石油工程水射流基礎與應用課程建設與實踐

王海柱 田守嶒 李根生 黃中偉 盛茂 張逸群 楊睿月 李敬彬

摘要：為了進一步提升《水射流基礎與應用》課程教學效果，對教學大綱和教學內容進行了修訂，輔以課堂教學方法改革，提高了學生的學習積極性與參與性，與改革前相比，學生的平均成績、優秀率、學生評教等均有明顯提高。

關鍵詞：石油工程;水射流基礎與應用;課程建設;教學改革

中圖分類號：G642.4? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）41-0160-03

高壓水射流技術在油氣鉆井提速、壓裂增產、儲層改造等方面具有舉足輕重的作用。尤其是近年來隨著油氣工程技術的快速發展，高壓水射流相關技術應用領域的寬度與深度均得到了快速拓展，從高壓噴射鉆井提速到水力噴射壓裂增產，從高壓水射流沖砂洗井解除堵塞到高油氣比射流增效，從油套管切割到水射流除垢除蠟，貫穿了鉆井、完井、采油、增產等石油工程上游全過程，因此高壓水射流相關理論與技術越來越得到重視，相應選修該門課程的學生數量也逐年增加。

為了使學生更好地掌握高壓水射流技術及理論在石油工程中的應用，在本科生和研究生課程中均開設了選修課。該門課程自開設以來一直采用高壓水射流實驗室的多媒體教學材料，教學內容與教學大綱較為陳舊?！端淞骰A與應用》課程是以高等流體力學為基礎，以實驗流體力學為手段，輔以結構設計和現場實例分析等綜合性課程。以往教學過程中發現水射流基礎理論、水射流切割機理、空化與自振射流等部分不好理解，學生很難在課堂有限的時間內聽懂并掌握，需要課前預習、課后復習。然而學生通過有限篇幅的多媒體很難將復雜的公式、射流破巖理論等理解透徹，教學效果欠佳。

因此，為了進一步提高《水射流基礎與應用》課程教學效果，進行了課程體系調整以及教學內容制訂，同時對教學方法進行了改革，并取得了較好的效果。研究成果將為新世紀石油工程科研與實踐高素質人才培養奠定基礎。

一、完善教學內容與教學大綱

水射流基礎與應用是本科生的選修課，主要講述水射流基礎理論、水射流切割機理、噴射系統和噴嘴、磨料水射流、空化與自振射流、脈沖和聚能射流、旋轉水射流等七章內容，共計2學分，32學時，其中實驗教學2學時，課堂討論2學時。課堂最后2學時以講座的形式介紹水射流技術在石油工程領域的應用，拓寬學生的知識面。隨著科技的快速發展，出現了多種新型射流技術，并在相關領域得到了成功應用，因此改革后的教學內容中增設了新型射流技術與應用，主要介紹低溫液氮射流技術、超臨界CO2射流技術、高溫熱力射流技術等，使學生對射流技術領域的最新進展有所了解。

此外，在過去幾年的教學過程中，以原理講解為主，實例較少，學生理解起來較為困難。在大量調研和實驗的基礎上，對原有的七章連續高壓水射流發生裝置基礎內容進行了更新，增加了最新的理論與發現，同時增加了大量的實例應用，通過視頻、圖片等流媒體形式展示，通俗易懂。使學生在學習基礎理論的同時，對現場應用有了更深的了解。

二、教學方法改革

從教學實踐中發現，學生對水射流技術在石油工程中的應用了解甚少，難以建立起感性認識，導致課堂教學時學生參與意識不強、大多時間是被動聽講，缺乏互動交流的基礎和研討式教學過程。為了提高學生課堂學習的積極性，提高石油工程本科生的實踐能力和創新能力，對課堂教學模式進行了改革，從原有的“填鴨式”講解教學，轉變為啟發式、小組討論教學模式，同時輔助了課堂實驗，提高了教學效果。

（一）啟發式教學

教學屬于師生雙邊活動，調動師生的積極性，使之在教學活動中發生有效互動，才能提高教學質量與效果。本門課程主要采用懸念情境的創設方法提高學生的學習積極性。

課前進行充分的教學素材準備，如相關的動畫、圖片等，同時對教學內容進行精心安排，第一步講什么、第二步講什么都要進行精心策劃，逐步引導學生，吸引學生的注意力。以第一章水射流基礎理論為例，課下需準備日常生活中常見的水射流現象及其相關工業應用圖片以及動畫視頻，先以動畫開場讓學生們了解什么是水射流，在日常生活中存在哪些水射流現象，相關的工業應用有哪些。隨后提出問題：水射流是如何產生的？給學生充足的思考時間，并引導學生積極回答問題，讓學生對水射流有了基本認識之后，再進行相關基礎理論的講解，以此提高教學效果。對積極參與討論的學生予以記錄，在期末評定中的平時成績中加分，進一步激發學生的學習動力。

（二）小組討論式教學

啟發式教學過程中并不能完全調動所有學生的學習積極性，為此還需要配合小組討論式教學模式，強化學生參與。

將學生分為5—8人的討論小組，每個小組推選一名組長。根據相關教學內容設置不同的討論問題，均以工程項目的形式提出，自主選題并組織實施，同時根據難易程度賦予相應分值（該分數將與期末考試成績掛鉤），通常給學生4周時間，最終選派一名學生以多媒體講解的形式答辯，并由老師和各小組組長打分。經過三個學期的實踐和完善，共設置了5個討論題：①消防噴嘴種類及結構，如何提高消防水槍射程？舉例說明（70分）;②自然界中的空化現象有哪些？工業生產中如何減小空化破壞作用？又如何利用空化作用？舉例說明（80分）;③影響磨料射流切割的因素有哪些？如何提高磨料射流切割效果？舉例說明（70分）;④利用fluent軟件模擬錐形噴嘴射流，得到其速度場、壓力場分布，并給出提高錐形噴嘴射流效率的意見和建議（100分）;⑤實驗或數值模擬對比研究薄壁出流及厚壁出流不同，得到其各自初始時刻的出流軌跡（公式），保存視頻、圖片等資料（100分）。

經過實踐，發現大部分學生選擇了分值較高的④、⑤兩題，并且在答辯過程中進行了很好的展示，有的學生甚至將簡單的模擬實驗器材拿到現場進行演示，表現出了很高的積極性。通過調查發現，90%以上的學生參與了小組討論，學生的自主學習意愿較強;學生講解完畢后，進行提問和解答，深入討論，最后老師進行講解，對項目實施的效果、講解表達能力、多媒體制作能力等進行詳細點評和講解，使學生通過訓練提高其項目組織實施能力、團隊協作能力、講解表達能力等，同時強化其工程意識，為學生走向工作崗位奠定基礎。

（三）完善課堂實驗

水射流基礎理論主要來源于現場實踐與實驗，為此水射流基礎與應用課程也無法脫離實驗。針對小孔口出流理論與空化射流兩部分重要內容，設置了課堂演示實驗，利用塑料瓶和吸管，自制小孔口出流實驗裝置;利用亞克力管和注射器組合，自制空化發生裝置，通過課堂演示和學生體驗操作，極大地激發了學生的興趣和學習的積極性。

此外，結合課程主體內容和中國石油大學（北京）高壓水射流實驗室的實驗基礎，設置了超高壓磨料水射流切割以及超臨界CO2噴射破巖兩組實驗。由于實驗過程中均有高壓流體，存在一定的危險性，因此兩個實驗均采用觀摩的方式進行。

實驗前向學生全面介紹實驗裝置的結構以及關鍵零部件的組成和功能，同時對學生說明今后從事該實踐活動過程中應注意的事項，尤其是安全教育方面。實驗過程中，學生積極踴躍地提問，大大地激發了學生的學習興趣。通過室內觀摩實驗，使學生對高壓水射流技術及其應用有了更加深入的了解，促進了其課堂理論學習的積極性和主動性，同時還能增強學生的安全生產意識。

（四）成績評價標準改革

以往的學生成績評價標準大多是以期末成績為主導，忽視平時成績。如期末考試成績占總分數的80%，平時作業和考勤成績占20%。這種考核模式忽視了對學生學習過程的考核，造成了部分學生平時不認真學，期末考試前突擊復習即可拿高分的現象，實際上這類學生并未學到真正的知識點，考試結束后很快就會遺忘所學知識。為了減少高分低能現象，需加強學習過程考核。為此，該課程將考勤、課后作業、討論課成績、實驗課成績等四項過程考核成績比例提高到40%，降低期末考試成績的比重。此舉可進一步提高學生學習的主動性和積極性，促使學生積極參與小組討論與實驗課，提高動手能力，為培養科研與實踐高素質人才奠定基礎。

三、教學效果分析

通過2014年到2016年三個學期的不斷改革，學生平均成績和優秀率均穩步提高，此外學生對教師的教學評價得分也逐年升高（見表1），同時從學生問卷調查的反饋來看，大部分學生認為課堂教學生動，輔以視頻教學、課堂討論、課堂實驗等方式，提高了學生參與的積極性，激發了學生的學習熱情。

四、結論

通過近四年的水射流基礎與應用教學改革，促進和完善了教學課程體系，達到了課程建設的總體目標：

（1）以創新能力培養和提高綜合素質為目標，完善了水射流基礎與應用課程教學內容和教學大綱，增設了新型射流技術與應用內容，使學生了解最新射流理論與技術的發展動向;

（2）對課堂教學模式進行了改革，從原有的“填鴨式”講解教學，轉變為啟發式、小組討論式教學模式，輔助了課堂實驗，提高了教學效果。此外，通過學生成績評價標準改革，將學生培養目標從重視結果培養轉變為重視過程培養，提高了學生教學活動參與的積極性;

（3）通過三個學期的不斷深化改革，學生的學習成績和優秀率均穩步提高，學生的反饋意見也更加積極，對教師的滿意度也逐年提升。

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