工程教育專業認證背景下的石油鉆采機械課程協同互動教學探索

◇長江大學機械工程學院 李寧 劉俊

武漢天之逸科技有限公司 艾樂

本文分析討論了石油鉆采機械課程互動教學面臨的問題與機遇，并探討了石油機械課程的線上線下相結合、課堂與生產現場和實驗平臺實時互融的協同互動教學模式。本研究將有助于提高課堂教學效果和課程目標達成度。

工程教育專業認證作為一種有效的工程教育質量保障體系，其核心理念主要包括：以學生為中心的教育理念、產出導向理念和持續改進機制等。工程教育專業認證工作的普及，推動了我國工程教育的理念更新和教學改革，已成為提升我國工程教育質量的重要手段和推動建設一流本科專業的重要舉措。以學生為中心的理念，強調通過研究和實踐來構建知識；通過知識的運用來發展創新思維和提高創新能力；通過自主、探索、互動的教學環境和教學范圍，來引導和鼓勵學生運用知識解決復雜工程問題。

課程是專業教育的核心和基礎。專業認證關注課程質量的評價，尤其是專業核心課程的課程目標達成情況。在日常教學中，采用正確的教學方法、優化的教學模式和高度互動的教學過程是提高課程目標達成度的有效措施。在專業核心課程的教學中運用互動式教學，一方面有助于提高學生的學習興趣、培養學習動機、提升課程教學質量和學習效果；另一方面通過平等、開放的師生互動，培養學生分析和解決工程實際問題的能力，為學生自主學習和終生學習打下基礎。

石油鉆采機械課程是機械工程領域石油機械方向的專業主干課，與工程實踐聯系十分緊密。為了提高石油鉆采機械課程的教學質量，學者們提出了一些教學改革意見。雷娜[1-2]等針對石油鉆采機械課程傳統教學和考核方式的不足，以OBE理念為核心，從教學內容、教學設計、考核方式、評分標準、考核內容等方面，提出教學改革意見。孫元偉[3]等提出將虛擬仿真實訓技術運用到石油鉆采機械課程的實踐教學中，并充分利用網絡授課的便利性，激發學生的創新意識和能力。趙海洋[4]等在石油鉆采機械實訓中引入學生分組和團隊協作，將學生的被動學習變為主動學習，提高了教學效果。學者們分別從課堂教學和課程實訓方面，提出了很好的教學改革舉措。然而，如果能將課堂教學與實訓實踐有機結合起來，教學效果將會更好。因此，為了縮短課堂與生產實踐之間的距離，本研究按照工程教育專業認證標準要求，探索石油鉆采機械課程的協同互動教學模式。

1 基于工程教育專業認證的石油鉆采機械課程教學目標

石油鉆采機械課程在介紹鉆井機械、采油機械、完井設備及井下工具的結構特點、工作原理、使用方法和維護保養等知識的基礎上，綜合應用物理學、力學、鉆井工程、油氣田開發工程、機械結構設計、機械加工與制造、機電控制等方面的知識，對石油鉆采核心設備進行方案設計、分析計算、評價與改進。通過課程學習，培養學生的創新意識、創新設計能力、分析解決實際鉆井工程和采油工程問題的能力和從事生產管理、工藝設計等實際工作的能力。培養精益求精的工匠精神，為學生從事石油鉆采設備相關設計、制造、管理、維護和研究工作打下堅實的基礎。

工程教育專業認證通用標準中要求，專業必須要有明確、公開、可衡量的畢業要求，而課程要滿足認證標準要求，就必須能有效支持相應畢業要求的達成[4]。因此，從培養學生“解決復雜工程問題”能力的角度出發，制定了“石油鉆采機械”課程的課程目標：①了解我國油氣資源開發的國家戰略和產業政策，正確理解和運用石油鉆采設備相關的技術標準和安全規范。針對復雜工程問題，能夠按照標準進行設備的系統方案分析與評價；②能理解石油鉆采設備的結構組成、工作原理、設計和使用方法、技術參數，掌握各種鉆采設備的技術參數和性能指標，能根據油氣鉆采工程的健康和安全要求，正確分析和評價復雜石油鉆采設備的設計、制造、運行和管理方案；③掌握鉆井液固控系統、采油設備、修井設備和壓裂裝備的工作機理和適用范圍，并能理解和評價它們的設計、制造及運行對環境保護和社會可持續發展的影響；④結合石油鉆采設備發展的新趨勢、新理論和新技術，使學生能自主學習和終生學習。

為了切實達到上述課程目標，相關的課程內容、教學方式、考核內容、考核方式以及評分標準，都需要適當調整。石油鉆采機械課程由原來的關注老師講解重要設備的工作原理、設計計算和使用維護方法，轉變到關注學生在石油裝備方面學會了什么,掌握的程度如何，具備了哪些解決實際復雜工程問題的能力。更加注重過程考核，注重實驗操作和動手能力，總之，課程教學的互動性要求明顯提高。

2 石油鉆采機械課程互動教學面臨的問題與機遇

在工程教育專業認證之前的實際教學中，很多學生反映，在高校課堂中互動頻率很低。一方面，教師的講課方式照本宣書，沒有新意，不能調動學生學習的熱情；另一方面，一直以來受傳統的教學思想的影響，學生不敢、不想也不愿與老師在課堂中有更多的眼神、語言或者是動作的交流。此外，大學生手中智能手機的信息查詢、娛樂和游戲功能改變了高校課堂的氣氛，部分同學習慣用手機即時查詢課程相關信息，也有部分同學使用手機做與課堂無關的事情，課堂氛圍變得沉寂。以上種種原因影響了師生課堂互動教學模式的構建。

2020年春季學期，由于新冠疫情的影響，學生不能按期返回學校上課，教育部組織全國高校開展了一場基于互聯網的線上教學活動。此次線上教學覆蓋范圍之廣、持續時間之長、師生參與規模之多是前所未有的。盡管線上教學還存在一些不足，尚不能完全取代線下教學，但疫情期間的在線教學活動使廣大學生感受到了線上教學的互動性和趣味性，激發了學習興趣。同時，也使授課教師及其教學團隊成員，體驗到了教師協同工作便利性、過程考核的便捷性和教學效果反饋的時效性，促進教學過程的及時、持續改進。這些將推動信息技術與課堂教學相融合，促進教學改革。

工程教育認證和線上教學模式，將推動師生互動教學模式的創新。在高校工程學科的課堂教學中，可以采用的互動教學模式主要有：提問激發式、主題討論式、案例分析式、實踐操作式和情景模擬式等。其中，日常教學中應用最多的是提問激發式、主題討論式和案例分析式[5]，而運用情景教學和實踐操作法的則相對較少。究其原因，一方面是因為一些教師長期形成的講授式教學思維定式，以及課堂理論教學與工程實踐教學在時間和空間上分離；另一方面是由于工程應用場景與課堂環境的差別巨大，虛擬現實和數字孿生技術在工程教育中的應用水平還有待提高。然而，當前的智能手機和4G/5G網絡時代，已經打破了地域界限、設備互聯和多媒體資源之間的壁壘。尤其是雨課堂、騰訊課堂、ZOOM和釘釘網課等一大批在線課程軟件或APP的出現，使課堂教學中采用實踐操作式和情景模擬式的在線互動成為可能。

3 石油鉆采機械課程協同互動教學方式探討

（1）建立線上線下相結合的校內外教師團隊協同教學模式。對校內主講教師、助理教師和校外教師進行合理的任務分工。校內主講教師負責預習材料的選編，課堂講授內容的組織和講解；助理教師負責預習材料的發布、預習情況統計、課程作業和課程“項目”的輔導和評閱等；校外教師負責設備現場應用和維護保養教學材料的組織和現場講解。

校內主講教師、助理教師和校外教師，協同完成互動式教學的課程資料和考核機制；根據工程專業教育認證的要求，針對課程目標整理教學內容、課程資料和考核內容；建立完整、客觀的過程考核和期末考核評價體系，設計石油機械課程的目標達成度分析系統。

（2）建立石油鉆采機械課程的課堂與實驗模擬平臺協同的互動教學模式。石油鉆采設備中的石油鉆機和水力壓裂機組為大型成套設備，采油地面設備體積通常也比較龐大，難以在實驗室中運行或展示，相關的實踐教學如果將學生帶到作業現場進行，時間成本、經濟成本和安全風險都比較大[6]。因此，建造石油鉆采設備的實驗模擬平臺成為一種比較好的選擇。例如以采油工程中廣泛應用的游梁式抽油機為具體對象，搭建抽油機縮比模型的實驗室監測平臺。研究抽油機光桿載荷與位移、抽油機平衡度、抽油機有功功率和無功功率、抽油機運行聲音信號、抽油機井口振動等在線狀態參數的采集和監測系統，編寫相關軟件，建立抽油機實驗平臺與課堂的遠程協同。綜合運用雨課堂在線教學平臺、工業遠程傳輸模塊和視頻監控云臺，搭建在線同步課堂，開展遠程協同實驗。

（3）設置石油鉆采機械課程的學生“項目組”式互動學習任務。有效調動學生的主觀能動性，是提升學習效率和培養專業能力的有效手段。石油鉆采機械的應用范圍較廣、涉及多學科交叉融合、技術更新速度快，所以，課程相關的閱讀材料非常豐富。可以采用雨課堂，提前布置材料閱讀預習任務，分項目組開展討論或提交專題分析報告，以提高課堂教學的效率和質量。

以項目方式開展教學，既可以與鉆井機械現場應用中面臨的實際問題相聯系，例如針對某型石油鉆機在某工況下的起鉆時間計算問題；也可以與抽油機現場示功圖與井下故障分析相聯系。讓學生以項目形式，從分析問題開始，提出解決方案，并跟蹤現場問題的解決效果。

在課程考核方面，注重團隊合作作業或項目的開發，讓學生之間互動起來[7]。根據石油機械課程教學大綱中的重難點要求，圍繞課程目標及其達成度指標，設計多組課程練習“項目”，編寫學生學習指導材料和考核標準；通過功能參數和結構參數的組合，實現一題多卷，同時注重引導學生進行創新設計。

（4）將思政元素融入課程互動教學，激發學生的學習主動性。在互動學習實踐中融入思政內容，實現全員全方位育人，激發學生主動學習的熱情。例如，通過介紹陸地石油鉆機和抽油機發展與社會進步的關系，激發學生的專業認同感和歷史使命感，培養學生的工匠精神；通過學習和討論油氣水力壓裂裝備的大功率、大排量、電驅化和集群化發展趨勢，使學生認識到石油裝備的發展與國家“雙碳”戰略的密切關系，激發學生的社會責任感；通過了解石油鉆機和有桿采油設備在國家重大工程中的應用，使學生既感受到石油鉆采機械的重要性，更能感受到我們國家正在共筑中國夢，實現中華民族的偉大復興，激發學生的愛國情懷和學習熱情。

4 結束語

本文基于工程教育認證背景，研究石油機械課程的線上線下相結合、課堂與生產現場和實驗平臺實時交互的協同互動教學模式。通過校內外教師團隊協同、課堂與生產現場設備協同和學生之間“項目組”協同方式，將課堂與工程現場融合，實現師生互動，學生互動，人機互動等多樣化的互動形式，營造平等、活潑、生動的課堂氛圍，將有助于提高課堂教學效果和課程目標達成度。