教材內容進行碎片化、情景化、重組整合，把復雜的教學內容制作成可融合于課堂的視頻單元，有助于增加課堂效果[1-2]。微課作為信息化時代的一種新的教學形式，正逐步廣泛應用于不同層次的各種課堂[3-5]。

自20世紀50年代巖石力學作為一門學科被認可以來，巖石力學已逐漸受到人們的重視。在相關工科高等院校的教學中，巖石力學這門課程已經由最初的選修課改成了現在的必修課，可見其基礎性與重要性。油氣工程巖石力學是適應于石油工程領域的一門特殊的巖石力學課程[6]。隨著石油工業的發展，石油勘探開發環境日趨復雜，非常規能源逐步開采，對油氣工程巖石力學提出了更高的挑戰。油氣工程巖石力學在石油高校石油工程專業中的受重視程度越來越高。實驗教學是巖石力學教學中的一個重要環節，傳統的巖石力學實驗教學模式已經無法滿足巖石力學快速發展的需要[7-10]，為此，本文通過分析現有巖石力學實驗教學方法的研究現狀，將微課實驗教學模式引入到“巖石力學”課程教學中來。

1 巖石力學實驗教學模式的現狀

目前在工科類高等院校的巖石力學實驗教學中，根據教學條件的不同，主要分為傳統的實驗室物理模擬實驗教學和數值試驗教學[11-15]。對油氣工程巖石力學而言，一方面，實驗室物理模擬實驗教學雖然比較直觀，但多數院校由于受到經濟條件的限制，用于模擬實驗的教學設備有限，很難達到每位同學都有機會動手參與實驗的標準。比如巖石力學中的常規三軸壓縮強度實驗，是巖石力學基礎實驗之一，其實驗設備伺服控制三軸試驗機價格十分昂貴，至少需要幾十甚至上百萬美金，不可能做到人手一臺進行操作，只能是多數人圍著一臺設備觀看老師的演示實驗，這樣帶來的后果是學生對實驗的印象模糊，且很難有機會重復觀摩，導致對實驗現象和結果理解不深，從而影響整個課程效果。

另一方面，隨著計算機時代的到來，越來越多的高校選擇用數值實驗教學的手段來彌補操作實驗的不足[11,16]，由計算機軟件模擬實驗。比如在油氣工程巖石力學中講解巖石的抗壓特性時，利用計算機軟件模擬巖樣在受壓狀態下破壞的全應力應變曲線，如圖1所示，這樣僅能使學生形成一個籠統認識，缺乏真實感，達不到實驗教學的目的。

綜上所述，目前巖石力學基礎實驗教學所采取的教學方法在一定程度上存在著各自的弊端，很難滿足日益發展的巖石力學教學需要。“微時代”的到來可為巖石力學實驗的發展提供一條新的思路。

2 油氣工程巖石力學微課實驗教學的設計原則

2.1 直觀性原則

圖1 巖石的應力-應變曲線圖

微課模式短小精悍針對性強，利于觀看者在較短的時間內直觀地了解其基本內容。巖石不同于一般的金屬材料，本身非均質性非常強，動手操作過程中可以真實地掌握巖石的這一特性。進行巖石力學實驗時，為獲得較準確的結果對每個處理環節的要求都比較高。制作巖石力學實驗微課時，可將整個實驗過程分成幾個小片段進行設計。以制作常規巖石三軸壓縮實驗微課為例，整個過程可包括實驗設備介紹，試樣制備，試樣安裝，實驗過程展示及實驗結果處理等。

2.1.1 實驗設備介紹

常規巖石三軸壓縮實驗的實驗設備主要為微機控制電液伺服巖石力學三軸實驗系統，如圖2所示。

圖2 微機控制電液伺服巖石力學三軸實驗系統

微機控制電液伺服巖石力學三軸試驗機是巖石力學領域研究巖石在多種環境下力學特性的先進試驗設備，可以自動完成巖石三軸壓縮實驗。主體設備包括三軸實驗架，高壓釜，控制柜，計算機，以及圍壓泵等輔助系統。該設備主要用來測試巖石試樣在不同圍壓下的力學特性。進行微課錄制時可在介紹實物的同時，給出設備的主要技術參數，如最大軸向力2 MN，最大圍壓100 MPa等。總之，通過2～3 min的設備展示片段使觀看者對實驗設備的結構和功能有一個總體上的了解。

2.1.2 試樣制備

標準的試樣是巖石力學實驗成敗的關鍵因素之一。常規巖石三軸壓縮實驗的標準試樣一般為直徑25 mm、高50 mm的圓柱體巖心，且必須保持上下兩個端面的光滑平行，如圖3所示。巖石結構復雜，孔隙、裂縫及層理發育，部分巖石常溫常壓下脆性較強，獲取標準巖心的難度大。微課中可通過3 min左右的片段介紹標準試樣的制作過程，包括巖石的取心過程，以及標準試樣的打磨過程等。

圖3 標準巖心試樣

2.1.3 試樣安裝

油氣工程巖石力學的研究對象一般是指埋藏于地下幾百米甚至幾千米的巖石，所處地層壓力較高。為研究地層條件下巖石的力學特性，需要在試樣周圍施加較高的壓力，這就給試樣的安裝帶來很大的挑戰。關鍵點之一是試樣的密封問題。另外還有傳感器的安裝問題等。微課中可通過邊操作邊講解的辦法介紹試樣的密封問題，以及傳感器的安裝方法和原理等內容。最終將標準試樣裝配結果展示給大家，如圖4所示。本環節的微課制作可控制在2 min之內。

圖4 標準試樣裝配圖

2.1.4 實驗過程展示及結果處理

圖5 實驗過程展示圖

通過微機控制電液伺服巖石力學三軸試驗機進行實驗，加載過程及結果均可在計算機上實時顯示出來，如圖5所示。可記錄隨軸向載荷的增加，試樣的軸向和徑向變形的變化情況，以及軸向載荷的變化情況等。實驗結束時，相關實驗數據可直接導出。因巖心本身的性質和加載速度的不同決定了這一環節的用時大約在5 min。

直觀地了解了整個實驗的操作過程及實驗原理，實驗結果的處理可以很輕松地回歸到課堂上。課堂上通過與同學們的互動，共同完成實驗結果的處理，可加深對巖石抗壓特性的理解。

總之，巖石力學微課實驗的設計要本著直觀簡潔的原則，將大約2 h的操作過程壓縮到20 min以內完成，內容飽滿不拖泥帶水，直奔主題，并留有懸念，把結果處理回歸到課堂上，進一步加深了學生們對各個知識點的理解。

2.2 優選性原則

巖石力學微課實驗的設計與選題應以實用為主。優選課程的核心部分以及要求學生要掌握的重點、難點部分，例如巖石單軸抗壓強度實驗，常規三軸壓縮強度實驗，劈裂強度實驗等，有針對性地進行設計選題，并盡可能地激發學生的積極性。

2.3 操作規范性原則

微課形式教學本身具有可重復性，可隨時隨地播放。作為一種輔助教學手段應具有一定的規范性。從基本操作方法，到語言講解部分，都應嚴格按照標準進行。從某種意義上說，微課實驗教學可以看作是教科書的一部分，因此它的操作必須規范。以常規巖石三軸壓縮實驗為例，巖心加工制作標準以及實驗誤差必須達到國標要求。

3 微課模式在油氣工程巖石力學實驗教學中的應用特征和優勢

3.1 節省教學成本

油氣工程巖石力學實驗所涉及到的設備要么價格相當昂貴，要么比較精密，無法適應于公共教學平臺，這也是目前乃至今后相當長一段時間內巖石力學實驗尚不能廣泛開放的根本原因。利用微課實驗教學可有效地解決這一問題。微課模式的核心是有高質量的微視頻。有條件的教師可多制作幾個片段的操作視頻拿到課堂上展示，這樣既可保證教學質量，增加學生興趣，又降低了教學成本。

3.2 實驗真實性強

微課教學的實驗視頻是來自實驗室內的實際操作，真實性強。巖石內部結構復雜，實驗條件要求較高等因素導致巖石力學實驗的成功率偏低。巖石力學實驗過程中從取心到完成實驗，各個環節都可能失敗。開放性實驗為獲得較好的實驗結果，一般避免使用難以順利完成實驗的巖石。比如脆性較強或者層理發育明顯的巖石，很難獲取標準巖心。這種失敗的經驗則可以通過微視頻的形式帶到課堂供大家討論，大大增加了實驗的真實性。

3.3 安全環保性教學

油氣工程巖石力學的研究對象一般是處于高溫高壓狀態下的巖石。一方面，巖石在制作成標準試樣的過程中，需要對大塊巖石取心，打磨。這一過程中不可避免產生大量的粉塵，多個學生同時進行實驗會大大增加環境的污染程度。另一方面，高溫高壓的實驗條件不僅對設備要求較高，而且無形中增加了安全隱患，操作稍有不當將可能造成人員傷害。因此，操作熟練的教師或實驗人員通過親自演示并以微視頻的形式來展示整個實驗過程，這樣既避免了對環境的大量污染，又降低了安全隱患。

3.4 易于激發學生積極性

巖石力學的基本核心是探討巖石的力學問題，在一系列“枯燥”的力學理論講解之后，微課形式實驗展示環節的引入，增加了課堂教學的靈活性。同時每一視頻片段中帶回課堂思考的問題，大大激發了學生參與討論的積極性，從而能夠更深刻地理解相關知識點。

4 油氣工程巖石力學微課模式實驗教學的效果和存在問題

4.1 油氣工程巖石力學微課模式實驗教學效果分析

“巖石力學”實驗涉及到的細節多，要求高，概念相對抽象，對于力學基礎比較弱的同學來說操作和理解起來都比較困難。在微課實驗教學實施以前，多數同學圍繞一臺設備進行實驗，而且一般是力學基礎較好的同學進行操作，這樣勢必造成好的更好，差的更差兩極分化嚴重。開展微課實驗教學以來，課堂上形象化的實驗展示，充分保證了每位同學都能真實的“參與”到整個實驗過程中，兼顧了不同層次同學的需要，尤其是給懶于動手的同學增加了了解掌握實驗原理及過程的機會，大大提高了實驗教學效果。

4.2 油氣工程巖石力學微課模式實驗教學存在的問題

微課模式在油氣工程巖石力學實驗教學中的廣泛應用，適應了數字化時代的要求，微視頻與課堂討論形式的結合，可充分調動學生的積極性。然而，油氣井工程所涉及到的巖石受自身結構及地質環境等因素的影響，結構復雜，力學行為差異性較大。可以說，很難找到具有相同力學行為的兩塊巖心。這種差異性就增加了巖石力學實驗結果的唯一性，這種唯一性通過幾十分鐘的實驗是很難理解清楚的。微課形式實驗教學只能是學習巖石力學實驗過程、方法及對巖心力學性能的分析能力，達到基本教學目的。而對于真正想了解巖石力學特性的同學來說，還是需要親自動手操作，實踐中獲取正解。

5 結 語

利用微課模式作為油氣工程巖石力學實驗教學輔助工具，解決了巖石力學實驗教學過程中可操作性不強，直觀性差的問題。巧妙地運用微視頻來進行實驗教學，既可以節省教學成本，增加實驗的真實性，又可保證安全環保性教學，更易于激發學生的積極性，提高教學效果。當然，微課實驗教學主要應用于硬件條件相對較弱的情況下，而對于實驗經費充裕，設備較多的高校還是建議讓學生親自動手完成實驗。

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Application of Micro-lecture in Experiment Teaching of Oil and Gas Engineering Rock Mechanics

HANZhongyinga,CHENGYuanfanga,HUANGXiaoguangb

(a. School of Petroleum Engineering, b. College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

Micro-lecture is introduced into the experiment teaching to overcome students’ difficulties to participate in the experiment of rock mechanics and visualize data indicated in the experiments. Principles for design of micro-lecture experiment teaching in the rock mechanics related to the oil and gas engineering are proposed. For example, in the pseudo-trial compression test of rock, the principles of direct observation, optimization and standard operation should be followed. On one hand, characteristics and advantages of the micro-lecture experiment teaching are analyzed, and on the other, challenges of applying the micro-lecture to the experiment teaching of rock mechanics related to the oil and gas engineering are also discussed. It is shown that the micro-lecture experiment teaching of oil and gas rock mechanics has its advantages: high experiment authenticity, low teaching cost, and environmental-friendly safety and high inspiration for students. And it can provide a new way of thinking for the oil and gas engineering rock mechanics experiment teaching.

micro-lecture; rock mechanics; experiment teaching; design principles

2016-03-17

國家自然科學基金項目(51504280);中央高校基本科研業務費專項資金資助(16CX02022A);中國石油大學(華東)校級實驗教改項目(SY-B201422)

韓忠英(1979-)，女，山東乳山人，博士，講師，主要從事油氣井工程巖石力學相關的教學科研工作。

Tel.: 15269207505;E-mail: hanzhying@upc.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2017)02-0181-04