新工科背景下石油工程專業(yè)自主創(chuàng)新實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

齊 寧，巴海君，陳德春，戰(zhàn)永平，羅明良

（1.中國石油大學(xué)（華東） 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國石油大學(xué)（華東） 教務(wù)處，山東 青島 266580）

實驗教學(xué)作為理論聯(lián)系實際的橋梁，是本科教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力和創(chuàng)新精神的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，對于工科專業(yè)尤為如此[1]。實驗教學(xué)環(huán)節(jié)、綜合設(shè)計環(huán)節(jié)以及實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)成了石油工程專業(yè)“三位一體”實踐教學(xué)體系，而實驗教學(xué)又貫穿整個本科培養(yǎng)過程，在人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮著不可替代的作用。

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，油氣勘探開發(fā)從陸地轉(zhuǎn)向深海，從常規(guī)油氣資源開發(fā)轉(zhuǎn)向頁巖油氣、天然氣水合物等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)，新形勢下石油工程專業(yè)的建設(shè)與發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)，油氣格局的轉(zhuǎn)變對石油工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式與體系提出了更高的要求。當(dāng)前國際油價持續(xù)低迷，能源行業(yè)面臨重大結(jié)構(gòu)調(diào)整，在新工科形勢下如何實現(xiàn)專業(yè)建設(shè)及人才培養(yǎng)的突破[2]，對于傳統(tǒng)能源類優(yōu)勢工科專業(yè)而言，實驗教學(xué)體系的改造升級是其中不可或缺的重要一環(huán)，這也是石油工程專業(yè)新工科建設(shè)改造升級的關(guān)鍵所在。在能源行業(yè)形勢巨變和“一流”學(xué)科[3]、新工科建設(shè)[4-5]的背景下，實驗教學(xué)體系的改造升級明顯滯后[6]。為此，本文以人才培養(yǎng)質(zhì)量提升為目標(biāo)，對石油工程專業(yè)新工科實踐教學(xué)體系的建設(shè)與升級路徑進(jìn)行探討。

1 新工科人才培養(yǎng)模式對現(xiàn)有實驗教學(xué)平臺的新要求

石油工程專業(yè)是學(xué)校優(yōu)勢專業(yè)之一，是國家級特色專業(yè)、山東省品牌專業(yè)，也是教育部專業(yè)綜合改革試點(diǎn)專業(yè)和教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點(diǎn)專業(yè)。從1953 年成立之初的石油鉆井、石油開采兩個專業(yè)，發(fā)展到1993 年鉆井工程、采油工程和油藏工程三位一體的石油工程專業(yè)。2017 年9 月，我校石油與天然氣工程入選教育部“一流”學(xué)科建設(shè)名單。2019年3 月，我校工程學(xué)科進(jìn)入ESI 排名前1‰。

石油工程專業(yè)建設(shè)至今已形成了涵蓋綜合設(shè)計環(huán)節(jié)（課堂教學(xué)）、實驗教學(xué)環(huán)節(jié)以及實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)的“三位一體”教學(xué)體系，實現(xiàn)了本科生的工程設(shè)計、實驗動手、勞動鍛煉能力的訓(xùn)練與培養(yǎng)。但“一流”學(xué)科建設(shè)和新工科（新經(jīng)濟(jì)、新業(yè)態(tài)）對石油工程傳統(tǒng)優(yōu)勢工科專業(yè)人才培養(yǎng)及本科生的工程實踐背景和能力提出了更高的要求，不再拘泥于傳統(tǒng)的“動手+勞動鍛煉”為主的實踐教學(xué)模式，更強(qiáng)調(diào)以“自主創(chuàng)新和智力實踐”為人才工程能力培養(yǎng)目標(biāo)的實踐教學(xué)模式，突出實踐教學(xué)內(nèi)容中的工程決策、工程設(shè)計環(huán)節(jié)的認(rèn)識與實踐訓(xùn)練。

石油工程學(xué)院教學(xué)實驗室依托石油工程國家級實驗教學(xué)中心智能化、信息化管理系統(tǒng)平臺，構(gòu)建了集“開放式、分散式、預(yù)約式、自助式”于一體的實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)了從“教師教著做”到“學(xué)生自主學(xué)、自主做”的轉(zhuǎn)變[7]，提升了學(xué)生實驗自由度，充分調(diào)動了學(xué)生參與實驗的積極性，有效培養(yǎng)了學(xué)生的工程實踐能力。由于實驗項目依存于理論課程，其實驗內(nèi)容相對固定、單一，實驗測試手段較為原始、落后，學(xué)生的科技創(chuàng)新能力得不到有效鍛煉，已經(jīng)不適應(yīng)新工科、新形勢、新業(yè)態(tài)對人才的需求。因此，在新工科的背景下，秉承從實踐走向?qū)嵺`的理念，開展學(xué)生自主創(chuàng)新實驗實踐教學(xué)改革勢在必行。

2 石油工程專業(yè)自主創(chuàng)新實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

石油工程專業(yè)自主創(chuàng)新實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建思路：以滿足新工科建設(shè)為目標(biāo)，對原有課程所涉及的教學(xué)實驗進(jìn)行升級改造；針對2017 版培養(yǎng)方案中的新開課程，調(diào)整并優(yōu)化新開教學(xué)實驗方案，建成模塊化可升級式的教學(xué)實驗平臺；開展學(xué)生自主創(chuàng)新實驗教學(xué)改革，形成面向新工科的開放式自主創(chuàng)新實驗教學(xué)體系。

（1）原有教學(xué)實驗平臺的模塊化升級改造。逐步構(gòu)建分層次杠鈴式雙向?qū)嶒灲虒W(xué)體系，此體系有傳統(tǒng)驗證型實驗（基礎(chǔ)型實驗、綜合設(shè)計型實驗）、研究創(chuàng)新型實驗兩條線，每條線上分多個層次，各層次之間逐層遞進(jìn)、有機(jī)統(tǒng)一。兩條線之間內(nèi)容相連、校企互動、深度融合。石油工程專業(yè)教學(xué)實驗按油藏工程、鉆井工程、采油工程、油田化學(xué)4 個模塊建設(shè)，滿足基礎(chǔ)型實驗、綜合設(shè)計型實驗、研究創(chuàng)新型實驗不同層次的需求，逐層深化。這一體系不僅滿足了不同年級、不同學(xué)生、不同階段、不同培養(yǎng)目標(biāo)的實驗實訓(xùn)教學(xué)需要，而且通過產(chǎn)學(xué)研深度融合，很好地貫徹了理論聯(lián)系實際、校企合作育人、教學(xué)科研生產(chǎn)互促互動的原則，為學(xué)生知識、能力與素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展搭建了良好平臺。

（2）自主創(chuàng)新實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建。自主創(chuàng)新實驗課的開設(shè)目的是讓本科生觸及石油工程領(lǐng)域?qū)W科前沿，體會科研創(chuàng)新，激發(fā)探索求知欲望。以自主創(chuàng)新實驗教學(xué)平臺采油工程模塊建設(shè)為例，采油工程教學(xué)模塊原有實驗包括垂直管流實驗、抽油泵泵效實驗和裂縫導(dǎo)流能力模擬實驗，均屬于傳統(tǒng)驗證型實驗。在三大傳統(tǒng)驗證型實驗的基礎(chǔ)上，依托防砂創(chuàng)新實驗室、壓裂創(chuàng)新實驗室、酸化創(chuàng)新實驗室和儲層新材料創(chuàng)新實驗室等4 個專業(yè)特色科研實驗室，面向全體本科生開設(shè)采油工程模塊自主創(chuàng)新實驗，主要包括防砂篩管與礫石層擋砂機(jī)理及性能評價實驗（見圖1）、可視平板裂縫支撐劑運(yùn)移動態(tài)模擬實驗（見圖2）、碳酸鹽巖酸巖反應(yīng)動態(tài)模擬實驗（見圖3）、壓裂酸化降阻劑減阻效果評價實驗（見圖4）。采油工程模塊圍繞致密/深層難動用儲層改造設(shè)計自主創(chuàng)新實驗，覆蓋功能材料評價、水力壓裂、酸化酸壓以及井壁穩(wěn)定等專業(yè)內(nèi)容，具有學(xué)科交叉性、綜合性、應(yīng)用性以及前沿性[8]。這4 部分實驗內(nèi)容緊密銜接又自成體系，學(xué)生可自主選擇和設(shè)計實驗方案[9]，達(dá)到鍛煉學(xué)生創(chuàng)新和工程實踐能力的人才培養(yǎng)目的。

3 自主創(chuàng)新實驗運(yùn)行模式及教學(xué)效果

3.1 運(yùn)行模式

石油工程實驗教學(xué)平臺的信息化建設(shè)，極大提升了實驗教學(xué)的信息化和智能化管理水平[10]，實現(xiàn)了自主式、合作式、研究式的學(xué)習(xí)方式和開放式、分散式、預(yù)約式、自助式的實驗?zāi)Ｊ健W(xué)生可以隨時網(wǎng)上預(yù)約、自由選擇實驗項目、自主設(shè)計實驗流程并自行完成整個實驗，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)和實驗的時空[11]，強(qiáng)化和提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力。新工科背景下石油工程專業(yè)實驗教學(xué)改革模式見圖5。

圖1 防砂篩管與礫石層擋砂機(jī)理及性能評價實驗

圖2 可視平板裂縫支撐劑運(yùn)移動態(tài)模擬實驗

圖3 碳酸鹽巖酸巖反應(yīng)動態(tài)模擬實驗

圖4 壓裂酸化降阻劑減阻效果評價實驗

圖5 新工科背景下石油工程專業(yè)實驗教學(xué)改革模式

3.2 考核辦法

考核按照石油工程實驗教學(xué)中心的統(tǒng)一部署要求進(jìn)行，在此基礎(chǔ)上加大實驗過程質(zhì)量監(jiān)控。改變以前根據(jù)實驗報告評定實驗成績的簡單考核方式，將實驗過程中學(xué)生操作實驗儀器的規(guī)范性、實驗步驟的準(zhǔn)確性、學(xué)生參與程度等作為實驗過程質(zhì)量考核的指標(biāo)。對每一項指標(biāo)打分，匯總后作為實驗成績的一部分。

另外，將學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的總結(jié)分析作為實驗考核評定的一部分。學(xué)生完成實驗后主要是完成實驗報告中的計算部分，對于實驗的總結(jié)以及對實驗數(shù)據(jù)的分析涉及較少。實驗數(shù)據(jù)分析也是學(xué)生實驗實踐能力的重要組成部分，因此需要考核學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的總結(jié)分析能力。實驗數(shù)據(jù)分析作為實驗報告內(nèi)容的重要組成，占比不低于報告總成績的40%。

學(xué)生最終實驗成績由實驗過程質(zhì)量考核成績和實驗報告成績組成，按各占50%比例計算最終實驗成績。

自主創(chuàng)新實驗強(qiáng)調(diào)學(xué)生的研究創(chuàng)新，其考核辦法區(qū)別于傳統(tǒng)驗證型實驗。自主創(chuàng)新實驗占用4 個學(xué)時。2 個學(xué)時的實驗完成后，由實驗教師安排2 個學(xué)時進(jìn)行答辯交流，讓不同組的學(xué)生體會各領(lǐng)域的新知識與新進(jìn)展，答辯交流采用PPT 進(jìn)行。實驗老師每組隨機(jī)抽取組員使用PPT 講解并回答問題，要盡量考查到同組的每位學(xué)生，統(tǒng)一或分別評定成績，該環(huán)節(jié)成績計入實驗過程質(zhì)量考核成績。實驗及答辯交流兩個環(huán)節(jié)應(yīng)至少間隔3～5 天，以便于學(xué)生分組制作PPT。

3.3 教學(xué)效果

針對高溫高壓條件下部分實驗環(huán)節(jié)難以開展、理論教學(xué)與生產(chǎn)實際脫節(jié)的問題，實驗中心自主開發(fā)了“井控仿真模擬系統(tǒng)”“酸化壓裂仿真模擬系統(tǒng)”[12]等多套仿真模擬系統(tǒng)，可使學(xué)生通過計算機(jī)控制系統(tǒng)，模擬生產(chǎn)實際條件，實際操控現(xiàn)場生產(chǎn)過程，真實體驗和掌握重要的石油開發(fā)工藝過程，提高學(xué)生的工程實踐能力。目前多套大型仿真模擬系統(tǒng)已被中國石油大學(xué)（北京）、東北石油大學(xué)、西南石油大學(xué)及中國地質(zhì)大學(xué)等高校的實驗教學(xué)及中石油、中石化等多家大型石油企業(yè)的職工培訓(xùn)機(jī)構(gòu)采用。

石油工程專業(yè)實驗教學(xué)改革模式得到了國內(nèi)外高校的肯定和借鑒，兩次在國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)會議上進(jìn)行經(jīng)驗交流，起到了較好的輻射和示范作用。自主創(chuàng)新實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建與完善貫穿人才培養(yǎng)新要求，保持實驗教學(xué)不斷發(fā)展、不斷創(chuàng)新，激發(fā)了學(xué)生的自主創(chuàng)新實驗研究的熱情，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生工程意識和解決問題的能力，人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提高。上級領(lǐng)導(dǎo)、校內(nèi)外專家、用人單位對實驗中心給予了高度評價，充分肯定了石油特色和產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的特色。中石油孫龍德院士、赫瑞-瓦特大學(xué)Ken Sorbie 教授和科羅拉多礦業(yè)學(xué)院Ramona Graves 教授等國內(nèi)外專家認(rèn)為：實驗中心教學(xué)理念及模式先進(jìn)，設(shè)備條件好，人才培養(yǎng)層次全，特色顯著。用人單位評價認(rèn)為“畢業(yè)生綜合素質(zhì)好，基礎(chǔ)扎實，動手能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的工程實踐能力和創(chuàng)新能力”。

4 結(jié)語

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[7] 齊寧.當(dāng)前高校推動研究性教學(xué)存在的問題與對策[J].教育與職業(yè)，2016(16): 51-53.

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