新工科背景下的鉆井液設計實踐與課程建設

曹曉春 花露露 焦昱璇

摘 ?要：基于新工科建設的要求，根據健康、安全與環境管理（HSE）全面引入石油工程所有課程的情況，鉆井液及其設計的教學方式、課程目標以及對學生畢業能力、設計實踐的要求均做了相應的改革。比較分析了線上教學與混合式教學效果，研究修訂了新工科背景下混合式教學的教學大綱及效果評價指標體系，通過創新創業實踐等活動全面培養和提高了學生的設計實踐能力。

關鍵詞：新工科;鉆井液設計;混合式教學;教學評價

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0082-04

Abstract： Based on the request of new engineering construction in Chinese universities， health， security and environmental management （HSE） has been introduced into all courses in Petroleum Engineering. Teaching methods and course goals were reformed as well as graduation capacity and designing practice for students majoring drilling fluids. Teaching effects of the existing blended teaching method were compared with those of online teaching methods in 2020. Teaching syllabus and effect evaluation index system were revised. The students' practice ability has been cultivated and enhanced by the way of innovation and entrepreneurship practice and other activities.

Keywords： new engineering; drilling fluid design; blended teaching; teaching evaluation

石油與天然氣是我國重要的能源和戰略資源，從1959年大慶油田“松基三井”產油開始，我國的石油天然氣行業就為新中國的經濟建設和能源安全提供了堅實的保障。然而，根據《BP世界能源統計年鑒》的最新統計，我國石油與天然氣對外依存度分別為73%和41%;2021年我國后疫情時代的經濟仍然持續向好，進一步刺激了能源需求，以至在全球碳排放總量的份額中占到30%以上。綠色安全生產及石油與天然氣的大力度勘探開發均對石油工程的新工科建設提出了更高要求，所有專業課程均需要大篇幅引入健康、安全和環境管理（HSE）及經濟評價。同時，為了強調學生的創新創業實踐能力，在適當縮減理論教學學時的基礎上，增加學生的工程設計實踐學時。

一、線上教學與混合式教學效果的評價

石油工程是東北石油大學的主干專業，是全國重點學科，專業課的教學內容除了要考慮思政元素外，還要向清潔能源、新能源、非常規油氣（如頁巖油/氣）等領域傾斜。所屬的油氣井工程也是國家重點學科，有國家級重點實驗室。現在正面臨著專業課程及設計實踐環節的教學大綱、教案及教學內容的全方位改革。例如，鉆井液工藝原理課程由48學時縮減為32學時，鉆井工程設計則由短學期的實踐活動調整為32學時的實踐課程。

（一）線上教學

2020年上半年，我們利用直播和錄播的形式，引導因新冠肺炎疫情而居家的大三學生（石油工程專業7個本科生班級）學習48學時的鉆井液工藝原理課程。在本校的網絡教學平臺上，我們上傳了自行精心錄制的26個時長均約45分鐘的教學視頻，供學生進行學習。及時與學生進行互動，隨時解答學生在線學習過程中遇到或提出的各種問題，使學習和理解能力較弱的學生及時跟上課程進度。理論學習結束后立即進行測驗，檢查學生的學習效果，并將測驗結果計入學生的平時成績，平時成績與期末的考試成績各占50%。結果發現，這種教學方法的效果非常好，學生最終的平均成績超過80分。

至于實踐環節，我們也在網絡教學平臺上傳了10多個相應的工程設計教學視頻。由于每個學生得到的基礎設計資料各不相同，所設計的結果也各不相同，學生之間不能相互借鑒設計結果，必須依靠教師的指導進行設計并校核設計結果。為了使學生盡快高質量地完成設計任務，我們在提供錄播視頻的同時，還開通直播，帶領學生理解設計的原理和方式方法，明白所需的計算公式和校核條件。在每一階段的設計環節，我們都會一一舉例說明，一步一步地將前面所學的原理、公式和校核方法運用到實例中。學生在同步學習實例設計后，很快就能完成相應的設計任務。最終，我們非常順利而且高質量地完成了實踐設計的教學任務。

（二）混合式教學效果

2021年上半年，我們以線下授課為主，同時利用網絡教學平臺進行了線上線下的混合式教學改革，并進一步優化了錄播內容，以方便石油工程專業2018級200多名學生的專業課程的學習和設計。由于錄播內容全面，設計示例詳細，部分視頻還面向了本校本專業的碩士研究生。

自2021年秋季學期開始，按照修訂后的教學大綱和教學課時（32學時）的安排進行教學。現以該學期大三本科生正在學習的鉆井液工藝原理課程為例，我們提前發布教學文件和學習內容，作為線下學習的輔助資料（如圖1所示）。學生能夠及時明確課程目標和學習任務，查找相關輔助教學資料。學生在課堂上不能及時理解和掌握的內容，可以通過課后觀看視頻進行自主學習和鞏固。

在課程教學近半時，我們從自建題庫中隨機抽取難易程度不一、題型多樣的試題，對學生的學習情況進行了期中檢查。隨機組題的隨堂測試結果良好（如圖2所示），學習效果明顯優于以教師授課為主的單一線下授課模式，也優于以學生自主學習為主的單一線上授課模式。由于均是客觀題，避免了教師對學生成績的主觀影響;當然，由于缺少了綜合論述題，學生對專業知識的綜合理解和運用能力可能會受到一定的影響。

二、教學大綱及效果評價指標體系

在新工科建設前，鉆井液專業課是48學時，課程目標多達7個，對應的本科生畢業要求指標點更多。這就使得我們將大部分時間和精力用于為達到相應的指標點而進行的課程設計，理論教學時間偏多，而教學結果及考試結果的質量分析卻并不樂觀。例如，取2018級30名學生的考試試卷和平時作業作為樣本，優、良、中、及格和不及格按6、7、7、6、4的比例抽取。根據各考核環節學生獲得的平均分值，計算2018級學生課程培養目標達成情況，各考核環節學生達成度=學生獲得平均分值/該環節分值，分目標達成度計算公式以筆試試題計算課程目標1過程為例，筆試課程目標1達成度=課程目標1的試題平均分/分目標試題總分，課程目標達成度計算公式=（期末考試權重×支撐該課程目標的試題平均分+作業權重×支撐該課程目標的測驗平均分×支撐該課程目標的測驗占分比例）/該課程目標總分值。統計結果見表1。

為了滿足專業認證的持續改進要求，為了新時代新工科下的專業發展，我們對教學內容進行了適當精簡，對教學大綱進行了全面修訂。從2021-2022學年度開始，鉆井液課程由舊版培養方案的48學時改為32學時，在教學內容的設置上也進行了相應的調整，刪除了與其他專業課程重復的內容。本次修改將舊版課程大綱中要求的數學模型（如鉆井液的流變性與鉆井工程的關系）等石油工程復雜問題，轉為本門課程和工程實踐結合較為緊密的部分內容，在精簡課程目標的同時，并不減少對畢業要求指標點的支撐。

本次修訂還將保護油氣儲層及HSE的內容分化到常用鉆井液體系及其配漿材料和處理劑的授課內容中，去除影響人體健康和生態環境的處理劑（例如，無機處理劑重鉻酸鉀對人體肺部有不良影響），強調其危害。同時還在授課內容中，追蹤科技熱點，及時引入新出現的環保且保護儲層的生物高分子等新型材料和技術。

從教學進度過半的中期檢查結果可見（圖2），課程目標的考試成績為良好以上，教學效果明顯優于教改前。

三、鉆井液設計的創新創業實踐

2020年，由于我們高質量地完成了線上的設計教學任務，接下來我們順利申請到省級大學生創新創業的設計類實踐項目。

本設計過程涉及許多理工科的基礎知識（如機械力學、流體力學、物理化學、材料化學、環境化學和地質學等）。我們需要應用并且能夠檢索到的設計資料和數據很多，每年供學生設計所選用的資料也各不相同。為了避免重復性設計，我們建立了數據庫。在進行工程設計時，通常采用等安全系數法，必須考慮一些重要的安全系數（如防止產生溢流導致井噴事故的抽汲壓力系數，地層破裂壓力安全系數等），但這些系數以及計算公式和設計示例多是參照上個世紀90年代出版的《鉆井手冊》所給出的國內外數據。該手冊主要涉及的是常規油氣田的開采，現已不能滿足“雙碳”形勢下新能源和清潔能源等的設計要求。所以，雖然我們可以讓學生在很短的時間內學會如何進行工程設計，但是，卻很難在短短的32學時內讓學生融合前幾年學到的基礎理論知識，搭好思維架構，從而提出很好的設計方案。

目前，石油天然氣行業應用廣泛的是大型工程設計軟件，其安裝和使用難度很大，學生學會使用的難度更大，而且程序難以升級。更為重要的是，有些方面的設計并不合理。例如，在鉆井液設計方面的選擇性很少，通常只能根據鉆井所需要的水力參數進行設計，而很少考慮鉆井液的塑性黏度和動切力等流變參數的影響。對于鉆井液十大體系的選擇也流于形式，學生在鉆井工程設計時，由于時間和知識結構的限制，往往簡單地選擇鄰井資料來替代。鉆井工程設計軟件也很少考慮鉆井液體系的組成，學生對于十六大類鉆井液處理劑也知之甚少。

為了更好地通過設計實踐來促進教學，我們基于油氣田鉆井數據庫和信息平臺，將油氣鉆井工程中的相關數據（包括地層的地質資料及油氣井的工程資料）進行歸類采集，通過數據分析和人工智能等技術手段，結合python等高級計算機算法，實現井身結構等各階段的工程設計（見圖3）。將地層類型和井的類別與鉆井液體系、性能及配方等各模塊信息進行有機融合，以“互聯網+”為抓手，可以對現場鉆井參數的設計和維護進行實時監測和動態分析。

設計實踐始于理論教學，新工科下的理論教學又鍛煉和培養了廣大師生的設計實踐能力。我們指導的學生連續兩屆獲得學校“互聯網+”比賽的優秀獎，還獲得了今年的“第十一屆中國石油工程設計大賽”綜合組全國三等獎的佳績。

四、結束語

近年來，隨著清潔能源和新能源等領域的鉆井工程要求，以及計算機語言和軟件的逐步普及，能源類高校非常希望能夠突破諸多不利因素的制約，更好地實現資源共享，避免重復勞動，節約教學、設計和時間管理成本。利用先進的計算機及互聯網技術，利用網絡教學平臺，可以更好地完成專業課的教學和工程設計實踐。

新工科背景下，必須進一步提高學生的自主學習能力和設計實踐能力，教師也要與學生一起做到教學相長，進一步提升自己的授課能力即教書育人能力。教師除了接受教育部的思政培訓外，也接受現場專家的培訓（如大慶油田井控專家對學校專業課教師的井控技術培訓）。專業課教師將來還必須在規定時間段參與現場實踐，真正做到理論與實踐相結合，為國家培育出更多更好的卓越工程師。

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