新工科背景下巖石物理實驗教學改革思路

熊健 劉向君 李瑋

摘 ?要：為適應新工科對勘查技術與工程專業創新人才培養的要求，針對巖石物理實驗教學中存在的問題，基于巖石物理實驗教學的實踐經驗，總結了實驗教學過程中存在的問題并提出了幾點實驗教學改革建議，使其能夠更好地培養學生的工程理念、創新意識和科研精神。

關鍵詞：新工科;巖石物理;實驗教學;改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2020）12-0085-04

Abstract： In order to meet the needs of the new engineering for the cultivation of innovative talents in the exploration technology and engineering major， considering the problems existing in the rock physics experimental teaching， based on the practical experiences of the rock physics experimental teaching， the problems existing in the experimental teaching process are summarized and suggestions for the reform of the experimental teaching are proposed to cultivate students' engineering concept， innovative consciousness and scientific research spirit.

Keywords： new engineering; rock physics; experimental teaching; reform

一、概述

勘查技術與工程專業屬于應用型工科專業，主要培養國土資源勘探與評價、建設工程勘察、環境勘查與評價領域的應用型高級技術人才[1]。目前，國內共有48所高校設置了勘查技術與工程本科專業，不同高校的人才培養目標不同。根據各高校設置的勘查技術與工程專業人才培養方案，這些高校的特色主要分為三類：具有石油背景高校的勘查技術與工程專業更偏重于油氣勘探領域;具有地質背景高校的勘查技術與工程專業更側重于礦產勘探領域;其它高校的勘查技術與工程專業則更側重于巖土工程領域[2-3]。因此，勘查技術與工程專業在我國國民經濟建設中具有重要的地位。

巖石物理學基礎作為我校勘查技術與工程專業的一門專業基礎課程，是地質學、地球物理學的橋梁，是地球物理勘探方法、解釋處理技術建立的基礎，其為后續測井方法與原理、地震勘探原理、測井資料綜合解釋、地震資料綜合解釋等課程的學習奠定相關基礎。本課程涉及巖石的基本物性、巖石的力學性質，以及電學、聲學、磁學、放射性等物理性質、產生機制、相互關系及其室內實驗測定方法，具有知識點繁瑣且分散、專業術語多、基本概念多、課程較抽象、實驗方法多、實驗技術知識點多等特點，是一門建立在以實驗為基礎，理論與實踐并重的結合性課程。通過本課程的學習，使學生具有創新意識和掌握綜合應用地質學、物理學、巖石力學等多學科知識分析巖石物理現象的能力，設計和運用巖石物理實驗方法獲取油氣資源評價及地層其他性質評價所需參數的能力。根據西南石油大學勘查技術與工程專業的本科培養目標和《巖石物理學基礎》教學大綱，該課程了除了課堂理論教學外，還包含25%學時的實驗教學，這說明了該課程的實驗教學環節在整個課程教學過程中占有重要的部分。實驗教學是教學過程中理論聯系實際的重要環節，是對課堂教學過程的延伸，是對課本理論知識的直觀體現和實驗驗證，不僅能夠幫助學生深入理解理論知識、培養學生實踐創新意識，還能培養學生綜合應用能力和發現、分析和解決問題的能力[4-6]。然而在教育部全面推進新工科建設的情況下[7]，巖石物理實驗教學過程中存在的問題愈加顯現，如教學手段不豐富、培養方式較簡單、考核方式不完善等。基于此，為了更好的提高巖石物理實驗的教學效果，對巖石物理實驗教學進行了一些有益的改革與探索實踐，以期在實驗過程中培養學生工程能力和創新意識。

二、巖石物理實驗教學的現狀

目前，基于工程教育理念，針對巖石物理實驗教學存在的問題，已經購置了配備足夠的新型實驗儀器，能夠滿足學生一人一臺設備的要求，讓學生能夠獨立的完成巖石物理實驗[6]。同時在實驗教學過程中，課堂主講教師全程參與實驗教學過程中，實驗教師主要負責實驗前的準備工作，這樣能實現理論教學與實驗教學的鏈接，利于學生對知識更深入的理解和掌握。經過幾年的努力，巖石物理實驗教學改革已經取得一些成績，如已經解決了學生上實驗課實驗儀器不足、實驗項目和實驗內容少、演示性實驗項目過多、實驗教學和課堂教學脫節等問題。然而，在實驗教學過程中仍然存在一些問題，具體表現如下：

（一）實驗教學體系不完善

目前，部分國內外同類教材的內容較少、不全面，缺少巖石物理的基礎概念、基礎理論的介紹，不適合勘查技術與工程專業的培養要求。因此，根據我校勘查技術與工程專業的定位、發展趨勢及油氣特色，出版了《巖石物理學基礎》教材，該教材系統闡述了巖石物理學的基本理論、基本知識和基本技能，主要包括油氣層巖石的基本物理特性，巖石的力學特性、電學特性、聲學特性等內容及巖石物理參數的實驗測定方法[7]。根據西南石油大學勘查技術與工程專業的本科培養目標和巖石物理學基礎教學大綱，該課程設置了4項實驗項目，包括“巖心孔隙度的測定”、“巖心滲透率的測定”、“地層因素和電阻率增大系數實驗”和“聲波縱、橫波速度及衰減系數測定”[6]。這些實驗都屬于驗證性實驗項目，驗證性實驗是根據已知的屬性、特征以及與其他因素的關系，通過實驗過程來重新驗證結果是否與已知的規律一致，強調學習實驗測試方法。通過這些實驗的訓練，學生可鞏固和加強對巖石基本物理特性、巖石電學和巖石聲學等知識的理解，并培養學生的實驗操作能力，但該課程設置的實驗缺少探究性或設計性實驗項目，無法培養學生的獨立自主思考能力、觀察能力、創新意識等。

同時，實驗教學仍然采用傳統的教學實驗模式進行，如“理論講解-儀器詳解-演示-操作”模式，即主講教師先詳細講解實驗目的與原理，后詳細介紹實驗儀器，再跟學生演示實驗，然后學生再根據教師講授的方法和實驗流程進行實驗操作，更多的是機械性模仿實驗操作，雖然實驗過程中能提高學生的動手能力，但也會使學生缺少思考和分析創造的意識。學生按部就班地完成實驗任務會使學生缺少對實驗的熱情，進而使學生忽視實驗的重要性，不能通過實驗訓練過程進一步提高理論教學效果，即不能使學生意識到實驗課學習與課堂理論學習具有等同的重要性。

（二）實驗考核方式不完善

目前，實驗的傳統考核方式主要以實驗報告作為考核依據，而實驗報告主要由實驗目的、實驗原理、實驗設備、實驗步驟、實驗數據、實驗數據處理等部分組成。每個實驗都是學生按部就班地進行儀器操作，按照老師所講的步驟獲取并處理實驗數據，并得到相似的實驗結果，學生所寫的實驗報告按照老師所講格式完成，這些實驗報告大都千篇一律，不能展現出學生的創造性，不能挖掘出優秀學生的潛力，使優秀的學生得不到很好的展示。通過這種考核方式不能培養學生的創新意識，也不能激發學生對實驗的熱情，更不能培養學生發現、分析和解決問題的能力。以往巖石物理實驗準備過程主要由實驗老師和主講老師共同完成，學生參與度低，造成學生對實驗設備不熟悉和對實驗儀器操作了解少，也造成學生不知道實驗課前應該準備什么。實驗課堂上很多學生都是機械地模仿老師的演示步驟，缺少主動性，不能培養學生的獨立自主思考能力和創新能力。通過實驗考核方式的改變逐漸引導學生由被動改成主動，在這個過程中培養學生的創新能力、動手能力。

（三）工程理念培養不足

勘查技術與工程是一個應用型較強的專業，在新工科背景下，更需要培養學生的工程能力，使學生具有工程理念。以往巖石物理實驗教學過程中忽視了學生工程能力的培養，實驗教學中忽視了通過室內實驗測試獲取參數后，未突出巖石物理參數在工程中的應用價值，實驗教學中脫離了實際應用，并沒有將理論與實踐更好的結合起來，從而不能較好的培養學生的工程能力和綜合應用能力。巖石物理實驗過程中應該從工程角度來強調巖石物理參數實驗獲取方法的重要性及其應用價值，從而培養學生的工程理念。

三、巖石物理實驗教學改革思路

（一）完善實驗教學體系

在新編巖石物理學基礎教材的基礎上，形成與之相匹配的巖石物理學實驗教材，可以方便學生在課堂理論學習的同時，從實驗教材也能對實驗過程的直觀理解。巖石物理學是一門建立在以實驗為基礎，理論與實踐并重結合的課程。因此，根據巖石物理學基礎大綱和學校教學條件，構建并完善實驗教學體系，即巖石物理實驗可分為演示性實驗、驗證性實驗、探究性實驗。

1. 演示性實驗項目。該實驗項目可通過微課、PPT等多媒體課件、實驗視頻、實驗動畫等形式在課堂展開，加深學生對教學內容的認識和理解，這部分實驗項目主要是屬于比較簡單的實驗項目或受限于實驗教學條件的限制，如巖石壓汞實驗的動畫、巖石單軸/三軸壓縮實驗視頻或動畫、巖石直剪實驗視頻或動畫、不同介質中的聲波傳播特征的動畫等等。通過這些實驗的演示，有助于學生加深對這部分教學內容的印象，從而提高教學效果。

2. 驗證性實驗項目。一般選擇相對比較重要的原理或規律作為驗證性實驗內容進行設置，如該課程已設置的四個實驗項目，改變傳統教學模式，需要對這四個實驗的原理和實驗所需的儀器功能和操作進行充分整理，且對實驗講解或操作進行視頻錄制，實驗前分享給學生，讓學生能有充分的預習時間。然后借助學校網絡資源建立巖石物理學開放性課程，包括實驗教學平臺，將實驗視頻、實驗材料等資源進行網絡管理，讓學生能安排時間學習，對實驗能進行充分的預習，利于學生帶著思考完成實驗。

3. 探究性實驗項目。新工科背景下的勘查技術與工程人才培養方案對課程學時壓縮較多，在保證驗證性實驗條件下，難以劃分更多學時安排探究性實驗項目。針對這種情況，在驗證性實驗項目中，增加一些探討性內容，使實驗項目既能有驗證性實驗的特點又能具有探究性實驗的特點。例如，對于“巖心滲透率的測定”實驗項目，可測試多組不同壓差的氣體流量，從而獲取流量與平均壓力（入口壓力與出口壓力之和的一半）倒數間關系，能否進一步獲取巖石等效液體滲透率;對于“地層因素和電阻率增大系數實驗”實驗項目，可與“巖心孔隙度的測定”相結合，探討同一塊巖石氣測孔隙度和液測孔隙度之間差異，且可進一步設計實驗獲取不同巖性巖石巖電參數，并探討不同巖性巖電參數差異及差異的原因;對于“聲波縱、橫波速度及衰減系數測定”實驗項目，可進一步設計實驗獲取不同巖性巖石聲波速度或衰減系數，探討不同巖性聲波速度或衰減系數的差異及差異的原因。

針對巖石物理學實驗，根據教學條件或教學內容將巖石物理學實驗進行分類，采用不同教學手段完成教學，從而構建并完善該課程實驗教學體系。這有助于學生加深巖石物理理論知識的理解，能激發學生對巖石物理實驗的興趣，也能培養學生的動手操作能力，還能培養學生分析和解決問題的能力。

（二）完善實驗考核方式

目前，實驗的考核方式不能僅僅是以實驗報告為依據，需要從多方面進行，形成以學生為主體的考核方式，從而激發學生的實驗興趣。通過考核方式引導學生加強實驗課前預習，加強實驗設計能力，加強實驗過程管理，實驗數據記錄完整且嚴謹，加強實驗數據處理能力，其中實驗數據處理除了在實驗報告中有所體現外，還在課程結業考試中也應考查學生的實驗數據處理能力。通過考核方式改變使學生對實驗態度由被動變為主動，并重視實驗實踐能力，養成良好的記錄習慣，從而提高學生的實驗素養。同時，對于設計性實驗，鼓勵學生通過文獻資料自主完成，并在考核過程中加大設計性實驗所占比重，充分調動學生的積極性，提高學生的綜合設計能力，體現出學生創新能力，形成相應的考核評分指標。此外，針對實驗報告完成質量部分，實驗報告中要有完整的實驗數據處理，以及在課程結業考試中增加實驗數據處理能力的考核，以強調實驗數據處理能力的重要性，讓學生重視實驗;在獲取實驗結果基礎上，要求學生對實驗結果分析，如不同巖石聲波速度的差異等，強調實驗結果的工程應用情況分析，培養工程能力;在實驗報告最后，要求學生在完成實驗內容之后，能把實驗過程中遇到的問題以及解決方法進行總結，并認真總結自己在實驗過程中學習心得和認識。這些在實驗報告質量評價中應該要有所體現，才能充分激勵學生認真對待實驗報告，不是草草了事寫完實驗報告而已，而是要學會對數據處理、學會分析實驗結果、學會總結，從中提高自己分析問題的能力和綜合應用知識解釋物理現象的能力。綜上，提出實驗成績考核方式，由以下部分組成：（1）出勤、預習（10%）;（2）實驗設計、實驗操作等（20%）;（3）數據處理、結果分析、工程能力等（40%）;（4）實驗報告質量（10%）。

（三）完善開放式實驗教學條件

與課堂理論教學相比，實驗教學的時間安排較靈活，一般不納入統一的課程安排，是對課堂理論教學的一種補充。在完善巖石物理實驗教材建設和多種教學手段建設等之后，應鼓勵學生自己自主預習實驗，對實驗儀器有所了解，并對實驗操作有所理解基礎上，在實驗老師對學生進行安全和儀器操作考核后，容許學生自主選擇時間完成所設置的實驗項目，這樣能提高學生的思考能力、動手能力、觀察能力。或者當發現在實驗課上自己實驗數據完成質量不高需要重新完成實驗時，也應該容許這部分學生根據時間重新完成實驗。這就要求工作日期間實驗室定期開放，保證學生能根據自己時間合理安排時間完成實驗，也能在一定程度上提高實驗設備的利用效率。同時，在學生對實驗原理理解基礎上，并對實驗儀器功能和操作熟練的情況下，也可鼓勵學生根據實驗條件自主設計實驗項目，激發學生學習興趣，既能培養學生的工程設計能力、綜合應用能力，也能提高學生創新意識。此外西南石油大學地球科學與技術學院本科生每年都可申請“院級創新創業開放基金”、“校級開放性實驗”、“省級大學生創新創業訓練計劃”、“國家級大學生創新創業訓練計劃”等四個層次項目，項目可自由申請，申請對象不受年級限制，申請項目可由老師擬定，也可由學生根據興趣擬定。依托學院已建立的巖石物理實驗室，通過多層次級別項目的申請，通過開放性實驗或訓練計劃激發學生的科研熱情，逐漸引導學生開展自主、半自主科學實驗研究，在這個過程中樹立團隊合作精神，培養學生的人際交往能力，培養學生發現、分析和解決問題能力，培養學生的科研意識和工程理念，增強所學知識綜合應用能力和科研創新能力。

四、結束語

新工科背景下，各個高校都加強了對各專業的創新型人才培養力度，實驗教學在人才培養方面起著重要的作用。然而，傳統的實驗教學對學生工程能力、創新能力和綜合能力的培養不夠重視，無法滿足新工科對《巖石物理學基礎》課程實驗教學的要求。通過構建實驗教學體系，完善實驗教學考核方式，完善開放式實驗教學條件等措施，激發學生的學習熱情，提升學生的動手能力，增強學生的工程能力，這對培養實踐能力強、綜合應用能力強，具有工程理念、創新意識和科研精神的人才具有重要現實意義。

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