基于任務驅動的巖石物理課程綜合性實驗教學設計
——以巖石熱物理參數測定為例

熊 健，林海宇，劉向君，丁懷碩，裴浩辰，戎成干

（西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500）

0 引言

巖石物理學基礎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、基本概念多、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。目前，該課程主要包括理論教學和實驗教學兩部分，其中實驗教學占有較多的學時，開設有巖心孔隙度的測定、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等實驗項目。這些實驗主要是驗證性實驗，缺少探究性或設計性。實驗教學相對于課堂教學，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，其具有較強的觀察性、操作性和理論實踐融合性等特點［1-3］。傳統的教學實驗模式即“理論講解—儀器詳解—演示—操作”模式，主講教師先詳細講解實驗目的與原理，介紹實驗儀器，再給學生做演示，然后學生機械性模仿實驗操作，按部就班地完成實驗任務。顯然，這樣的實驗過程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，也會使學生缺少思考、分析與探討的意識。因此，需要對巖石物理實驗教學模式進行探索與改革，以期在實驗過程中培養學生動手能力、分析能力和創新意識。目前，任務驅動教學法已經被廣泛應用于實驗教學中，已被證明是一種提高實驗教學水平有效方法［3-6］。還有部分實驗教學工作者［7-9］將科研成果轉化為本科生實驗項目進行探索，并取得一定成績。因此，基于科研成果的認識，在任務驅動教學模式下，以研究思維融入綜合性實驗設計，發揮科研對教學的輻射作用，促進巖石物理實驗教學水平提高，培養學生的分析、解決問題能力與實踐能力，并激發學生的科研創新意識。

1 任務驅動式教學方法

與傳統實驗教學方法相比，任務驅動式教學方法是將實驗內容設計成多個具體實驗教學任務，通過完成多個具體任務來實現實驗教學目標。任務驅動式教學的特點是讓學生參與課堂，參與實驗方案的設計和實驗方法的選擇，調動學生的能動性，激發學生對實驗的熱情與學習興趣，培養學生探究精神與團隊協作意識。任務驅動式教學需要學生主動學習，教師加以引導，需要兩者相互配合來完成實驗教學任務與目標。任務驅動實驗教學環節框圖如圖1 所示。

圖1 “任務驅動”實驗教學環節框圖

由圖1 可見，任務驅動教學模式下，不同實驗教學環節中教師和學生分別起著不同的作用，其中實驗過程中教師活動變為“儀器詳解—任務分解—過程監控—效果評價—探討引導”等環節，學生活動變為“任務分析與理解—自主操作—自主分析—歸納總結—撰寫報告”等環節。同時，不同的實驗教學環節，培養的能力是不一樣的。在實驗過程中，教師是組織者、指導者和幫助者，而學生才是實驗的主體且自主完成實驗。自主實驗操作，觀察實驗現象，記錄實驗數據，實驗過程中若遇到問題，首先獨立思考，或與組員相互討論、相互協助。在實驗過程中，逐漸培養學生解決問題的能力以及團隊協作精神。通過對實驗數據進行分析，挖掘實驗數據的信息，分析實驗數據的意義，在這個過程中，培養學生數據處理能力。基于數據分析結果，教師通過引導式、探討式等教學手段來引導學生對實驗數據的深入探討，實現對實驗數據的歸納總結，提出規律性認識，在這個過程中，培養學生創新能力。最后，對實驗設計和實驗過程中存在問題以及問題的解決方法進行總結，撰寫實驗報告，實驗報告中體現出學生的科學思維，在這個過程中，培養學生科研意識與工程理念。

2 綜合性實驗設計

目前，巖石物理學基礎課開設有4 項必修實驗項目，還開設有4 項選修實驗項目，包括巖石介電常數、巖石磁化率、巖石熱物理參數的測定以及巖石核磁共振實驗等。巖石熱物理性質是巖石重要的物理性質之一，包括巖石的熱導率、比熱容、熱擴散系數等物理性質，其基本特征決定著沉積盆地的溫度場變化和流體分布等諸多物理現象，在油氣資源、地熱、巖土工程等領域中具有重要的理論意義和應用價值［10-11］。基于巖石熱物理參數的影響因素研究成果的認識，將研究思維融入綜合性實驗教學設計中，在任務驅動教學模式下，設計了巖石熱物理參數測定實驗內容，以期達到培養學生實踐能力、解決問題能力、綜合應用能力、創新意識和科研精神。

巖石熱物理參數測定實驗內容包括樣品準備、基礎物性參數、縱橫波速度、電阻率及熱物理參數等測試，將整個實驗內容分成幾個任務，讓學生自主完成測試，其實驗流程如圖2 所示，其中該課程所開設的必修實驗項目中能讓學生掌握基礎物性參數、縱橫波、電阻率等測試方法，這為本實驗內容完成提供了較好的基礎。基于實驗測試結果，分析巖石熱物理參數與其他巖石物理性質間的變化規律，探討巖石熱物理參數的影響因素。

圖2 綜合性實驗流程

巖石熱物理參數測定以及所使用的主要儀器設備有：

（1）基礎物性測試。使用電子天平獲取巖樣的質量，利用游標卡尺測量巖樣的長度和直徑，即可獲取巖樣的密度；巖樣孔隙度測量利用“巖心孔隙度的測定”實驗項目中QKY-Ⅱ型氣體孔隙度測定儀實驗設備完成測量；巖樣滲透率測量利用“巖心滲透率的測定”實驗項目中STY-Ⅱ型氣體滲透率測定儀實驗設備完成測量。

（2）縱橫波速度測試。巖樣縱橫波速度測量利用“聲波縱、橫波速度及衰減系數測定”實驗項目中YDS-III型巖心電阻聲波聯測儀實驗設備完成測量。

（3）電阻率測試。利用“地層因素和電阻率增大系數實驗”實驗項目中YDS-III 型巖心電阻聲波聯測儀實驗設備完成測量。

（4）熱物理參數測試。利用DRE-III型多功能快速導熱系數測試儀實驗設備完成測量。

3 結果與討論

巖石的熱物理參數測試結果如圖3 所示。由該圖可見，不同巖石樣品的熱物理參數之間存在一定變化范圍，且巖石熱導率和熱擴散系數變化范圍較大，而巖石比熱容的變化范圍較小，其中巖石熱導率值分布范圍為0.807～3.371 W/（m·K），平均值為2.353 W/（m·K）；巖石比熱容值分布范圍為0.751～ 0.916 kJ/（kg·K），平均值為0.803 kJ/（kg·K）；巖石熱擴散系數值分布范圍為0.388～1.573 mm2/s，平均值為1.143 mm2/s。這說明了不同巖石樣品間的熱物理參數間存在差異，這與巖石樣品的組織結構差異有關［11-12］。

將科研思路融入實驗數據分析中，培養學生挖掘數據的能力，探究實驗數據意義，分析巖石熱物理參數與其他巖石物理性質間的變化規律，探討巖石熱物理參數的影響因素，并培養學生查閱文獻能力，加深對實驗結果認識的深度和廣度。以巖石熱導率為例，進一步探討分析巖石基礎物性（密度、孔隙度、滲透率）、巖石縱橫波速度、巖石電阻率等參數與巖石熱導率間的關系。

3.1 巖石密度

巖石密度與巖石熱導率間關系如圖4 所示。由該圖可見，巖石密度與巖石熱導率呈正相關性，相關系數為0.717 2。該研究結論與文獻［13-14］中研究結果具有一致性，他們研究結果表明巖石熱導率隨著巖石密度增大呈增大趨勢。這主要可能是因為巖石密度增大，巖石致密化程度加大，巖石孔隙度減小，造成巖石熱導率增大。

圖4 巖石密度與巖石熱導率間的關系

3.2 巖石孔隙度、滲透率

巖石孔隙度、滲透率與巖石熱導率間關系如圖5所示。由該圖可見，巖石孔隙度與巖石熱導率呈負相關性，相關系數為0.645 1［見圖5（a）］，滲透率與巖石熱導率也呈負相關性，相關系數為0.557 9［見圖5（b）］。該研究結論與文獻［14-17］中研究結果具有一致性，他們研究結果表明巖石熱導率隨著巖石孔隙度增大呈減小趨勢。這主要可能是因為巖石孔隙度增大，巖石中的孔隙增多，且孔隙中空氣的熱導率［25 mW/（m·K）］遠低于巖石中各類礦物的熱導率［18］，造成巖石導熱能力降低，導致巖石熱導率和熱擴散系數增大。一般而言，巖石孔隙度與滲透率間呈正相關性，巖石滲透率增大，其巖石孔隙度增大，造成巖石熱導率降低。

圖5 孔隙度、滲透率與巖石熱導率間的關系

3.3 巖石電阻率

巖石電阻率與巖石熱導率間間關系如圖6 所示。由該圖可見，巖石電阻率與巖石熱導率呈無明顯的相關性，這可能是與干燥巖樣條件下測試電阻率有關，干燥巖樣電阻率主要由巖石中泥質含量與導電礦物確定。

圖6 巖石電阻率與巖石熱導率間的關系

3.4 巖石縱橫波速度

巖石縱橫波速度與巖石熱導率間關系如圖7 所示。由該圖可見，巖石縱波速度與巖石熱導率呈正相關性，相關系數為0.745 4［見圖7（a）］，巖石橫波速度與巖石熱導率間也呈正相關性，相關系數為0.746 5［見圖7（b）］。該研究結論與文獻［17］中研究結果具有一致性，他們研究結果表明巖石熱導率隨著巖石縱波速度增大呈增大趨勢。這主要可能是因為巖石縱波速度在一定程度反映了巖石致密程度，即縱波速度越大，巖石致密程度越大，巖石縱波、橫波速度增大，巖石密度增大或巖石孔隙度減小，造成巖石熱導率增大。

圖7 波速與巖石熱導率間的關系

巖石縱橫波阻抗與巖石熱導率間關系如圖8 所示。由該圖可見，巖石縱波阻抗與巖石熱導率呈正相關性，相關系數為0.75［見圖8（a）］，巖石橫波阻抗與巖石熱導率間也呈正相關性，相關系數為0.761 8［見圖8（b）］。這主要可能是因為巖石縱波、橫波阻抗增大，反映出巖石縱波、橫波速度增大或巖石密度增大，將造成巖石熱導率增大。

圖8 縱橫波阻抗與巖石熱導率間的關系

基于巖石熱導率與巖石密度、孔隙度等其他巖石物理性質間變化規律的認識，可進一步探討如何利用數學方法構建多元回歸模型對巖石熱物理參數進行預測研究，構建巖石熱物理參數的預測模型，從而實現巖石熱物理參數的預測與應用。

4 結語

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，也承擔著學生綜合能力培養的任務。實驗教學改革符合教學實際條件，不僅能提升實驗教學效果，也能促進理論教學效果的提升。基于科研成果的認識，在任務驅動教學模式下，進行巖石物理課程綜合性實驗設計，讓學生根據實際情況自主完成實驗，通過引導式、探討式等教學手段引導學生對實驗數據的思考，增加對知識的渴望，加深對知識理解的深度和廣度，發揮學生的學習能動性，培養學生分析解決問題的能力、實踐能力、團隊協作能力，從而激發學生的科研創新意識。本綜合性實驗內容教學設計涉及多方面，不僅檢驗了學生對前期實驗項目掌握程度，也加深了學生對巖石熱物理參數的認識，更能幫助學生深度地理解巖石熱物理參數與其他物理參數間的變化規律。