多學(xué)科交叉的“石油工程熱工學(xué)”課程建設(shè)

劉慧卿 王慶

[摘 要] 為了適應(yīng)新形勢下油田礦場對石油工程專業(yè)人才的要求，達(dá)成專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)，滿足學(xué)校“雙一流”學(xué)科建設(shè)，以及國際化交流和專業(yè)認(rèn)證評估要求，通過組建教學(xué)團(tuán)隊、明確課程目標(biāo)、優(yōu)化教學(xué)大綱、編制教材講義、設(shè)計教學(xué)實驗、創(chuàng)新教學(xué)方法、引入課程思政、結(jié)合科創(chuàng)訓(xùn)練、增加習(xí)題作業(yè)、改革考核機(jī)制等10項舉措初步建成了“石油工程熱工學(xué)”課程，并取得了良好的教學(xué)效果，其相關(guān)經(jīng)驗可為類似課程的建設(shè)提供參考。

[關(guān)鍵詞] 石油工程;熱工學(xué);學(xué)科交叉;課程建設(shè);教學(xué)改革

[基金項目] 2020年度中國石油大學(xué)（北京）教改立項“多學(xué)科交叉的‘石油工程熱工學(xué)’課程建設(shè)”

[作者簡介] 劉慧卿（1966—），男，河南臺前人，博士，中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣田開發(fā)研究;王 慶（1984—），男，山東曹縣人，博士，中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事油氣田開發(fā)研究。

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）25-0025-04 [收稿日期] 2022-03-12

一、課程建設(shè)背景

中國石油大學(xué)（北京）的石油工程專業(yè)依托石油與天然氣工程這一“雙一流”學(xué)科，結(jié)合國際油氣資源開發(fā)新形勢，圍繞國家能源戰(zhàn)略發(fā)展需要，以立德樹人為核心，為石油工業(yè)高效安全發(fā)展培養(yǎng)應(yīng)用研究型工程類創(chuàng)新人才[1]。實現(xiàn)一流的人才培養(yǎng)目標(biāo)依賴一流課程，課程是專業(yè)人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量[2]。

“熱工學(xué)”即工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)，是動力工程與工程熱物理、機(jī)械工程等工學(xué)專業(yè)必修的基礎(chǔ)課[3，4]。自20世紀(jì)90年代專業(yè)調(diào)整以來，“熱工學(xué)”僅作為石油工程專業(yè)的選修課，存在學(xué)生重視程度不夠、缺少實驗環(huán)節(jié)等諸多問題。這種局面與“雙一流”學(xué)科建設(shè)，特別是國際交流和專業(yè)認(rèn)證評估差距很大。

“熱工學(xué)”作為工科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是培養(yǎng)學(xué)生工程意識，理論聯(lián)系實際、分析問題、解決問題能力的基礎(chǔ)，也是石油工程領(lǐng)域中的流體力學(xué)、稠油注蒸汽熱力開發(fā)、油氣集輸?shù)阮I(lǐng)域所需的專業(yè)知識。近年來，地?zé)豳Y源開發(fā)以豐富的儲備、清潔、環(huán)保、可再生特性成為新能源領(lǐng)域的焦點，也需要大量具有熱工學(xué)知識儲備的人才。

油田礦場實際開發(fā)生產(chǎn)和能源資源再利用轉(zhuǎn)型也對高校“熱工學(xué)”課程的建設(shè)提出了新的要求。中國石油大學(xué)（北京）修訂優(yōu)化了石油工程專業(yè)的培養(yǎng)計劃，將“熱工學(xué)”由選修課強(qiáng)化為必修課。同時，考慮到石油工程的專業(yè)特色，將課程名稱確定為“石油工程熱工學(xué)”，成立了“石油工程熱工學(xué)”教學(xué)團(tuán)隊進(jìn)行課程建設(shè)，圍繞課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)大綱、教材講義、教學(xué)方法等方面進(jìn)行探索，并且接受了兩輪教學(xué)實踐的檢驗，已初見成效。

二、教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)

教學(xué)團(tuán)隊是進(jìn)行教學(xué)實踐的基礎(chǔ)，之前的“熱工學(xué)”選修課僅有一位教師承擔(dān)，而“石油工程熱工學(xué)”作為石油工程的專業(yè)基礎(chǔ)課，必然對教學(xué)團(tuán)隊提出了更高的要求。學(xué)校及學(xué)院教學(xué)管理部門會同兩級教學(xué)專家組，以專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及油田礦場實際需求為導(dǎo)向，組建了一支年富力強(qiáng)的課程教學(xué)團(tuán)隊。

（一）名師引領(lǐng)，科教融合，滿足多學(xué)科交叉的要求

由北京市教學(xué)名師引領(lǐng)，構(gòu)建一個有機(jī)結(jié)合的教學(xué)團(tuán)隊。教學(xué)團(tuán)隊參加國內(nèi)有關(guān)專題的教學(xué)與實踐教學(xué)研討，在石油工程領(lǐng)域長期堅持教學(xué)改革和教學(xué)研究[5]。教學(xué)團(tuán)隊成員主要由稠油熱力開發(fā)科研團(tuán)隊人員組成，他們承擔(dān)過大量相關(guān)的國家級、省部級科研課題，并取得了大量的創(chuàng)新性成果，為開展科教融合提供了基礎(chǔ)條件。

團(tuán)隊成員中有4人長期從事熱力采油方面的教學(xué)、科研工作;2人從事地?zé)豳Y源開采機(jī)理與方法方面的科研工作;2人具有流體力學(xué)、工程熱力學(xué)及傳熱學(xué)的教育背景，能夠滿足多學(xué)科交叉的課程建設(shè)要求。

（二）團(tuán)隊成員具有不同的學(xué)科背景，可以發(fā)揮教學(xué)團(tuán)隊的協(xié)同作用

目前專業(yè)教師特別是年輕教師主要來源于工科院校的碩士和博士畢業(yè)生。這些教師的知識結(jié)構(gòu)偏重于學(xué)術(shù)，理論研究能力較強(qiáng)，但缺乏工程背景，實踐知識更多來源于當(dāng)年參與導(dǎo)師的科研課題。建立名師引領(lǐng)下的教學(xué)團(tuán)隊，團(tuán)隊定期安排講習(xí)題課、答疑等環(huán)節(jié)。構(gòu)建教授領(lǐng)銜、理論課教師、實驗教師、實驗技術(shù)人員一體化教學(xué)團(tuán)隊，使得教學(xué)團(tuán)隊在學(xué)生的“石油工程熱工學(xué)”課程學(xué)習(xí)中發(fā)揮協(xié)同作用。

三、明確課程目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

課程教學(xué)目標(biāo)直接支撐專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點，同時是指導(dǎo)課程內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)方法等的綱領(lǐng)。教學(xué)團(tuán)隊在學(xué)校及學(xué)院兩級教學(xué)專家組的指導(dǎo)下，經(jīng)過多次專題研討，明確了以專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及油田礦場實際需求為導(dǎo)向的課程教學(xué)目標(biāo)。

（一）課程目標(biāo)

使學(xué)生掌握熱能和其他能量之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，掌握熱能高效利用原理和能量有效利用的原則，正確運用熱力學(xué)的基本原理和定律進(jìn)行熱力過程的分析和計算，掌握熱能傳遞的基本概念和基本原理，對復(fù)雜工程傳熱問題進(jìn)行分析，明確熱能傳遞過程的特征，并選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ê湍Ｐ瓦M(jìn)行定量計算和分析，為石油工程專業(yè)課程提供基礎(chǔ)理論知識，同時為能源管理和熱技術(shù)研究及設(shè)計工作提供理論基礎(chǔ)。

（二）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

為了實現(xiàn)上述課程目標(biāo)需要對原有的熱工學(xué)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。“工程熱力學(xué)”與“傳熱學(xué)”均屬于工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，教學(xué)內(nèi)容已非常成熟;因此，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容時以原教學(xué)大綱為基礎(chǔ)，保留其基礎(chǔ)、核心、經(jīng)典內(nèi)容，適當(dāng)調(diào)整或增加“熱工學(xué)”在“石油工程熱工學(xué)”的應(yīng)用內(nèi)容。

1.調(diào)整石油工程元素引導(dǎo)。現(xiàn)有教學(xué)資料中涉及熱工學(xué)基本原理知識的實例大多取材于動力機(jī)械類的場景，缺少石油工程專業(yè)所需的熱工學(xué)知識導(dǎo)引或應(yīng)用擴(kuò)展。教學(xué)團(tuán)隊通過多次研討，在各章節(jié)增加了石油工程應(yīng)用或案例，讓學(xué)生學(xué)以致用，提高學(xué)生解決礦場實際問題的能力。具體如表1所示。

2.增加實驗環(huán)節(jié)。設(shè)計增加了3個必做實驗和3個選做實驗，其中必做實驗中實驗材料水蒸氣和油砂均屬石油工程中的常用介質(zhì)，而熱電模擬與流體力學(xué)、滲流力學(xué)中的水電模擬同屬相似物理問題，而選做實驗內(nèi)容與石油工程的應(yīng)用高度相關(guān)。

3.增加“熱力學(xué)”在地?zé)衢_發(fā)中的應(yīng)用。目前，我國年消耗原油約7億噸，70%依賴進(jìn)口，而我國地?zé)豳Y源占全球的7.9%，地?zé)崮茉撮_發(fā)能夠緩解一部分能源壓力，有助于滿足社會生產(chǎn)和環(huán)境改善的需要。介紹地?zé)衢_發(fā)的基本概念及“熱力學(xué)”在地?zé)衢_發(fā)中的應(yīng)用，也是適應(yīng)“雙碳”目標(biāo)新形勢下人才培養(yǎng)的必然之舉。

四、編寫教材講義和實驗指導(dǎo)書

（一）編寫教材講義

由于“熱工學(xué)”課程的基礎(chǔ)性，已有多本經(jīng)典教材出版且再版多次。我校之前使用的是清華大學(xué)張學(xué)學(xué)教授主編的《熱工基礎(chǔ)》（第3版）。教學(xué)團(tuán)隊以此教材為基礎(chǔ)，結(jié)合多年石油工程相關(guān)課程尤其是“熱力采油”課程的教學(xué)經(jīng)驗及資料、地?zé)衢_發(fā)的相關(guān)資料，整合編寫了課程講義，并已在2019級石油工程專業(yè)中試用。講義嚴(yán)格按照優(yōu)化后的大綱要求設(shè)計內(nèi)容，力求將案例設(shè)計與知識內(nèi)容完美融合。

（二）編寫教學(xué)實驗指導(dǎo)書

參考兄弟石油院校在熱工學(xué)方面的教學(xué)實驗設(shè)計，編寫了《石油工程熱工學(xué)——實驗指導(dǎo)書》，突出了石油工程方面的應(yīng)用特色，包括實驗選材、內(nèi)容，以及與后續(xù)石油工程專業(yè)課之間的聯(lián)系等。鼓勵學(xué)生結(jié)合石油工程專業(yè)特點，自主選擇地下層位的砂樣;熱電模擬實驗測定，學(xué)生可以自主選擇不同導(dǎo)熱介質(zhì)及多種與注采井網(wǎng)相關(guān)的實驗內(nèi)容組合。學(xué)生通過實驗操作，掌握熱力學(xué)和傳熱學(xué)的基本實驗原理，了解并熟悉一些基本實驗器材的操作方法和實驗步驟，通過實驗教學(xué)和課堂教學(xué)相結(jié)合的方式，系統(tǒng)地掌握熱工基礎(chǔ)理論知識，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

五、創(chuàng)新教學(xué)方法，引入課程思政

（一）創(chuàng)新教學(xué)方法

教學(xué)過程中能靈活采用不同教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，加強(qiáng)理論基礎(chǔ)的理解，拓寬學(xué)生的思維，形成課堂教學(xué)、課堂討論、實驗教學(xué)等多種方式相結(jié)合、系統(tǒng)有效的教學(xué)方法。

在教學(xué)方式上采取啟發(fā)式教學(xué)與互動相結(jié)合的手段，傳授專業(yè)知識、技能與方法，幫助學(xué)生樹立工程意識。學(xué)生通過討論和爭辯的方式掌握知識，提高學(xué)習(xí)內(nèi)容的平均留存率，學(xué)習(xí)效果大為改善。

通過案例分析、課堂討論、影像資料等多種授課形式相結(jié)合的方式，幫助學(xué)生進(jìn)行自我認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)現(xiàn)自身優(yōu)勢。鼓勵學(xué)生張揚個性，激發(fā)思考力和創(chuàng)造性。例如，學(xué)生根據(jù)自主設(shè)計實驗教學(xué)要求擴(kuò)展導(dǎo)熱系數(shù)測定內(nèi)容，可以延伸測定物料的比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)，增強(qiáng)學(xué)生的實踐、創(chuàng)新能力;在學(xué)習(xí)方法上使學(xué)生在情景中自然獲得體驗與認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生的潛能。

由于“熱工學(xué)”課程的基礎(chǔ)性，網(wǎng)上的經(jīng)典學(xué)習(xí)資料非常多，有以知識點為基礎(chǔ)的微課、實際課程的錄像、習(xí)題講解、考研指導(dǎo)等。因此，教學(xué)團(tuán)隊充分利用線上資源輔助教學(xué)，在每次課后留下思考題引導(dǎo)學(xué)生通過線上資源進(jìn)行學(xué)習(xí)和思考，讓學(xué)生帶著問題去看視頻，看完視頻后又帶著新問題來上課、討論，使學(xué)生真正參與到教學(xué)活動中。

（二）個性化指導(dǎo)培養(yǎng)創(chuàng)新意識

針對學(xué)生個體化差異，對學(xué)生專業(yè)指導(dǎo)采取課堂教學(xué)與課下個別輔導(dǎo)相結(jié)合的方式。凝練和建立體現(xiàn)個性化教育和研究性學(xué)習(xí)的教學(xué)新模式，構(gòu)建以能力培養(yǎng)為核心的教學(xué)體系，特別著重研究以學(xué)生為主體的教學(xué)方法和相應(yīng)的考核方式。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣、開拓學(xué)生個性潛力、激勵學(xué)生實踐創(chuàng)新、培養(yǎng)學(xué)生實踐能力，以期達(dá)到開闊學(xué)生知識視野、陶冶學(xué)生思想情操、培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊精神的目的。

鼓勵本科生參加科研團(tuán)隊的學(xué)術(shù)講座，幫助學(xué)生了解國內(nèi)外學(xué)術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展動態(tài)。“石油工程熱工學(xué)”教學(xué)團(tuán)隊為學(xué)生提供創(chuàng)新項目、科技創(chuàng)新場地、儀器設(shè)備等開展科技創(chuàng)新活動。

（三）結(jié)合科創(chuàng)訓(xùn)練

近兩年來，教師團(tuán)隊將課程內(nèi)容與熱力采油、地?zé)衢_發(fā)方面的科研項目相結(jié)合，申報科技創(chuàng)新訓(xùn)練項目10項，豐富了第二課堂，給學(xué)生創(chuàng)造了理論聯(lián)系實際、利用“石油工程熱工學(xué)”知識解決油田開發(fā)實際問題的機(jī)會。

（四）引入課程思政

教學(xué)團(tuán)隊以課程思政建設(shè)為導(dǎo)向，挖掘課程中蘊(yùn)含的思政元素，主要從兩個方面開展課程思政教育。

1.引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)身邊的“熱工學(xué)”。“熱工學(xué)”課程與日常生活聯(lián)系緊密，通過設(shè)計思考題引導(dǎo)學(xué)生隨時隨地感受身邊的“熱工學(xué)”。例如，引入黃石公園熱泉間歇自噴景觀實例，其中既包括熱力學(xué)和傳熱學(xué)問題，又包括石油工程中的流體力學(xué)和滲流力學(xué)問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

日常生活中非常普遍的熱傳遞現(xiàn)象，例如與傳熱學(xué)有關(guān)的保溫措施、與輻射能量傳遞有關(guān)的采熱方法等，通過對各種能源的學(xué)習(xí)使學(xué)生樹立節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的理念。

“熱工學(xué)”知識在中國石油工業(yè)的發(fā)展過程中發(fā)揮了非常重要作用。通過講述科學(xué)家前輩在科學(xué)研究中不斷探索、總結(jié)，最終獲得重大發(fā)現(xiàn)的歷程，告訴學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度的重要性，以及樹立終身學(xué)習(xí)的理念[6]等，培養(yǎng)學(xué)生成為“四有”新人。

2.引導(dǎo)學(xué)生感悟哲學(xué)思想。由于“熱工學(xué)”采用經(jīng)典宏觀的研究方法，以“熱力學(xué)”和“傳熱學(xué)”的基本定律作為分析和推理基礎(chǔ)，對宏觀熱力過程和傳熱過程進(jìn)行研究;因此，對時空尺度、狀態(tài)變化等采用抽象、概括、理想化和簡化的處理方法。“熱工學(xué)”中的理想氣體、黑體和灰體等理想情況，簡化處理有助于學(xué)生感悟自然實際和理想或絕對之間的辯證關(guān)系。

六、完善考核評價

（一）增加習(xí)題作業(yè)

教學(xué)團(tuán)隊精心設(shè)計習(xí)題，形成了課堂練習(xí)、隨堂測驗、課下作業(yè)相結(jié)合的練習(xí)模式，通過習(xí)題作業(yè)強(qiáng)化知識的熟練程度。

（二）改革考核機(jī)制

增加平時成績比重是近些年來各類課程考核機(jī)制改革的方向。相較于之前選修課的“工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)”，必修課“石油工程熱工學(xué)”增加了實驗環(huán)節(jié)，強(qiáng)化了習(xí)題作業(yè)，其考核機(jī)制也必須隨之進(jìn)行改革。

兩年以來，通過實施上述舉措初步建立了“石油工程熱工學(xué)”的課程體系，并取得了較好的教學(xué)效果。課程建設(shè)過程中，指導(dǎo)思想上踐行素質(zhì)教育，拓寬知識基礎(chǔ)，強(qiáng)化實踐能力;教學(xué)理念上強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論和工程實際應(yīng)用，拓展石油工程的應(yīng)用創(chuàng)新;教學(xué)方法上遵循以學(xué)論教，最終讓學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)獲得科學(xué)認(rèn)識世界的能力，終身受益。需要指出，課程改革只有進(jìn)行時，教學(xué)效果的取得除教師的努力外，更需要學(xué)生的配合，包括良好的學(xué)風(fēng)、班風(fēng)、課堂紀(jì)律把控和師生交流反饋等，需要我們在后續(xù)的教學(xué)實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)、取長補(bǔ)短、持續(xù)改進(jìn)、銳意進(jìn)取。

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On the Construction of the Multi-disciplinary Course of Thermal Engineering of Petroleum Engineering

LIU Hui-qing， WANG Qing

（School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China）

Abstract： In order to meet the requirements of the oil fields for petroleum engineering professionals under the new situation， achieve the objectives of talent training， and meet the requirements of “double world-class” discipline construction and the requirements of international communication and professional certification evaluation， the course of Thermal Engineering of Petroleum Engineering has been established by taking ten measures， including setting up a teaching team， clarifying the course objectives， optimizing the teaching syllabus， compiling the teaching materials， designing the teaching experiments， innovating the teaching methods， introducing “curriculum ideological and political education”， combining scientific and creative training， increasing exercises， and reforming assessment mechanism. These ten measures have achieved good teaching results， and the related experience can provide a reference for the construction of similar courses.

Key words： petroleum engineering; thermal engineering; interdisciplinary; curriculum construction; teaching reform