中美院校石油工程專業力學課程設置情況探討

林伯韜 王琪琪

摘 要 隨著油氣鉆采朝深水、深地、非常規、新能源方向邁進，石油工程專業的力學課程設置需要朝國際化、創新型的方向發展。本文作者通過實地調研、畢業生訪談、國際交流、網絡搜集的方式，分析對比了中美兩國擁有石油工程專業院校的力學課程的種類和學分設置情況。調查發現兩國院校均重視本科生力學的課程教學，強調力學在石油工程專業培養中的基礎學科屬性;而研究生課程的種類和學分存在較大差異。中國院校將多門研究生力學課程作為必修/限選課程，而美國院校則更注重學科交叉，更強調根據教師的研究領域讓其研究生跨院系自由選修。建議我國院校根據自身國情、校情，在保證力學教育強度的同時增加課程設置的靈活度，促進小班化、個性化教學。

關鍵詞 中美院校 石油工程專業 力學課程 課程種類 學分

中圖分類號：G649.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.01.007

Abstract As the drilling and exploitation of oil and gas resources are attempting to target deep water， deep underground， unconventional， and new energy types， the mechanics course setting requires for being developed towards more international and creative. The authors of this article analyzed by comparing the course settings， including type of course and course credit， of a group of Chinese universities and a group of American universities that have petroleum engineering program. The analysis was conducted by means of field survey， graduate interview， international exchange and web source exploration. It was found that the universities or colleges in both countries place equal emphasis on undergraduate education on mechanics， which means the mechanics courses are regarded by them as core ones in engineering education. However， the settings with respect to the graduate level differ to some degree. The Chinese universities assign several graduate mechanics courses as required or conditionally selective ones， whereas the American counterparts lay more stress on interdisciplinary exchange and allow for the graduate students to freely choose courses provided by other schools as directed by their advisors. It is suggested that the universities or colleges in our country make more flexible arrangement of the course settings and promote small classes as well as customized teaching according to the domestic situations， as long as the abundance of the mechanics education can be secured.

Keywords Chinese and American universities; Petroleum Engineering Program; mechanics courses; types of course; credit

0 引言

力學是涵蓋范圍廣泛的基礎學科，國內外工程力學、材料科學、土木工程、機械工程、冶金與礦業工程等眾多工科專業的核心課程都與其有著緊密的聯系。廖日坤等人[1]通過研究MIT和Stanford這兩所頂尖大學的美國工程院士的學術貢獻指出，大學的工科研究更重要在于“工程科學”而不是“技術開發”，前者應由高校承擔，而后者的主體是企業。力學課程作為高等工程教育的重要組成部分，是培養兼具國際化、創新型工程科學人才的基礎課程 。[2-4]隨著油氣行業的科學研究和技術開發在深水、深地和非常規資源及新能源（如地熱、可燃冰）領域的逐漸深入，高校石油工程專業的力學除了要解決鉆采設備的強度及效率問題，[5]還應當解決開發過程中的地應力場、位移場、井壁穩定、破巖、水力壓裂、低滲油藏水驅等復雜工程問題，急需建立適合該專業的力學課程體系。為此，筆者基于自己的海外求學經歷和國際交流經驗，剖析中美兩國擁有石油工程（或稱石油與天然氣工程）專業院校的力學課程開設情況，對比兩國學生在力學方面培養形式的不同，由此探討針對該專業優化設計力學課程體系的方向。

美國開設石油工程專業院校的力學課程普遍具有小班教學（本科課堂20-40人、研究生課堂5-15人）的特點，其關于課程內容、學時、實驗課的設置與中國院校大同小異。因此，本文著重探討中美兩國石油工程專業指定開設（即專業必修或限選）的（1）力學課程類型;（2）對應的學分設置情況。筆者通過實地調研（國內院校）、針對在校及畢業生訪談、與國內外院校教師交流、搜集網站介紹的教學信息的方式獲取并統計相關信息，涉及學校涵蓋了表1所列的9所中國院校和表2列舉的10所美國院校。

1 中美石油工程院校學位設置情況分析

本文所涉我國擁有石油工程專業的主要9所院校的信息及其學位開設情況如表1所示。這些院校都具備鮮明的地質、礦業和油氣行業特色，石油工程專業師生的體量和教學資源均頗具規模。另有一些院校如燕山大學、常州大學也開設相關專業，但由于其專業規模較小，本文暫不對其做統計分析。

表1所示的9所國內院校均具備石油與天然氣工程一級學科;除遼寧石油化工大學外，都開設有本、碩、博學位點。大部分院校依托附近油田，呈現鮮明的油田地域特色：如中國石油大學（北京）的克拉瑪依校區緊靠中石油新疆油田，中國石油大學（華東）的山東東營校區毗鄰中石化勝利油田，西南石油大學地處中石油西南油氣田附近。

本文所涉美國擁有石油工程專業的10所主要院校的信息及其學位開設情況如表2所示。類似地，這里重點討論這10所石油工程專業較具規模的美國院校，而針對其它開設有相關專業但規模很小的學校如新墨西哥礦業與技術學院、南達科他礦業與技術學院暫不作探討。

由表2可見，美國開設石油工程專業的10所院校主要地處產油區，其中擁有上述院校最多的州為德克薩斯州（3所）和俄克拉荷馬州（2所）。表2所列院校均開設了石油工程專業相關的本、碩、博學位點，名稱大多為石油工程/石油與天然氣工程，部分為能源與礦業工程（如賓夕法尼亞州立大學的博士專業）和能源資源工程（如斯坦福大學的本科、碩士和博士專業）。

2 中美石油工程院校力學課程開設情況分析

由于力學課程的種類多樣，本文將所有調研得出的力學課程按本科生和研究生培養方式分為兩組：（1）本科生課程：包括工程力學（涵蓋“理論力學”、“材料力學”、“工程力學”名稱的課程）、巖石力學、流體力學和滲流力學;（2）研究生課程，包括連續介質力學、石油工程巖石力學（亦包括類似的“油藏地質力學”課程）、彈塑性力學、高等流體力學、高等滲流力學。以上所列的課程均為所在學院要求的專業必修/限選課。特別需要說明的是，以下圖表僅表示學院對學生力學課程的基本要求，部分研究生力學課程教學由其它學院如機械工程學院、土木工程學院承擔，未有在下面的圖表列出;僅僅說明該校的該專業并無必修/限選要求，并未統計研究生在導師要求下選修其它學院的力學課程的情況。經調研統計得到我國院校針對上述課程的總學分設置情況如圖1所示，分課程的學分設置信息如表3所示。

圖1顯示9所院校的本科力學學分的分布范圍為9.5～17.5學分，研究生力學學分的范圍為2～14學分。其中中國石油大學（北京）、中國石油大學（華東）和西南石油大學最重視本科力學教育，其中后者力學課程的總學分最高（17.5學分）。各院校的研究生力學學分的設置情況類似，其中中國石油大學（華東）的學分最高（12學分）。

同時由表3可知，9所國內院校均開設了工程力學（名稱包括材料力學、理論力學或工程力學）、流體力學和滲流力學課程，3所院校未開設巖石力學課程。各校普遍開設了石油工程巖石力學、彈塑性力學、高等流體力學和高等滲流力學4門研究生為必修/限選課，但中國地質大學（武漢）僅要求必修/限選高等滲流力學。同時，僅有中國石油大學（北京）開設連續介質力學為必修/限選課程。

美國院校的本科生、研究生力學必修/限選課程的力學總學分情況如圖2所示，分課程的學分設置信息如表4所示。

圖2顯示美國院校的本科力學學分分布范圍為3～18學分，其中有7所美國院校的本科力學學分超過了12學分，最普遍開設的課程為工程力學、巖石力學和流體力學（表4）。研究生力學學分范圍為0～7學分，僅有4所院校要求研究生必須選修力學課程，且僅包含石油工程巖石力學、高等流體力學這兩門課（圖2和表4）。

通過橫向對比中美兩國院校力學課程的學分設置情況（圖1和圖2，表3和表4）可見，兩國本科生力學基礎課程設置情況相當，說明兩國院校均強調力學作為工科基礎課程的屬性。但中國院校設置的研究生力學課程的豐富（從課程種類看）和重視程度（從總學分上看）略高于美國院校。在課程種類方面，對比表3和表4可見，石油工程巖石力學、高等流體力學兩門研究生課程的設置最為普遍。此外，中美所列的19所院校僅有中國石油大學（北京）設置連續介質力學為必修/限選課;而針對彈塑性力學、高等滲流力學，僅中國院校將其設置為必修/限選課。

表4所示美國的研究生力學課程的設置較少并不代表其不重視這些課程，而是與美國院校的研究生選課較為自由多樣、且可在院系間廣泛交叉選課的特征緊密相關。筆者曾參與2015年中國石油大學（北京）石油工程專業的國際學科評估，參與評估的三位外籍專家分別為美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Dr. Lake院士、美國德克薩斯A&M大學石油工程學院院長Dr. Hill教授和美國俄克拉荷馬大學Dr. Shah教授，三位均擔任美國新聞與世界報道（US News & World Reports）的美國大學排名的評估專家。他們認為美國石油工程專業教師的研究領域更加細化，因此指導學生選課時，更注重課程的多樣性和專業性。比如賓夕法尼亞州立大學和懷俄明大學的石油工程研究生教育偏重油田化學、油氣開發領域的培養，因此對力學課程的設置比較寬松。再比如筆者畢業的俄克拉荷馬大學，有三位石油工程專業教授從事石油工程巖石力學研究，他們均要求其學生選修連續介質力學、彈塑性力學這兩門由土木工程與環境學院開設的研究生課程。