石油工程水射流基礎(chǔ)與應(yīng)用課程建設(shè)與實(shí)踐

王海柱 田守嶒 李根生 黃中偉 盛茂 張逸群 楊睿月 李敬彬

摘要：為了進(jìn)一步提升《水射流基礎(chǔ)與應(yīng)用》課程教學(xué)效果，對(duì)教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了修訂，輔以課堂教學(xué)方法改革，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與參與性，與改革前相比，學(xué)生的平均成績、優(yōu)秀率、學(xué)生評(píng)教等均有明顯提高。

關(guān)鍵詞：石油工程;水射流基礎(chǔ)與應(yīng)用;課程建設(shè);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.4? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）41-0160-03

高壓水射流技術(shù)在油氣鉆井提速、壓裂增產(chǎn)、儲(chǔ)層改造等方面具有舉足輕重的作用。尤其是近年來隨著油氣工程技術(shù)的快速發(fā)展，高壓水射流相關(guān)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的寬度與深度均得到了快速拓展，從高壓噴射鉆井提速到水力噴射壓裂增產(chǎn)，從高壓水射流沖砂洗井解除堵塞到高油氣比射流增效，從油套管切割到水射流除垢除蠟，貫穿了鉆井、完井、采油、增產(chǎn)等石油工程上游全過程，因此高壓水射流相關(guān)理論與技術(shù)越來越得到重視，相應(yīng)選修該門課程的學(xué)生數(shù)量也逐年增加。

為了使學(xué)生更好地掌握高壓水射流技術(shù)及理論在石油工程中的應(yīng)用，在本科生和研究生課程中均開設(shè)了選修課。該門課程自開設(shè)以來一直采用高壓水射流實(shí)驗(yàn)室的多媒體教學(xué)材料，教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)大綱較為陳舊。《水射流基礎(chǔ)與應(yīng)用》課程是以高等流體力學(xué)為基礎(chǔ)，以實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)為手段，輔以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場實(shí)例分析等綜合性課程。以往教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)水射流基礎(chǔ)理論、水射流切割機(jī)理、空化與自振射流等部分不好理解，學(xué)生很難在課堂有限的時(shí)間內(nèi)聽懂并掌握，需要課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)。然而學(xué)生通過有限篇幅的多媒體很難將復(fù)雜的公式、射流破巖理論等理解透徹，教學(xué)效果欠佳。

因此，為了進(jìn)一步提高《水射流基礎(chǔ)與應(yīng)用》課程教學(xué)效果，進(jìn)行了課程體系調(diào)整以及教學(xué)內(nèi)容制訂，同時(shí)對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行了改革，并取得了較好的效果。研究成果將為新世紀(jì)石油工程科研與實(shí)踐高素質(zhì)人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

一、完善教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)大綱

水射流基礎(chǔ)與應(yīng)用是本科生的選修課，主要講述水射流基礎(chǔ)理論、水射流切割機(jī)理、噴射系統(tǒng)和噴嘴、磨料水射流、空化與自振射流、脈沖和聚能射流、旋轉(zhuǎn)水射流等七章內(nèi)容，共計(jì)2學(xué)分，32學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)2學(xué)時(shí)，課堂討論2學(xué)時(shí)。課堂最后2學(xué)時(shí)以講座的形式介紹水射流技術(shù)在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。隨著科技的快速發(fā)展，出現(xiàn)了多種新型射流技術(shù)，并在相關(guān)領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，因此改革后的教學(xué)內(nèi)容中增設(shè)了新型射流技術(shù)與應(yīng)用，主要介紹低溫液氮射流技術(shù)、超臨界CO2射流技術(shù)、高溫?zé)崃ι淞骷夹g(shù)等，使學(xué)生對(duì)射流技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展有所了解。

此外，在過去幾年的教學(xué)過程中，以原理講解為主，實(shí)例較少，學(xué)生理解起來較為困難。在大量調(diào)研和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)原有的七章連續(xù)高壓水射流發(fā)生裝置基礎(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行了更新，增加了最新的理論與發(fā)現(xiàn)，同時(shí)增加了大量的實(shí)例應(yīng)用，通過視頻、圖片等流媒體形式展示，通俗易懂。使學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)場應(yīng)用有了更深的了解。

二、教學(xué)方法改革

從教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)水射流技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用了解甚少，難以建立起感性認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致課堂教學(xué)時(shí)學(xué)生參與意識(shí)不強(qiáng)、大多時(shí)間是被動(dòng)聽講，缺乏互動(dòng)交流的基礎(chǔ)和研討式教學(xué)過程。為了提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，提高石油工程本科生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，對(duì)課堂教學(xué)模式進(jìn)行了改革，從原有的“填鴨式”講解教學(xué)，轉(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)式、小組討論教學(xué)模式，同時(shí)輔助了課堂實(shí)驗(yàn)，提高了教學(xué)效果。

（一）啟發(fā)式教學(xué)

教學(xué)屬于師生雙邊活動(dòng)，調(diào)動(dòng)師生的積極性，使之在教學(xué)活動(dòng)中發(fā)生有效互動(dòng)，才能提高教學(xué)質(zhì)量與效果。本門課程主要采用懸念情境的創(chuàng)設(shè)方法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

課前進(jìn)行充分的教學(xué)素材準(zhǔn)備，如相關(guān)的動(dòng)畫、圖片等，同時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心安排，第一步講什么、第二步講什么都要進(jìn)行精心策劃，逐步引導(dǎo)學(xué)生，吸引學(xué)生的注意力。以第一章水射流基礎(chǔ)理論為例，課下需準(zhǔn)備日常生活中常見的水射流現(xiàn)象及其相關(guān)工業(yè)應(yīng)用圖片以及動(dòng)畫視頻，先以動(dòng)畫開場讓學(xué)生們了解什么是水射流，在日常生活中存在哪些水射流現(xiàn)象，相關(guān)的工業(yè)應(yīng)用有哪些。隨后提出問題：水射流是如何產(chǎn)生的？給學(xué)生充足的思考時(shí)間，并引導(dǎo)學(xué)生積極回答問題，讓學(xué)生對(duì)水射流有了基本認(rèn)識(shí)之后，再進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)理論的講解，以此提高教學(xué)效果。對(duì)積極參與討論的學(xué)生予以記錄，在期末評(píng)定中的平時(shí)成績中加分，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

（二）小組討論式教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)過程中并不能完全調(diào)動(dòng)所有學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為此還需要配合小組討論式教學(xué)模式，強(qiáng)化學(xué)生參與。

將學(xué)生分為5—8人的討論小組，每個(gè)小組推選一名組長。根據(jù)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置不同的討論問題，均以工程項(xiàng)目的形式提出，自主選題并組織實(shí)施，同時(shí)根據(jù)難易程度賦予相應(yīng)分值（該分?jǐn)?shù)將與期末考試成績掛鉤），通常給學(xué)生4周時(shí)間，最終選派一名學(xué)生以多媒體講解的形式答辯，并由老師和各小組組長打分。經(jīng)過三個(gè)學(xué)期的實(shí)踐和完善，共設(shè)置了5個(gè)討論題：①消防噴嘴種類及結(jié)構(gòu)，如何提高消防水槍射程？舉例說明（70分）;②自然界中的空化現(xiàn)象有哪些？工業(yè)生產(chǎn)中如何減小空化破壞作用？又如何利用空化作用？舉例說明（80分）;③影響磨料射流切割的因素有哪些？如何提高磨料射流切割效果？舉例說明（70分）;④利用fluent軟件模擬錐形噴嘴射流，得到其速度場、壓力場分布，并給出提高錐形噴嘴射流效率的意見和建議（100分）;⑤實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬對(duì)比研究薄壁出流及厚壁出流不同，得到其各自初始時(shí)刻的出流軌跡（公式），保存視頻、圖片等資料（100分）。

經(jīng)過實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生選擇了分值較高的④、⑤兩題，并且在答辯過程中進(jìn)行了很好的展示，有的學(xué)生甚至將簡單的模擬實(shí)驗(yàn)器材拿到現(xiàn)場進(jìn)行演示，表現(xiàn)出了很高的積極性。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，90%以上的學(xué)生參與了小組討論，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意愿較強(qiáng);學(xué)生講解完畢后，進(jìn)行提問和解答，深入討論，最后老師進(jìn)行講解，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施的效果、講解表達(dá)能力、多媒體制作能力等進(jìn)行詳細(xì)點(diǎn)評(píng)和講解，使學(xué)生通過訓(xùn)練提高其項(xiàng)目組織實(shí)施能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、講解表達(dá)能力等，同時(shí)強(qiáng)化其工程意識(shí)，為學(xué)生走向工作崗位奠定基礎(chǔ)。

（三）完善課堂實(shí)驗(yàn)

水射流基礎(chǔ)理論主要來源于現(xiàn)場實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)，為此水射流基礎(chǔ)與應(yīng)用課程也無法脫離實(shí)驗(yàn)。針對(duì)小孔口出流理論與空化射流兩部分重要內(nèi)容，設(shè)置了課堂演示實(shí)驗(yàn)，利用塑料瓶和吸管，自制小孔口出流實(shí)驗(yàn)裝置;利用亞克力管和注射器組合，自制空化發(fā)生裝置，通過課堂演示和學(xué)生體驗(yàn)操作，極大地激發(fā)了學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)的積極性。

此外，結(jié)合課程主體內(nèi)容和中國石油大學(xué)（北京）高壓水射流實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，設(shè)置了超高壓磨料水射流切割以及超臨界CO2噴射破巖兩組實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)過程中均有高壓流體，存在一定的危險(xiǎn)性，因此兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均采用觀摩的方式進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)前向?qū)W生全面介紹實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵零部件的組成和功能，同時(shí)對(duì)學(xué)生說明今后從事該實(shí)踐活動(dòng)過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)，尤其是安全教育方面。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生積極踴躍地提問，大大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過室內(nèi)觀摩實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)高壓水射流技術(shù)及其應(yīng)用有了更加深入的了解，促進(jìn)了其課堂理論學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，同時(shí)還能增強(qiáng)學(xué)生的安全生產(chǎn)意識(shí)。

（四）成績?cè)u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)改革

以往的學(xué)生成績?cè)u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)大多是以期末成績?yōu)橹鲗?dǎo)，忽視平時(shí)成績。如期末考試成績占總分?jǐn)?shù)的80%，平時(shí)作業(yè)和考勤成績占20%。這種考核模式忽視了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核，造成了部分學(xué)生平時(shí)不認(rèn)真學(xué)，期末考試前突擊復(fù)習(xí)即可拿高分的現(xiàn)象，實(shí)際上這類學(xué)生并未學(xué)到真正的知識(shí)點(diǎn)，考試結(jié)束后很快就會(huì)遺忘所學(xué)知識(shí)。為了減少高分低能現(xiàn)象，需加強(qiáng)學(xué)習(xí)過程考核。為此，該課程將考勤、課后作業(yè)、討論課成績、實(shí)驗(yàn)課成績等四項(xiàng)過程考核成績比例提高到40%，降低期末考試成績的比重。此舉可進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，促使學(xué)生積極參與小組討論與實(shí)驗(yàn)課，提高動(dòng)手能力，為培養(yǎng)科研與實(shí)踐高素質(zhì)人才奠定基礎(chǔ)。

三、教學(xué)效果分析

通過2014年到2016年三個(gè)學(xué)期的不斷改革，學(xué)生平均成績和優(yōu)秀率均穩(wěn)步提高，此外學(xué)生對(duì)教師的教學(xué)評(píng)價(jià)得分也逐年升高（見表1），同時(shí)從學(xué)生問卷調(diào)查的反饋來看，大部分學(xué)生認(rèn)為課堂教學(xué)生動(dòng)，輔以視頻教學(xué)、課堂討論、課堂實(shí)驗(yàn)等方式，提高了學(xué)生參與的積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

四、結(jié)論

通過近四年的水射流基礎(chǔ)與應(yīng)用教學(xué)改革，促進(jìn)和完善了教學(xué)課程體系，達(dá)到了課程建設(shè)的總體目標(biāo)：

（1）以創(chuàng)新能力培養(yǎng)和提高綜合素質(zhì)為目標(biāo)，完善了水射流基礎(chǔ)與應(yīng)用課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱，增設(shè)了新型射流技術(shù)與應(yīng)用內(nèi)容，使學(xué)生了解最新射流理論與技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向;

（2）對(duì)課堂教學(xué)模式進(jìn)行了改革，從原有的“填鴨式”講解教學(xué)，轉(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)式、小組討論式教學(xué)模式，輔助了課堂實(shí)驗(yàn)，提高了教學(xué)效果。此外，通過學(xué)生成績?cè)u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)改革，將學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)從重視結(jié)果培養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾曔^程培養(yǎng)，提高了學(xué)生教學(xué)活動(dòng)參與的積極性;

（3）通過三個(gè)學(xué)期的不斷深化改革，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績和優(yōu)秀率均穩(wěn)步提高，學(xué)生的反饋意見也更加積極，對(duì)教師的滿意度也逐年提升。

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