石油工程巖石力學(xué)工程案例教學(xué)方案設(shè)計

譚 強 鄧金根 蔚寶華

（中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 北京 102249）

“巖石力學(xué)”是固體力學(xué)的一個分支，主要研究巖石在外界因素作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和穩(wěn)定或失穩(wěn)狀態(tài)，具有理論性和應(yīng)用性較強、與實驗結(jié)合緊密等特點。在我國本科教育中，“巖石力學(xué)”課程也是土木工程、水利水電工程、石油工程等專業(yè)需要學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程之一。對于石油工程專業(yè)，“巖石力學(xué)”課程除講授基本概念和基本原理之外，還介紹深部地層地應(yīng)力的測量方法，油氣鉆完井過程中井眼周圍應(yīng)力狀態(tài)，以及巖石力學(xué)在井壁穩(wěn)定、水力壓裂、套管損壞、油井出砂等方面的應(yīng)用等內(nèi)容。

“石油工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”課程面向大三本科生，講授巖石力學(xué)的基本原理及其在石油工程中的應(yīng)用。目前，僅以傳統(tǒng)的傳授書本知識為主的板書和PPT課堂教學(xué)模式已不能滿足應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的需求。如果仍按照傳統(tǒng)的教學(xué)方式進行教學(xué)，容易出現(xiàn)學(xué)生對知識只能寬泛了解而掌握不牢的現(xiàn)象，也難以讓學(xué)生高效地接受知識。

目前，國內(nèi)工科院校正在普遍推行工程教育專業(yè)認證，旨在進一步提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，并實現(xiàn)工程教育的國際互認和工程師資格的國際互認。工程教育專業(yè)認證鼓勵培養(yǎng)應(yīng)用型人才，在“培養(yǎng)目標(biāo)”標(biāo)準(zhǔn)中要求既要遵循本科教育規(guī)律，又要體現(xiàn)學(xué)科特色和學(xué)術(shù)前沿；在“課程體系”標(biāo)準(zhǔn)中要求將傳統(tǒng)教學(xué)中的理論知識傳授與實踐能力培養(yǎng)融合到一起。因此，適時將實際工程案例引入石油工程巖石力學(xué)教學(xué)中，有助于學(xué)生了解石油工程現(xiàn)場實際情況，加深理解巖石力學(xué)基本原理，掌握巖石力學(xué)基本知識在石油工程中的應(yīng)用方法，更好的達成符合工程教育專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)。

1 工程案例教學(xué)設(shè)計原則

案例教學(xué)法是一種理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)方法，對培養(yǎng)學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力具有積極的推動作用。工程案例教學(xué)的重點在案例的選擇和案例與理論知識的結(jié)合。選擇的案例應(yīng)具有典型性，典型案例一般與課程重要知識點結(jié)合緊密，有助于學(xué)生對巖石力學(xué)重要知識的理解和掌握，同時能給學(xué)生留下較深刻的印象。

同時，案例應(yīng)難易適中，不宜過于復(fù)雜。有學(xué)者建議工程案例教學(xué)中案例選擇由簡單開始，循序漸進，逐漸增加難度。對于本科生，由于接觸專業(yè)課時間不長，工程實踐經(jīng)驗尚不豐富，需要給予一段時間適應(yīng)工程案例教學(xué)方法，因此不宜選用難度過高的復(fù)雜工程案例進行教學(xué)。

另外，案例應(yīng)對學(xué)生有啟發(fā)性。合適的工程案例能夠吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生對理論知識進行深入思考，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、觸類旁通的能力，加深學(xué)生對知識的理解程度。而不適合的工程案例不僅起不到鞏固基礎(chǔ)知識的作用，反而有可能產(chǎn)生反作用，使學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)產(chǎn)生心理抗拒。

最后，工程案例分析結(jié)論應(yīng)具體、準(zhǔn)確。石油工程的施工對象主要是深埋在地下的巖石，由于目前技術(shù)手段的限制，對地下巖層的認識還存在諸多不確定因素，這些不確定因素往往導(dǎo)致很多工程實踐問題具有多解性，或者部分問題的深層次機理尚無定論。在工程案例的選擇中，應(yīng)避免選用分析過程和結(jié)果較為模糊的案例，否則可能引起學(xué)生產(chǎn)生誤解，影響對理論知識的消化吸收。

除工程案例選擇外，案例教學(xué)方法的設(shè)計也非常重要。案例教學(xué)從方法上可以分為演示型案例教學(xué)、討論型案例教學(xué)和角色型案例教學(xué)三類，其中討論型教學(xué)以教師和學(xué)生的互動為基礎(chǔ)，因此最適合在課堂上進行。優(yōu)秀的工程案例教學(xué)設(shè)計應(yīng)能引導(dǎo)學(xué)生主動思考問題，可采用工程案例導(dǎo)入、分組研討、關(guān)鍵問題講解、課后鞏固練習(xí)的方式，使學(xué)生明確課程所學(xué)知識內(nèi)容在工程實中的作用，促進本科生對基礎(chǔ)知識點的掌握。在課程中導(dǎo)入案例的方式有案例設(shè)疑法、案例比較法、案例討論法、演示觀摩法等多種，針對“石油工程巖石力學(xué)”課程的特點，建議采用案例設(shè)疑或案例比較的方法導(dǎo)入工程案例，并結(jié)合重要知識點進行討論、講解。在教學(xué)中，應(yīng)充分運用慕課、微課等方式提升學(xué)生在課堂的參與度，在研討過程中鞏固對知識點的理解。

2 石油工程巖石力學(xué)工程案例教學(xué)設(shè)計

基于本文提出的工程案例教學(xué)設(shè)計原則，篩選難易適中、與書本知識點結(jié)合緊密且分析過程和結(jié)論清晰的典型案例作為課堂教學(xué)工程案例。以石油工程巖石力學(xué)中“地應(yīng)力”一章中的重要知識點地應(yīng)力測量為例，講解地應(yīng)力現(xiàn)場測量方法時，設(shè)計采用工程案例教學(xué)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

水壓致裂法是一種工程中測量深層地應(yīng)力大小的主要方法，在石油工程相關(guān)的油田現(xiàn)場施工中，由于成本控制和生產(chǎn)安全等原因，一般不會專門采用該方法進行地應(yīng)力測量。但鉆井過程中的地漏試驗和油氣井增產(chǎn)作業(yè)中的水力壓裂施工過程與水壓致裂法測量地應(yīng)力較為相似，可以借助這些工程數(shù)據(jù)分析地應(yīng)力大小。因此將地漏試驗數(shù)據(jù)和水力壓裂數(shù)據(jù)作為工程案例數(shù)據(jù)引入課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生討論地應(yīng)力大小的分析方法，加深對理論知識的理解。設(shè)計工程案例教學(xué)流程如下。

工程案例教學(xué)開始→水平地應(yīng)力計算理論講解→引入工程案例→工程案例分析討論→工程案例講解→布置課后復(fù)習(xí)作業(yè)→工程案例結(jié)束

首先，給學(xué)生講解水平地應(yīng)力力計算的基本原理，使學(xué)生初步認識和基本掌握水壓致裂法測量地應(yīng)力的理論分析方法，以便后續(xù)在工程案例分析討論中進行應(yīng)用。水壓致裂法測量地應(yīng)力時理想的“時間-壓力”曲線如圖1所示，從曲線上可以讀取破裂壓力Pf、裂縫延伸壓力Pprop、裂縫閉合壓力Pc和重張壓力Pr。工程分析中一般認為裂縫閉合壓力與水平最小主應(yīng)力相等，然后根據(jù)井眼周圍的應(yīng)力分布，利用破裂壓力、重張壓力和閉合壓力計算水平最大主應(yīng)力。

然后，在學(xué)生掌握水壓致裂法測量地應(yīng)力數(shù)據(jù)分析方法的基礎(chǔ)上，通過案例設(shè)疑法和案例比較法引入工程案例。由于實際工程中的地漏試驗曲線和水力壓裂曲線受施工條件影響與理想水壓致裂地應(yīng)力測量曲線有差異，因此在引入工程案例時通過設(shè)疑，引導(dǎo)學(xué)生思考工程曲線與理想曲線之間有哪些不同，為什么會產(chǎn)生這些不同。同時也將地漏試驗曲線與水力壓裂曲線進行對比，讓學(xué)生觀察這兩種工程曲線之間的差異。

圖1 水壓致裂法測量地應(yīng)力的典型曲線

引入工程案例之后，組織學(xué)生就如何利用地漏試驗曲線和水力壓裂曲線評估地應(yīng)力大小進行分組討論。分組討論教學(xué)將學(xué)習(xí)的主動權(quán)交給學(xué)生，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力和團隊協(xié)作能力，提高學(xué)生解決問題的能力，更符合當(dāng)代大學(xué)生的心理特征。在分組討論過程中應(yīng)注重調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，盡可能讓學(xué)生由以往的被動聽課轉(zhuǎn)換為主動思考、學(xué)習(xí)。在同學(xué)們充分討論的基礎(chǔ)上，由教師進行總結(jié)講解，對討論內(nèi)容查漏補缺，并進一步強調(diào)工程實際與理論的緊密聯(lián)系。例如，由于大多數(shù)同學(xué)沒有在工程現(xiàn)場實習(xí)的經(jīng)歷，對現(xiàn)場施工工藝和步驟并不了解，需要教師進行補充講授，使工程案例教學(xué)的效果得到加強。

最后，在課堂教學(xué)后設(shè)計相關(guān)的課后作業(yè)。課后作業(yè)能夠讓學(xué)生鞏固課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，也可以讓教師了解學(xué)生對知識的掌握情況。因此，在課后作業(yè)中對地應(yīng)力測量問題加以引申，提出問題：如何利用定向井的地漏試驗曲線和水力壓裂曲線分析地應(yīng)力大小，督促學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進一步深入思考，同時鍛煉學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力。至此，完整的工程案例教學(xué)結(jié)束。

3 結(jié)束語

對于大部分工科專業(yè)，在教學(xué)中引入工程案例有利于教學(xué)工作的順利、深入開展，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生主動參與到教學(xué)過程中來，加深對理論知識的理解和對工程實際問題的認識。教學(xué)中選擇的工程案例應(yīng)具有典型性，能夠啟發(fā)學(xué)生思考，難易適中且能呈現(xiàn)具體準(zhǔn)確的分析結(jié)果。在工程案例教學(xué)程序設(shè)計中，要堅持理論聯(lián)系實際，鼓勵學(xué)生主動思考、積極討論，同時教師應(yīng)對課堂討論中不清晰或有遺漏的地方進行補充講解，將知識點講深講透。總之，優(yōu)秀的工程案例教學(xué)設(shè)計使學(xué)生在學(xué)習(xí)中形成“理論知識—案例分析—應(yīng)用研討—知識總結(jié)”的良性循環(huán)，有助于提高學(xué)生對理論知識的理解深度和利用理論解決實際工程問題的能力。