國外高校如何提高巖石力學研究生實驗裝置的研發能力

侯 冰, 陳 冬

(中國石油大學(北京) 石油工程學院， 北京 102249)

世界大學實驗室

國外高校如何提高巖石力學研究生實驗裝置的研發能力

侯 冰, 陳 冬

(中國石油大學(北京) 石油工程學院， 北京 102249)

世界頂尖級大學在開展實驗教學時，鼓勵學生在學習和操作實驗裝置的同時，思考現有實驗裝置的弊端，加強研究生主動設計和研發新裝置以滿足科研工作的需要，這與我國高校主要依賴采購實驗儀器的情況差別較大。因此，需要逐漸改革實驗教學方法，給研究生解釋實驗原理，結合機械、材料和計算機等綜合知識，鼓勵研究生動手操作，增強研究生主動思考和設計能力，提高研究生對實驗裝置的改造和研發能力。

石油工程； 巖石力學； 實驗教學； 實驗裝置

縱觀歐美發達國家的高等教育,十分重視實驗室建設和實驗教學工作,把實驗室作為科研和教學的重要平臺進行不斷的創新。從我國高校眾多創新發展資源來看,目前我國許多高校實驗室具備了為大學生創新創業提供更加優質的服務與教學指導條件[1]。但是,針對工程學科的一些特殊實驗儀器和裝置的研發能力我們還遠遠落后歐美國家的高水平院校,這主要由于開展實驗教學時,讓學生觀察為主,缺少動手操作；重點介紹實驗功能,缺少對原理的學習和掌握；強調降低實驗失敗次數,缺少對問題的思考。不利于培養學生的想象力和創造性,因此需要針對研究生實驗教學方法進行改革[2-4]。本文將介紹國外一些高校培養石油工程巖石力學專業培養研究生的方法供借鑒。

1 國外高校石油工程巖石力學實驗裝置研究狀況

通過對國外高水平大學在石油工程系的巖石力學實驗教學和研究工作時發現,我國石油高校在巖石力學領域的實驗裝置和儀器的先進程度并不亞于國外高水平院校,但研究生實驗教學水平還遠落后國外高水平院校,尤其是實驗設備研發能力、實驗研究方法、操作規范性、設備維護和安全性等方面差距較大。高校科研實驗室是高等院校科研成果的重要基地,在高等院校的發展過程和創新型人才的培養方面有著極其重要的地位和作用,但從人才質量來看,國內研究生創新創造能力明顯偏弱[5-6]。因此,通過調研與分析國外高水平院校的先進實驗教學、研究的理念和方法,加強國內高校提高對研究生實驗環節的重視程度,提高實驗教學手段,增強研究生的動手操作和思考能力,形成更多的實驗研究創新性成果，提高研究生的培養質量是我們的奮斗目標[7-8]。

1.1 美國俄克拉荷馬大學

美國俄克拉荷馬大學(University of Oklahoma)是美國的頂尖級公立大學,該校的石油工程系更是世界著名的石油院系,擁有超過20名教授,在美國相關專業院校中名列前茅。巖石力學實驗(PMI)的學術負責人是Younane Abousleiman教授,他的團隊聘任從貝克休斯公司退休的工程師為專職實驗員,負責指導本科生巖石力學實驗教學和研究生的實驗研究工作。該校巖石力學實驗室見圖1。

圖1 俄克拉荷馬大學巖石力學實驗室

研究生進入實驗室前學習巖石力學實驗原理和工程技術難點,與導師進行交流,遇到問題查閱書籍和文獻資料,在開展實驗時先要熟悉設備原理、相關輔助儀器的使用說明和技術流程,在進入實驗室后需要掌握每一項實驗環節,在實驗員的指導下動手操作。開展巖石力學實驗前需要對高壓設備進行安全檢查,高壓液氮瓶等用鏈條固定好,保證實驗室人員安全。整個實驗結束后,導師與研究生一起討論實驗結果,讓學生提出實驗過程中存在的問題,也告知學生現場工程上遇到的新問題,然后大家共同研究是否需要改進儀器功能或加工輔助設備以滿足實驗要求。

巖石力學實驗關注的對象是巖心,通過學生設計的刻度轉盤,可以在實驗前對巖心360°旋轉拍照,保證讓巖心表面特征全部展示,為后續研究保留圖片數據，巖心轉盤照片見圖2。

圖2 巖心轉盤照片

1.2 澳大利亞新南威爾士大學

澳大利亞的新南威爾士大學(University of New South Wales)是澳大利亞的頂尖級公立大學,該校的石油工程系在國際上也是久負盛名,該校也十分重視巖石力學實驗室的建設和教學工作。巖石力學實驗室的多數實驗裝置都是教授和學生共同研發,實驗裝置安裝后,在每個裝置上都貼出原理圖,方便學生操作時掌握設備原理，該校巖石力學實驗室及設備見圖3。

圖3 新南威爾士大學巖石力學實驗室及設備原理照片

該校的巖石滲透率測試儀器也是通過采購實驗零件,由學生自行加工夾持器缸筒,自行組裝,然后讓相關檢測人員進行安全測試后再開展實驗研究,完全可以滿足高溫高壓條件下的實際儲層特點測試研究的要求。巖石滲透率測試設備及其原理線路見圖4。

圖4 巖石滲透率測試設備及原理圖

2 研究生巖石力學實驗裝置研發能力的培養方法

石油工程巖石力學是石油工程的專業基礎課程,巖石力學實驗教學是石油工程科學最基本的教學手段之一,在實踐教學中起著至關重要的作用[9]。石油工程巖石力學實驗涵蓋鉆井工程、完井工程、油藏工程、油氣田開發、巖石物理、測井等多門課程的教學內容。如果巖石力學實驗室相關實驗裝置只是圍繞上述課程的基礎研究進行儀器采購,開展實驗時主要是通過教師講解實驗操作、安全規范和流程,然后讓學生按教材要求進行操作和測試相關參數,這樣不利于學生對石油工程巖石力學實驗理論和方法的綜合掌握,沒有充分激發學生對實驗現象和問題的思考,尤其是難以提高學生對巖石力學實驗裝置的改造和研發能力。因此,在高校里應對研究生加強研發巖石力學實驗裝置的能力的培養,解決研究生科研水平不高、動手能力不強的問題，解決畢業生就業結構性的矛盾。

巖石力學實驗裝置研發是培養研究生綜合創新能力的重要體現。它可以在傳授知識、開發智力、訓練技能、組織能力、創造能力、科學實驗素質、思想品德教育等方面的培養發揮有目共睹的作用[10-12]。培養研究生研發巖石力學實驗裝置的過程要重點圍繞3個方面的內容，見圖5。工程研究需求是目標,課程體系培養是重點,實驗裝置設計是保障。

圖5 研發巖石力學實驗裝置的培養模式

針對工程需求,要圍繞現場實際問題進行調研,與現場工程師開展技術交流,結合施工難點設計實驗方案,論證開發該實驗裝置的可行性,形成設備研發思路和對需求的解決方案。鼓勵學生對相關學科交叉學習,例如石油工程學院的研究生可以選擇機械學院的主干課程,旁聽重要章節,調研研究文獻,加強自學能力；對于實驗室內的小尺度研究需要建立相似準則以滿足現場尺度要求。針對實驗裝置如何設計,要求學生學習機械制圖和設計,了解鋼材選型,查找相關配件采購地點,到加工車間與工人實時交流,溝通儀器設備組合安裝存在哪些問題,保證設備運行的可靠性。

3 國外高校經驗的啟示

我國在“十一五”和“十二五”期間,高校石油工程巖石力學專業采購了許多國外先進的儀器設備,從發展趨勢看還有很大的發展空間,未來實驗室針對這些先進的儀器設備的研發是學校轉型改革的重要途徑。通過對研究生的能力培養,提高創造創新能力,以此作為學校實驗室改革的突破口,為進一步深化教學改革奠定基礎。國外的經驗對我們的啟示是:

(1) 我國油氣資源豐富,很多領域有待開發，例如,高溫高壓超深層的鉆探、非常規儲層的復雜構造特征和低滲透儲層的改造等工程難點給巖石力學儀器設備的研發提出了更高要求,這需要培養能夠自主研發相應巖石力學實驗裝置的創新性人才,才能實現我國油氣資源的高效開發。

(2) 我國高校面臨新的轉型,研究型高校的實驗室建設尤為重要,為發揮實驗室在科技創新中的作用,

這需要培養研究生自主設計和改造實驗裝置的綜合能力,提高我國石油工程巖石力學的創新研發能力。

(3) 實驗裝置的研發是掌握多個學科交叉能力的體現,高校應該鼓勵學生在校期間進行相關重點學科的交叉選課,選擇感興趣和有實踐性的課程,培養學生的綜合創新能力。

References)

[1] 鄧文婷. 激發大學生創新創業背景下高校實驗室功效再造[J]. 高教探索,2016(1):95-98.

[2] 榮華偉,錢小明,錢靜珠. 關于高校實驗室開放管理的探索與實踐[J]. 實驗技術與管理,2014,31(12):233-236.

[3] 張穎,趙二剛,張紅賓. 高校實驗室安全教育培訓模式探析[J]. 實驗室科學,2015,18(3):185-188.

[4] 黃明奎. 巖石力學課程數值實驗教學探索[J]. 高等建筑教育, 2009,18(4):129-132.

[5] 吳文華,施鎮江,朱娟娟，等. 智能管理系統在高校實驗室管理中的應用[J]. 實驗室研究與探索,2014,33(11):259-264.

[6] 李洋. 高校實驗室協同創新平臺共建與共享芻議[J]. 實驗室研究與探索,2014,33(11):297-300.

[7] 張來斌. 深入實施國際化戰略 加快高水平大學建設[J]. 世界教育信息,2013(5):49-55.

[8] 張來斌. 面向中國石油工業 探索國際化人才培養體系[J]. 大學(學術版), 2012(9):53-58.

[9] 吳姜. 巖石力學實驗教學改革探討[J]. 長春教育學院學報,2012,28(8):102-103.

[10] 凌輝，張媛.一流學科建設需要一流實驗室作為支撐[J].實驗技術與管理,2014,31(3):217-219.

[11] 武曉峰,高曉杰.高校實驗室建設發展報告(2014)[M].北京:清華大學出版社,2014.

[12] 劉曉穎,劉堯.大學生實習如何落到實處[J].教育與職業,2014(16):34-38.

How to improve geomechanics graduate students’ R&D ability for experimental device in foreign universities

Hou Bing, Chen Dong

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102200, China)

Regarding the experimental teaching, the world top universities not only encourage their students to learn and operate the experimental devices, but also think about the disadvantages of such devices, and try to stimulate their graduate students’ initiative to develop new devices to meet the needs of scientific research, which shows a big difference about the China's colleges and universities that mainly rely on the purchase of experimental instruments. Therefore, the reform on experimental teaching methods should be carried out gradually, which includes explaining the experimental principle to students, combining the comprehensive knowledge about machinery, materials, knowledge, etc., to encourage the graduate students to do hands-on work, enhance their initiative thinking and designing ability, and improve their ability to transform and develop experimental devices.

petroleum engineering; geomechanics; experimental teaching; experimental device

G643

: A

: 1002-4956(2017)09-0268-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.069

2017-03-21

中國石油大學(北京)青年骨干教師教改項目“‘石油工程巖石力學’實驗教學改革”

侯冰(1979—),男,遼寧北鎮，工學博士,副研究員,碩士生導師,主要從事石油工程巖石力學領域的研究.

E-mail:binghou@vip.163.com