鉆探設備國家一流課程建設與實踐

趙大軍　趙研　范曉鵬

摘? 要：為提高鉆探設備課程的教學質量、培養(yǎng)地質工程專業(yè)創(chuàng)新型人才，根據鉆探設備課程的特點、大學生的知識結構與學習特點，通過優(yōu)化課程內容體系、更新教育理念、改進教學方法、加強課程思政教育，以及加強線上線下教學資源建設，提高課程的教學質量，提高創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)質量。鉆探設備課程成為國家首批線上線下混合式一流本科課程。

關鍵詞：鉆探設備；OBE教育理念；PBL教學法；教學資源建設；一流課程

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）07-0021-04

Abstract： The aim of this paper is to improve the teaching quality and cultivate geological drilling equipment engineering innovative talents. According to the characteristics of the drilling equipment course， college students' knowledge structure and learning characteristics， we optimize curriculum content system， renew education idea， improve teaching methods， strengthen the course ideological education and strengthen the construction of online teaching resources. The quality of the teaching of this course and the cultivation quality of innovative talents have been improved. Drilling Equipment course has become one of the first national online and offline hybrid first-class undergraduate courses.

Keywords： Drilling Equipment; OBE education philosophy; PBL teaching method; construction of teaching resources; first-class undergraduate course

鉆探設備課程是地質工程專業(yè)的主干專業(yè)課，主要介紹鉆探施工過程中應用的鉆機、泥漿泵、鉆塔、動力機的結構、工作原理、工作特性及適用條件。鉆探設備體積大、重量大、結構原理復雜、教學難點多，傳統(tǒng)課堂講授與實驗教學模式難以保證課程的教學質量，不利于創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，不能滿足新工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。課程是人才培養(yǎng)的核心要素[1]，為提高地質工程專業(yè)的人才培養(yǎng)質量，滿足新工科人才培養(yǎng)要求，需創(chuàng)新研究鉆探設備課程的教學方法。

一? 根據鉆探設備課程內容的構成規(guī)律，建立了符合學生認識客觀規(guī)律的課程內容體系

鉆探設備是以鉆機為主導機械，根據鉆機的性能參數選配泥漿泵、鉆塔和動力機。鉆機的結構原理、工作特性是鉆探設備課程的主要內容。改變先介紹鉆機結構原理再介紹典型鉆機的課程內容體系，根據課程內容的構成規(guī)律，建立了符合大學生從感性認識到理論認識客觀事物規(guī)律的課程內容體系，即先介紹典型鉆機構造再介紹鉆機結構原理與特性的課程體系，完善了鉆探設備課程的理論基礎，提高了學生對課程內容的理論認識高度。

課程內容中首先介紹XY-4型立軸式鉆機、SPC-300H型轉盤式鉆機、G-3型動力頭式鉆機、CZ-22型沖擊鉆機和KQ型潛水鉆機等典型鉆機的結構、工作原理、工作特性及適用條件，使學生對鉆機整體結構建立感性認識。再根據鉆機的構成規(guī)律、部件類型、工作特性及設計原理，對鉆機的摩擦離合器、變速箱、升降機、回轉器、液壓系統(tǒng)、給進機構和沖擊機構等主要部件的結構進行橫向綜合比較分析，提高課程的理論水平，達到了“學生可分析評價鉆機的舉一反三的教學效果”，培養(yǎng)了科學研究思維。

二? 基于OBE教育理念的鉆探設備課程教學研究

OBE（outcome-based education，基于產出的教育） 是一種基于教學目標的教育模式，其理念是以學生為中心、以目標為導向。OBE教育理念由Spady等人于1981年提出，并成為美國、英國等西方國家教育改革的主要理念[2]。OBE教育理念下，學生有明確的學習目標和預期表現，可以按照各自的學習習慣達成目標，所有的學生均有機會獲得成功；可適時修改、調整學習內容、學習方式與學習時間，增加學習機會；教師只負責引導、協助學生達成預期成果。以學生為中心的教育方式，將學生之間的競爭轉變?yōu)樽晕腋偁帲岣邔W生的學習能力[3]。

（一）? 基于OBE教育理念的鉆探設備課程實施方案研究

根據OBE理念的反向設計原則，由地質工程專業(yè)的培養(yǎng)方案設定鉆探設備課程預期要達到的教學目標，由教學目標反向設計課程的教學內容、教學過程和教學模式。基于OBE模式的鉆探設備課程實施方案從課程設計、課程評價標準和方式，以及教學活動的實施三個方面進行了構建。

1? 鉆探設備課程設計

首先定位課程的培養(yǎng)目標，構建一個科學的滿足地質工程專業(yè)需求和新工科創(chuàng)新性培養(yǎng)的鉆探設備的課程設計。采用基于OBE教育理念的基礎模塊+實踐模塊+學生任選模塊的模塊化教學方式。學生可根據自己的興趣愛好選擇任選模塊內容進行學習，任選模塊內容為國內外先進鉆機和泥漿泵的結構、工作原理及工作特性，代表鉆探設備國際前沿技術，為培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和勇攀科學高峰精神打下基礎。

2? 課程評價標準和方式

OBE教育模式，注重的是教學目標和教學成果，教學過程可以多樣化。但OBE教育模式的評價方式更應具有科學性和可操作性。改變“一卷定終身”的傳統(tǒng)期末考試評價模式，采用理論課堂問答討論測試、實驗課堂測試、課后作業(yè)及網絡學習討論測試、期中與期末考試的多元化綜合測試評價方式，課程的考核力度大、覆蓋面廣，學生更加注重課程的學習過程。

3? 教學活動的實施

為保證OBE教育模式下學生的主體作用，確保高質量的教學成果，需要靈活多樣的教學活動作保障。鉆探設備課程實施了線上慕課教學、線下自學、線下真實實驗、線上虛擬仿真實驗和翻轉課堂教學等多種教學活動。學生通過靈活多樣的教學活動，自主學習課程內容，充分發(fā)揮了學生的主體作用。學生的學習能力、認識事物的能力、總結歸納能力均得到了鍛煉和提升。

（二）? 構建“線上教學+線下翻轉課堂”的混合式教學模式

課程的線上線下教學有機結合是高校人才培養(yǎng)打造“金課”的有效途徑之一，借助網絡信息技術，推動鉆探設備課堂教學革命。以現代教育技術與教育教學深度融合為突破口，構建了鉆探設備課程“線上教學+線下翻轉課堂”的混合式教學模式。

翻轉課堂將傳統(tǒng)課堂教師講授知識的環(huán)節(jié)提前到課前學習，課堂上留給學生更多的討論時間，為教師采用多元化的教學方法、培養(yǎng)學生自主學習能力提供了機會。翻轉課堂教學采用生講生評、案例點評、研討辯論和平行互動等多種形式，教師全程把控和引導討論學習過程。

三? 基于PBL教學法的研究

PBL（problem-based learning）教學法是一種以學生為主體、以問題為導向的教育方式[4]，由美國神經病學教授 Barrows于1969年首創(chuàng)，并很快應用到歐洲各院校的環(huán)境化學、工程動力學及電化學等眾多學科的教育領域。我國于1986年引進了PBL教學法，并在很多院校化學、生物學、語言文字、法律及教育等領域的課程中得到應用，取得良好的教學成果[5]。與常規(guī)教學方法相比，PBL教學法有利于調動學生學習的積極性、主動性、創(chuàng)造性，有利于培養(yǎng)學生的獨立思考和多向思維能力，有利于學生靈活運用知識解決實際問題，有利于提高學生的語言表達能力，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[6]。

（一）? PBL教學法問題的設置

PBL教學法的問題設置，是PBL教學法應用的關鍵[7]。PBL問題的難度應適宜，過難的問題學生會喪失信心、過于簡單的問題又會失去探索興趣。地質工程專業(yè)學生的基礎知識扎實、專業(yè)方向口徑寬，但由于專業(yè)訓練不足，三維空間思維能力欠缺。學生在長期傳統(tǒng)教學模式下，知識獲取的盲目性大、閱讀量低，知識認知片面。習慣網絡短時間的碎片化學習。根據維果茨基的“最近發(fā)展區(qū)”原則設置了課程的PBL問題（共設置了45個），即在教師的啟發(fā)引導下，學生通過自主努力學習，最終能夠解決，收獲最大的問題。

鉆探設備課程PBL教學法問題的設置，注重以下3個方面的內容。①引出課程基本概念、基本原理的同時，注重問題的引申擴展。引申擴展的問題需結合前修的多門課程進行分析，提高了課程的挑戰(zhàn)度。②問題與實際緊密聯系，分析問題的同時提出解決措施，既提高了學生的學習興趣，又提高了學生解決復雜問題的能力，提高了課程的高階性。③與課程思政有機融合。通過輝煌的鉆探設備發(fā)展史、“卡脖子”的鉆探技術理論問題、我國鉆探行業(yè)先進的典型人物案例及我國先進的鉆機技術成果，深入挖掘了40個鉆探設備課程思政元素，并有機融入了PBL教學問題中，以此激發(fā)學生的民族自豪感，激勵學生為民族強盛而努力學習，提高學生的責任心，樹立擔當意識、職業(yè)道德修養(yǎng)。

（二）? 線下課堂討論與總結

線下課堂匯報可以檢驗學生的學習效果、提高學生的總結歸納能力、提高語言組織與表達能力，通過討論與爭論還可以提高思辯能力。課堂上，各學習小組選出代表匯報小組自主學習的成果，闡述各小組PBL問題的觀點和見解。其他同學可提問并展開討論。教師把控和引導討論內容，對學生回答不出的問題或有爭論的內容要及時給予解答或解釋，最后對各小組進行點評，對討論內容進行歸納總結。

在長期滿堂灌的教育模式下，開始時，大學生不擅于線下課堂討論，問題討論不踴躍。為提高課堂討論效果，我們采取了如下有效措施：①減少課堂討論學生的人數，使人人參與討論；②鼓勵學生踴躍發(fā)表自己的觀點，允許學生說錯，但需要對學生的錯誤觀點進行客觀分析，說明原因，并給出正確的參考答案；③學生思維活躍、接受新鮮事物快、超前意識強，教師一般不輕易否定學生的觀點；④討論成績計入期末總成績。一般經過2～3次課堂討論后，學生的積極性就會高漲起來。

四? 鉆探設備課程教學資源建設

基于OBE教育理念的PBL教學法，需要豐富的線上線下教學資源，學生才能通過自主學生與討論，給出PBL問題的合理答案[8]。根據鉆探設備部件的內部結構和工作原理的復雜性和抽象性，課程內容與實際聯系緊密的特點，采用線上線下相結合的教學方法進行課程教學。線上教學，采用計算機虛擬仿真技術模擬展示設備部件內部結構和工作原理；線下教學，除課堂匯報和討論外，采用實體實驗平臺與實驗模型的方法進行真實實驗教學，學生可動手操作設備、拆裝部件，增強對鉆探設備結構工作原理的感性認識。

（一）? 線上教學資源建設

1? 鉆探設備課程MOOCs建設

MOOCs（Massive Open Online Courses）為大規(guī)模開放在線課程。借助MOOCs課程，學生的學習時間和地點自由，大大方便了學生的課程學習。綜合考慮地質工程專業(yè)培養(yǎng)方案、課程特點、學生的知識結構和學習特點，將鉆探設備課程內容碎片化成多個知識點，制作了總時長1 000余分鐘的MOOCs教學視頻。依托超星學習通、智慧樹網絡教學平臺，配合授課視頻進行線上教學。線上教學平臺上配有45個PBL問題、15個作業(yè)題和8個互動題，根據課程的教學進度分批發(fā)放給學生。

2? 設備部件結構原理虛擬仿真三維動畫建設

為提高學生機械裝配圖的讀圖能力，提高三維空間的想象能力，針對鉆探設備課程的教學難點，基于3DSMAX、unity3D計算機仿真軟件，研制了鉆探設備的沖擊機構、振動機構、回轉器和升降機等21個設備部件結構和工作原理的三維仿真動畫，配合課堂教學，提高了課程的創(chuàng)新性。

3? 立軸式鉆機鉆進VR實驗系統(tǒng)建設

鉆探設備結構尺寸大、重量大、功率大、運行維修費用高、實驗成本高及安全風險大，為解決鉆探設備課程的實驗難題，提高學生動手能力，采用VR（Virtual Reality，虛擬現實）技術對鉆探設備進行虛擬仿真實驗。研制了典型的XY-4型立軸式鉆機、BW-1型往復式泥漿泵及金剛石繩索取心鉆進VR實驗系統(tǒng)。通過該實驗系統(tǒng)，學生可模擬操作XY-4型鉆機的所有動作，模擬演示所有部件的內部結構、工作原理及拆裝過程，可調節(jié)8級正轉2級反轉、調節(jié)各種工作參數。可操作及拆裝BW-1型往復式泥漿泵，調節(jié)泵的流量和壓力，可檢測泵的排出流量與排出壓力的關系曲線。可進行金剛石繩索取心鉆進，模擬鉆機、泵在不同鉆進參數下的鉆進過程。使學生更加深入地理解鉆機、泥漿泵的結構、工作原理及工作特性，理解鉆機的鉆進過程。

4? 新型設備工作視頻

為充分展示國內外先進的鉆探設備，與實際工程緊密結合，提高課程的創(chuàng)新性，鉆探課程超星學習通網絡學習平臺上配置有10余個目前國內外先進的鉆探設備結構及工作視頻。主要包括KLEMM805錨桿鉆機施工錄像、英格爾EP200G綠色城勘履帶鉆機的行走及泥漿循環(huán)系統(tǒng)演示錄像、陸海兩用集成式鉆機組裝視頻、緊湊型聲波鉆機施工視頻，以及五缸單作用往復式泥漿泵工作原理視頻等。這些新型設備的線上教學資源拓寬了學生的視野，增強了專業(yè)自信。

（二）? 線下教學資源建設

遵循“能實不虛、虛實結合”原則，依托科研資源及教學研究成果，建設符合培養(yǎng)方案及教學大綱要求、符合教學規(guī)律的線下真實實驗教學資源，以提高學生的實踐能力、發(fā)現問題與解決問題能力、培養(yǎng)嚴謹的科學態(tài)度和吃苦耐勞的思想品質。

1? 鉆探設備主要部件拆裝實驗教具的建設

為提高學生的動手操作能力，增加鉆探設備的感性認識，提高解決實際問題的能力，課程建設有XY-4型典型鉆機的摩擦離合器、變速箱、分動箱、升降機、回轉器及卡盤，BW250泥漿泵的動力端與液力端、LG200型螺桿泵的轉子和定子、ISW100-200離心泵的葉輪與泵殼等實體可拆裝部件，并配套部件裝配圖的掛圖，實現圖、物結合對照實驗。學生通過自主拆卸、組裝設備部件及測量和繪制零件圖，大大提高了動手能力，加深了對鉆探設備部件結構原理及工作特性的理解，同時提高了機械裝配圖的讀圖能力。

2? 實驗教學模型的研制

為解決鉆探設備工作機構結構原理教學難度大的難點，研制了螺桿泵結構工作原理教學模型、超越離合器式沖擊機構教學模型、振動鉆機教學模型、曲柄連桿游梁式沖擊鉆機教學模型、偏心式沖擊機構教學模型。學生通過動手操作實驗教學模型，更好地理解了鉆探設備主要工作機構的結構和工作原理，解決了課程的教學難點。

3? 全液壓鉆機鉆進實驗系統(tǒng)的研制

為解決全液壓鉆機液壓系統(tǒng)線路隱蔽、結構和工作原理復雜，學生難以很好理解的教學難題，研制了YZS-4型全液壓鉆機鉆進實驗系統(tǒng)[9]。學生可觀察全液壓鉆機液壓系統(tǒng)的管線布置、各執(zhí)行元件的工作過程；手動及電動操縱液壓系統(tǒng)，完成液壓鉆機的回轉、給進、導桿、加減壓鉆進、提升鉆桿、夾持及擰卸鉆桿和起落鉆塔等工作；可手動調節(jié)給進壓力、給進速度、回轉速度，觀察相應部件的工作特點；可檢測各工作部件液壓系統(tǒng)的壓力、流量、轉速、給進速度和油溫等工作參數，并分析各部件工作特性，加深對鉆機液壓系統(tǒng)結構和工作特性的理解。

4? 升降機沖擊鉆進實驗平臺的研制

為解決升降機結構原理及自動沖擊鉆進技術的教學難題，研制了SZ-300型升降機沖擊鉆進實驗平臺[10]，學生可進行行星輪式升降機的提升、下降、懸掛、微動升降鉆具的操作實驗；水剎車控制鉆具下降速度的操作實驗；升降機手動及自動沖擊鉆進實驗；沖擊鉆進參數（沖程、鉆具下降速度與提升速度）測試實驗。為沖擊鉆進的沖擊功、鉆進速度，升降機與水剎車的工作性能分析提供實驗數據。

五? 教學實踐

通過2019—2023年的教學改革與實踐，鉆探設備課程的教學質量得到了大幅度提高。吉林大學地質工程專業(yè)培養(yǎng)的300余名大學生，取得了與課程內容相關的大量科學研究成果，完成了42項大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目研究（其中國家級項目13項）及78篇畢業(yè)論文、獲得相關專利21項、發(fā)表論文22篇。提高了鉆探設備課程的高階性。鉆探設備課程被評為吉林省高等學校精品課程、吉林省精品在線開放課程、吉林省課程思政示范建設課程、國家首批線上線下混合式一流本科課程。

六? 結束語

為提高鉆探設備課程的教學質量，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，課程組通過更新教學理念、優(yōu)化課程內容體系及教學方法、加強課程思政教育，建設豐富的線上線下教學資源，提高了地質工程專業(yè)本科生的培養(yǎng)質量。

1）根據課程內容和課程特點，基于以學生為中心的OBE教學理論、PBL教學法，充分利用網絡教學資源，采用了線上線下混合式的教學模式，將課程思政融入PBL教學法中。提高了學生的學習主動性及自主學習能力；提高了人際交往能力和語言表達能力；提高了解決復雜工程問題的能力；提高了創(chuàng)新意識；提高了團結協作、刻苦鉆研、勇攀科學高峰的思想品質。

2）根據學生的知識結構和學習特點，建設了鉆探設備MOOCS線上開放課程、設備部件結構原理虛擬仿真三維動畫、立軸式鉆機VR實驗系統(tǒng)、新型鉆探設備工作視頻等豐富的線上教學資源，保證了線上教學質量。

3）為提高學生的動手實踐能力，提高探索與解決實際問題的能力，培養(yǎng)嚴謹的科學精神，建設了鉆探設備12個拆裝部件教具、5個實驗教學模型、1臺全液壓鉆機鉆進實驗系統(tǒng)、1臺升降機沖擊鉆進實驗平臺等實體教學設施。解決了課程的教學難點，加深了學生對課程核心內容的理解，提高了動手實踐能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻：

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基金項目：吉林省教學改革重點課題暨吉林大學本科教學改革研究重點項目“鉆探設備課程PBL教學法研究”（2017XZD060）；吉林省高等教育教學改革研究課題暨吉林大學本科教學改革研究重點項目“基于OBE理念的鉆探設備金課建設”（2019XYB212）；吉林大學本科教學改革研究重點項目“鉆探設備系列課程研究性教學模式改革”（2021XZD043）；吉林大學本科教學改革研究項目“向產出的地質工程專業(yè)課程質量評價體系研究與實踐”（2019XZD049）

第一作者簡介：趙大軍（1964-），男，漢族，山東蓬萊人，博士，教授，地質工程實踐教學中心主任。研究方向為復雜地層鉆探技術。