多學科交叉型專業課程教學方法探索和應用
——以“巖土鉆掘工程”課程為例

時元玲，張平松，謝 焰，顧承串

安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001

工程教育專業認證在國內如火如荼地開展，“學生中心、產出導向、持續改進”的教育理念引發眾多教育工作者不斷思考[1]，探索和應用符合工程教育專業認證理念的教學方法勢在必行。工程類課程實踐性強，根據各類教材制定授課內容，存在理論知識與工程實踐脫節的問題，且難以追蹤行業發展前沿，既無法讓學生直觀認知工程實踐問題，又不能有效培養學生學以致用的能力。

“巖土鉆掘工程”是地質工程專業課程，涉及鉆探工藝、鉆探裝備、鉆孔護壁堵漏等多方面的內容，交叉融合地質學、機械、化學、流體力學、鉆柱力學、粉末冶金學等多學科領域[2-3]，具有理論科學性、工程實踐性和實驗研究性強的特點。然而，地質工程專業方向不同，存在課程體系中雖設置巖土鉆掘課程，但未涵蓋相關基礎課程的情況，以致學生學習難度大，教學內容難以深入。同時，目前“巖土鉆掘工程”課程現行教材種類較少，出版年份距今十年以上，教材內容在新技術應用和技術發展方面存在欠缺。本文以“巖土鉆掘工程”課程為例，針對課程存在的問題，探索研究型教學、案例教學和沉浸式教學等教學方法在多學科交叉型工程類專業課程中的應用，以期將教學內容生動化，激發學生的學習積極性，提高課程教學質量。

一、“巖土鉆掘工程”課程教學現狀

“巖土鉆掘工程”課程是典型的多學科交叉型課程，主要涉及鉆進工藝和鉆探設備兩方面的內容，基本理論教學對學生基礎知識儲備廣度要求高，實驗教學對設備、場地要求高，開展難度大。同時，課程內容多為實踐性強的應用技術理論，僅依靠描述性講授，教學效果不佳。“巖土鉆掘工程”課程教學過程中主要存在如下問題。

1.課程體系中部分基礎課程欠缺

由于地質工程專業方向側重點不同，“巖土鉆掘工程”課程在課程體系中所處地位不同。以國內重點高校和地方性高校地質工程專業“巖土鉆掘工程”課程為例（表1），勘察工程或巖土鉆掘方向的課程體系涵蓋鉆探工藝、鉆探設備等完整鉆探工程課程，并設置機械設計、流體力學、液壓傳動等相關基礎課程；而工程地質方向，課程體系中開設巖土鉆掘工程課程，但不設置相關基礎課程。

表1 國內重點高校和地方性高校巖土鉆掘相關課程設置[4-6]

對于課程體系中不設置相關基礎課程的情況，無論巖土鉆掘工程作為必修課還是選修課開設，其授課內容依然包含了鉆進工藝、鉆探機具、鉆孔沖洗等各方面的基礎理論和基本知識。以本課程中“鉆機與泵”為例，若無機械設計和液壓傳動方面基礎知識，學生對鉆機零部件、鉆機機械傳動系統、鉆機液壓系統等圖紙閱讀難度大、工作原理理解不透徹，課堂學習和自主閱讀各類文獻資料均需花費較多時間和精力。同時，教師在教學過程中，根據學生培養計劃制定教學大綱，對缺乏相關基礎知識支撐的教學內容，大多停留在概述的層面，缺乏引導學生深入探討的切入點，教學效果不佳。

2.教學內容追蹤技術發展有待改善

“巖土鉆掘工程”課程教材種類較少，表2所示為巖土鉆掘工程課程選用較多的教材，其出版年份普遍較早，教材內容在跟蹤行業技術發展方面存在欠缺，有待更新。

表2 “巖土鉆掘工程”課程相關教材

當前，自動化、智能化鉆探裝備不斷出現，水平定向鉆進技術在地質巖心鉆探、深部熱能勘探、天然氣水合物鉆采等各類工程中應用逐漸增多。然而，從鉆探設備角度來講，現有巖土鉆掘工程教材中，對鉆機介紹主要集中在立軸式鉆機、轉盤式鉆機、動力頭式鉆機等幾類傳統鉆機，而并未涉及新型節能的深井地質巖心鉆機、新型全液壓鉆機、自動化智能化鉆井系統等內容。從鉆探工藝角度來講，大部分教材未提及定向鉆進技術理論知識、科學鉆探理論知識、極地冰鉆技術理論、地熱和天然氣水合物等清潔能源勘探開發技術理論。從而導致學生所學理論知識滯后于行業技術發展，學生欠缺技術理論知識導致在實際工程需求方面存在不足，教學過程不能很好地踐行“以產出為導向”的教育理念。

3.實驗教學可操作性和參與性有待提高

巖土鉆掘工程實驗通常包括巖石物理-力學性質測試、巖心鉆探工具、鉆進方法實驗、鉆孔彎曲測量、鉆探設備實驗及鉆井液性能測試實驗。其中，巖石物理-力學性質、鉆孔沖洗介質實驗，可操作性較強，學生參與積極性高，實驗完成度好。鉆探設備、鉆探工具和鉆進方法等實驗對設備和場地要求高，實驗設備臺套數有限，學生參與積極性較低，實驗效果評判不夠明確。以鉆探工具實驗為例，鉆進實驗難以觀察鉆具工作過程和工作狀態，拆裝、觀察實驗走馬觀花且參與性不強。此外，對于非巖土鉆掘（或勘察工程）方向的學生，因課程課時量有限，巖土鉆掘課程實踐教學開設少，甚至不開設，導致學生對理論知識鞏固和應用方面有所欠缺。

針對上述問題，本文探索研究型教學法、案例式教學法和沉浸式教學法在“巖土鉆掘工程”課程中的應用，以期為多學科交叉型專業課教學提供思路。

二、科研項目驅動的研究型教學法應用

研究型教學以現代教育教學理論為基礎，將教學和科研相結合，旨在提高學生的自主學習能力，培養學生科學思維、問題意識、探究精神和創新能力[7-8]。以科研項目為驅動的研究型教學，在教學活動中融入科研項目內容，在學生掌握基礎知識的前提下，鼓勵學生參與科研活動，將所學理論知識應用于科學研究，并在此過程中學習科學研究的方法和思維，培養解決復雜問題的能力和創新精神。研究型教學可用學術論文、專著、專利等科研成果作為學習的教材，同時鼓勵學生借助于各種網絡資源自主查閱相關資料，并積極與課題相關師生探討。

以鉆探設備教學內容為例，智能技術成為引領世界科技發展潮流的關鍵性戰略技術的背景下，鉆探裝備正朝著自動化、智能化方向發展。在教學過程中，教師以鉆探裝備自動化、智能化方面論文、專利及專著為依據設計教學內容，并可將自身或行業相關研究內容融入課堂。如安徽省地質礦產勘查局313地質隊牽頭的2021年9月通過鑒定的“5000米新型能源勘探智能鉆探裝備與技術”項目、中國地質調查局勘探技術研究所牽頭的2020年11月通過中期評審驗收的“5000米智能地質鉆探技術裝備研發及應用示范”項目[9]，均是行業內近年在鉆探裝備智能化方面探索的重要項目，公開發表論文、專利數量較多，將上述科研項目中鉆探裝備、繩索取心鉆具、沖洗液體系、泥漿性能多參數一體化自動測量裝置等各方面研究內容引入課堂，可提升教學內容的時效性。

對非巖土鉆掘（或勘察工程）方向的學生來講，缺乏相關基礎知識的教學內容通常要求學生掌握程度較低。采用科研項目驅動的研究型教學法，鼓勵學生自主查找并討論科研熱點和學科前沿動態，相比學習現有教材因學科交叉而存在的復雜且晦澀的圖紙和技術方法，更具有吸引力，從而提升學生學習效果。

三、工程實踐支撐的案例教學法應用

案例教學，是一種開放式、互動式的教學方式，由美國哈佛法學院前院長克里斯托弗·哥倫布·朗代爾（C.C.Langdell）于1870年首創，后經哈佛企管研究所所長鄭漢姆（W.B.Doham）推廣，并從美國迅速傳播到世界各地，被認為是一種代表未來教育方向的教育方法[10]。案例教學強調學生的主體地位，結合案例分析和討論開展教學活動，注重學生主動性和自主性，契合工程教育專業認證“以學生為中心”的理念。工程類課程采用案例教學既便于構建科學理論與工程實踐的聯系，又能緊跟行業發展，還能將學生放在教學活動的主體位置，調動其學習積極性，增強其發現問題、分析問題和解決問題的能力。

以科學鉆探基本理論為例，引入蘇聯科拉半島超深鉆（SG-3井）、聯邦德國大陸深鉆計劃（KTB）、中國大陸科學鉆探工程（CCSD-1井）、松遼盆地白堊紀科學鉆探（松科2井）、汶川地震斷裂帶科學鉆探、大洋鉆探計劃（ODP）、綜合大洋鉆探計劃（IODP）等大陸科學鉆探和大洋科學鉆探的典型項目案例，介紹并討論科學鉆探的作用和意義、技術特點、技術難度、技術突破等各方面理論知識。授課過程中以學生為中心開展教學活動，教師作為“引導者”拋出理論知識所適用的工程類型和典型工程案例，鼓勵學生查閱相關文獻資料，組織學生自主學習和討論，解答學生提出的問題，并評價學生的學習效果。學生作為教學主體，思考、歸納、闡述學習內容，可提高學習效果，又可啟發學生創新思維。同時，基于典型工程案例設計教學過程，將枯燥的理論知識與工程實踐相結合，既有利于培養學生解決復雜工程問題的能力，又可激發學生學習興趣、開闊學生眼界，還能夠克服現有教材未涵蓋相關內容的不足。

四、虛擬仿真技術支撐的沉浸式教學法應用

虛擬現實技術以三維空間的形式模擬創建虛擬世界場景，通過人機交互功能給用戶提供逼真的體驗感和沉浸感[11]。虛擬現實技術是創建沉浸式教學環境的利器，學生可在虛擬場景中真實體驗教學內容。與傳統課堂教學方法相比，虛擬現實技術可將教師與學生、學生與教材之間點對點的溝通，轉變為學生與教學場景之間的三維交互，有助于學生沉浸于教學內容之中，極大增強學生的參與度，激發學生的學習積極性。此外，虛擬現實技術可突破時空限制營造虛擬實踐教學環境，打破實驗、實習活動對場地、設備要求的限制，且實踐教學內容便于更新，可緊跟行業技術發展[12]。

鉆進實驗對設備、實驗場地和實驗人員操作技能要求高，開展難度大。采用虛擬現實技術，構建虛擬鉆井現場，學生通過漫游方式沉浸其中，了解井場布置、鉆探設備的功能、鉆進過程等；并設置虛擬交互式界面，使學生體驗各鉆探設備的操作方法和作業流程。對關鍵部件和鉆具建立虛擬三維模型和仿真動畫，如建立繩索取心鉆具三維模型，可便于學生細致觀察內管總成、打撈裝置等的真實結構和工作原理，從而加深對理論知識的理解。虛擬現實技術具有沉浸性、交互性和構想性的特點，基于此技術開展“巖土鉆掘工程”課程實踐教學，既可保證學生在相關實踐教學環節中的知識獲得感，又可克服實踐教學設施建設成本高、靜態展示內容單一、鉆井現場安全隱患等問題，從而有效提升學生學習效果和學習熱情。

五、結語

在工程教育專業認證、新工科建設、“交叉學科”成為我國第14個學科門類的背景之下，國內高等教育更加強調將學生置于教學活動的主體地位，以行業需求建設專業并制定學生培養方案。通過分析“巖土鉆掘工程”課程這一典型多學科交叉型專業課程的現狀，探索科研項目驅動的研究型教學、工程實踐支撐的案例教學和虛擬仿真技術支撐的沉浸式教學等教學方法在其中的應用，以期克服學生部分基礎知識薄弱、教學內容滯后行業發展、實踐環節參與性不足等問題，激發學生的學習積極性，提高課程教學質量，并為向綜合性發展趨勢下的多學科交叉型課程教學提供思路。