基于仿真實驗平臺的滲流物理實驗對分課堂教學模式初探

樊冬艷， 孫致學， 付帥師， 呂愛民， 杜殿發(fā), 谷建偉， 陳付真

(中國石油大學(華東) 石油工程學院， 山東 青島 266580)

基于仿真實驗平臺的滲流物理實驗對分課堂教學模式初探

樊冬艷， 孫致學， 付帥師， 呂愛民， 杜殿發(fā), 谷建偉， 陳付真

(中國石油大學(華東) 石油工程學院， 山東 青島 266580)

針對滲流物理實驗課堂現(xiàn)狀，以及部分實驗高溫高壓環(huán)境、抽象性強等特點，基于仿真實驗平臺和模塊化教學方式，本文提出了滲流物理實驗課程的對分課堂實施方案。首先，實驗內(nèi)容模塊化，把15項實驗分為6大模塊進行系統(tǒng)講授，其次，基于仿真平臺安全和重復性等特點，學生利用一周時間進行內(nèi)化吸收，最后，進行課堂討論和分組實驗。結果表明，對分課堂提高了學生的積極性和參與度，理論和實驗教學效果有了明顯提升，同時對學生和教師也是一種大膽的嘗試和創(chuàng)新。

滲流物理實驗教學； 仿真平臺； 模塊化教學； 對分課堂

0 引 言

實踐作為檢驗真理的唯一標準，實驗教學在人才培養(yǎng)中扮演著舉足輕重的戰(zhàn)略地位[1-3]。滲流物理實驗[4-5]作為石油工程專業(yè)課程油層物理[6]和滲流力學[7]的延伸和拓展，進一步加強學生理論與實踐相結合的能力，圍繞油藏巖石和流體的物理和滲流特征，依托國家級實驗教學示范中心——“石油工程實驗教學中心”，系統(tǒng)開設了15個實驗項目。針對在實驗教學過程中學生主動預習的積極性不高，機械地按部就班完成實驗操作，無法發(fā)揮和體現(xiàn)學生的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力等問題，提出了基于仿真實驗平臺滲流物理實驗對分課堂教學模式，并在實踐教學過程中受到了學生們的積極肯定，提高了學生自我學習的積極性，同時動手和獨立思考能力也有了很大的提升。

1 滲流物理實驗對分課堂的必要性

對分課堂教學模式(PAD模式)由張學新教授[8,9]根據(jù)國內(nèi)大學課堂現(xiàn)狀提出的，把教學在時間上分為講授、內(nèi)化吸收和討論3個步驟，把一半課堂時間分配給教師進行講授，另一半分配給學生以討論的形式進行相互式學習。孫致學老師[10]結合滲流物理實驗的特殊性，設計了滲流物理實驗仿真實驗平臺，具有開放重復性、仿真性和移動性等特點。針對滲流物理實驗采用基于仿真實驗平臺的對分課堂教學模式主要基于以下考慮：

(1) 滲流物理實驗課程是圍繞油氣層地下幾km的物理及滲流過程而設計的，因此，部分實驗必須在高溫高壓下進行，溫度一般在40～60℃，壓力一般在20 MPa，故在實驗過程中具有一定的危險性，學生在沒有做預習和操作不當?shù)那闆r下非常危險，所以在講解基本概念和原理后有個內(nèi)化吸收過程是非常有必要的。

(2) 實驗研究對象為地下的油氣資源，深埋在地下，看不見摸不著，因此涉及到的概念和機理具有一定的抽象性和復雜性；其次相關實驗儀器昂貴復雜，操作不規(guī)范容易使實驗儀器損壞，耽誤正常分組實驗和教學進度。為此，在實戰(zhàn)操作之前，每位同學通過仿真實驗平臺進行模擬實驗，深入理解理論難點和實驗關鍵操作方法，平臺的可視化、可修正和可重復等特征打破了時間和空間限制，通過仿真實驗平臺模擬后如圖1所示，再進入實驗室進行實戰(zhàn)操作，大大提高了學生們的實驗學習效果和積極性。

(a) 仿真實驗平臺

(b) 實驗室平臺

圖1 流體PVT高壓物性仿真實驗平臺與實驗室平臺對比

(3) 傳統(tǒng)的實驗課程主要分為老師講解和學生操作兩部分，沒有消化和討論過程，導致學生的主動性不強，且只是按照標準步驟指導學生機械完成實驗過程，調(diào)查表明學生實驗學習效果不理想，大部分學生往往是在對實驗原理和步驟不太理解的情況下完成操作，難以發(fā)揮學生的創(chuàng)新性，因此在討論后進行科學實驗，學生更加主動和自信。

2 滲流物理實驗對分課堂的教學實施

為了對比和提高實驗教學效果，在2015～2016年度第二個學期首先針對石油工程卓越工程師班進行試點教學，共2個班，每班30個學生，共60人。該實驗課程共24個學時，包含15個實驗，教學內(nèi)容豐富，采用模塊化教學方式[11]，把實驗項目分為6個模塊(① 油藏流體物性分析；② 巖石礦物組成分析；③ 巖心骨架和孔隙物性分析；④ 儲層滲透率分析；⑤ 特殊巖心物性分析；⑥ 水電模擬滲流實驗)，除第一堂和最后一堂2個學時，其他每個教學模塊4個學時。

2.1課程設計及安排

針對滲流物理實驗現(xiàn)狀，對分課堂主要分為教學模塊講授、基于仿真平臺的內(nèi)化吸收、討論與實驗。每3個人一組，每班10組，每次5組同時進行實驗，具體實施步驟見圖2。

圖2 對分課堂實施步驟

由圖2可見，除了第一次是標準的2個學時，主要用于對分課堂模式的說明以及第一個實驗模塊的理論講授，指導學生進行滲流物理仿真平臺的操作使用；其它為4個學時，主要包括：① 該實驗模塊的理論回顧以及實驗具體細節(jié)討論，考察學生們是否已經(jīng)理解和明確實驗原理和過程，并發(fā)揮學生的積極主動性，其次強調(diào)實驗安全須知，確保學生們在正確安全的情況下完成實驗；② 進行實驗操作，3人一組分工明確，確保實驗在有序和思路清晰的情況下完成；③ 上一個實驗模塊相關實驗報告提交以及下一個模塊的理論講授。

2.2仿真實驗平臺設計

滲流物理仿真平臺是借助現(xiàn)代無線通信技術，豐富的網(wǎng)絡教育資源，以及隨處可見的手機應用，實現(xiàn)移動學習，突破了時間和空間的限制，非常適用于對分課堂的內(nèi)化吸收過程。學生通過手機利用碎片化時間即可輕松實現(xiàn)高溫高壓實驗條件，同時通過滑動、旋轉(zhuǎn)、點擊等操作即可完成仿真實驗，且在設計過程中，每一步都附帶文字說明，讓學生在操作過程中理解實驗原理。仿真實驗平臺具有可重復性的特點，在前一次實驗操作失敗的情況下，可以重新開始，調(diào)動了學生的積極性，有助于提高學生的綜合素質(zhì)和實踐創(chuàng)新能力。

2.3反饋及考評方式

反饋主要是針對在上一組實驗操作中容易出現(xiàn)的問題，進行重點說明，共同交流討論避免類似問題重復出現(xiàn)。實驗課程沒有最終考試，因此更加注重過程學習，其中6個實驗模塊，每個實驗模塊15分，包括仿真平臺模擬5分，實驗報告5分，實踐操作表現(xiàn)5分，還有10分為平時積極發(fā)言討論分值，共計100分。

3 對分課堂結合仿真平臺實驗教學的心得

對分課堂在張學新教授2014年提出后，相對傳統(tǒng)教學和翻轉(zhuǎn)課堂，取舍折中，更加符合國內(nèi)大學的教學實際，在全國得到了迅速的推廣及應用[12-16]，與傳統(tǒng)實驗教學相比存在明顯的優(yōu)勢，但對分課堂的教學也對教師和學生提出了進一步的要求和挑戰(zhàn)。

3.1與傳統(tǒng)實驗教學對比

首先，對分課堂學生相對傳統(tǒng)課堂更加積極，課堂氣氛更加熱烈，通過一周的內(nèi)化吸收，學生對實驗原理和操作過程已經(jīng)有了基本了解，所以在問題討論過程中，大家都有理可依，給了學生更好地溝通和展示機會，大大調(diào)動了學生的參與度；而傳統(tǒng)實驗教學，大部分學生在毫無任何準備的情況下步入實驗室，講解完實驗操作步驟，也難以理解實驗原理。其次，對分課堂有利于教學相長，促進師生感情，傳統(tǒng)教學只是老師講授實驗原理和步驟，然后學生按照標準步驟完成實驗過程，缺乏對分課堂的內(nèi)化吸收和交流反饋環(huán)節(jié)，而正是這兩個環(huán)節(jié)給了學生和教師進一步溝通的機會，在學生疑問中教師也在成長，例如在利用落球法測量原油黏度實驗討論中，學生指出能否采用水來驗證實驗的準確性，最后學生在測試水黏度的過程中再現(xiàn)了密度測量過程，體現(xiàn)了學生們的探索和創(chuàng)新思維，不再是驗證性的機械操作，促進了師生交流。

3.2對分課堂教學的挑戰(zhàn)

對分課堂相對傳統(tǒng)課堂更加靈活，每個模塊4 h的課程時間，需要教師根據(jù)每個模塊的實驗內(nèi)容和形式，安排好講授和討論實驗的時間，而不用嚴格規(guī)定為1∶1的時間分配，因此教師需要夯實的理論基礎，強大的課堂駕馭能力和引導能力，對教師特別是經(jīng)驗不足的新教師是一個較大挑戰(zhàn)。

學生也必須從傳統(tǒng)課堂的被動學習中及時轉(zhuǎn)變，化被動為主動，基于實驗仿真平臺每個人都有內(nèi)化吸收的過程記錄，在討論階段個人經(jīng)驗問題共同分享，再分組實驗；在此過程中，需要學生們課下消化，課上思考交流，最后實踐證明，因此，每一模塊的實驗對學生都是一個理論到實踐的探索過程。

仿真實驗平臺的完善和維護對教師而言，是另一個較大而繁瑣的工作量，這部分勞動是課時以外的，且時間分散，目前學校還沒有統(tǒng)一維護人員。

4 結 語

本文闡述了對分課堂在滲流物理實驗教學過程中的應用，根據(jù)目前存在的問題分析了對分課堂的必要性和實施過程，首先在理論講授后，基于實驗仿真平臺更有效地進行內(nèi)化吸收，采用模塊化教學把滲流物理實驗劃分為6個模塊，每個模塊4個課時，更有效地實施討論和分組實驗，形成了一套集教學、學習、討論反饋、實驗為一體的對分課堂教學模式，且有利益于對學生進行過程考核。基于實驗仿真平臺的滲流物理實驗對分課堂，更加體現(xiàn)了高速發(fā)展的網(wǎng)絡時代實驗教學改革的嘗試，調(diào)動了學生的主觀能動性，提高了學生參與度，同時教學相長，奠定和鍛煉了學生通過實驗求知探新的能力。

[1] 王義遒. 在21世紀人才培養(yǎng)中實驗教學的地位與作用[J]. 實驗室研究與探索, 1998( 2): 1-4.

[2] 宋國利, 蓋功琪, 蘇冬妹. 開放式實驗教學模式的研究與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2010, 29( 2) : 91-93.

[3] 劉建民. 深化實驗教學改革培養(yǎng)創(chuàng)新人才的思考與實踐[J]. 實驗技術與管理，2001，18( 2) : 85-89.

[4] 李愛芬. 滲流物理實驗[M]. 青島: 中國石油大學出版社, 2011

[5] 李愛芬, 姚同玉, 孫仁遠. 油層物理實驗教學改革初探[J]. 科技創(chuàng)新導報, 2010(23):137.

[6] 李愛芬. 油層物理學[M]. 3版.青島:中國石油大學出版社, 2011.

[7] 張建國, 雷光倫, 張艷玉. 油氣層滲流力學[M]. 青島:中國石油大學出版社,1998.

[8] 張學新. 對分課堂:大學課堂教學改革的新探索[J]. 復旦大學論壇, 2014(12)：5-10.

[9] 杜艷飛, 張學新. 對分課堂:高校課堂教學模式改革實踐[J]. 繼續(xù)教育研究, 2016(3):116-118.

[10] 孫致學, 劉麗娜, 張 凱,等. 移動學習環(huán)境下石油工程仿真實驗平臺建設[J]. 實驗技術與管理, 2015, 32(7): 113-115.

[11] 付帥師, 李愛芬, 姚 軍, 等. 滲流物理實驗模塊化教學改革初探[J]. 實驗室研究與探索, 2015,34(10): 165-167，229.

[12] 劉玉春, 豆桂平, 程 全. 對分課堂教學模式在工科實驗課程中的運用研究[J]. 蘭州教育學院學報, 2016, 32(7):97-99.

[13] 李 欣. 對分課堂：有中國特色的大學教學新方法[J]. 高效論壇, 2016(10):16-17.

[14] 王爾馥. 網(wǎng)絡環(huán)境下的高效對分課堂教學模式改革[J]. 高師理科學刊, 2016, 36(5):89-91.

[15] 劉明秋. 對分課堂教學模式在微生物學教學中的應用[J].微生物通報, 2016, 43(4):730-734.

[16] 李晶晶, 張學新, 楊川林. 基于PAD課堂的高效教學—以《現(xiàn)代漢語》課堂為例[J]. 湖南科技學院學報, 2016,37(9):127-130.

PADClassTeachingResearchofFlowinPorousMediaandPetrophysicsExperimentsBasedonSimulationPlatform

FANDongyan,SUNZhixue,FUShuaishi,LüAiming,DUDianfa,GUJianwei，CHENFuzhen

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

According to the teaching status of the flow in porous media and petrophysics experiments, as well as high temperature and high pressure environment and strong abstraction in some experiments, the presentation-assimilation-discussion (“PAD”) mode of experiment teaching has been presented based on the simulation experimental platform and modularized teaching method. First of all, the experimental content is modularized, 15 experiments are divided into 6 modules. Secondly, students take one week to absorb experiment content using the simulation experimental platform, which is safe and repeatable. Finally, classroom discussions and group experiments are conducted. The results show that the PAD mode has improved the students’ enthusiasm and participation, and the effect of theory and experiment teaching has been improved obviously. Meanwhile, it is also a bold attempt and innovation for students and teachers.

experimental teaching of flow in porous media and petrophysics; simulation experimental platform; modularized teaching method; presentation-assimilation-discussion class

TE 348； G 434

A

1006-7167(2017)09-0153-03

2016-11-15

國家自然科學基金重大項目(51490654)；國家自然科學青年基金(51504277)；山東省教學改革項目(B2016M008)；中國石油大學(華東)教學改革項目(QN201504，QN201604)

樊冬艷(1985-)，女，江西南昌人，博士，講師，研究方向：油氣滲流理論的教學和研究。Tel.:18561302763; E-mail:fandongyan2010@126.com