碳中和背景下“鉆探工程學”課程教學改革

劉宇

[摘 要] 低碳、綠色、智能發展已成為社會共識，此背景下鉆探工程應用場景及其結構體系迅速變化。為使“鉆探工程學”課程教學緊跟時代與科技發展，保障學生在未來工作與研究中具有完備的知識體系及較好的創新思維，基于課程特點分析、問卷調查、行業發展背景分析，探討了“鉆探工程學”課程教學內容與教學方式的改革方向，提出以下三點課程改革建議：拓寬思維，夯實基礎，將深海深空等環境融入課程體系，進一步夯實學生理論基礎;緊跟前沿，注重實踐，以先進工程案例梳理課程知識體系，密切聯系基礎知識與實踐應用;點明“瓶頸”，啟發創新，通過講授鉆探工程學發展的瓶頸問題，啟發學生突破傳統桎梏的創新思維。

[關鍵詞] 鉆探工程學;碳中和;教學改革;資源勘查工程

[基金項目] 2021年度中國礦業大學（北京）本科教育教學改革與研究項目（J210210）;2021年度中國礦業大學（北京）研究生課程思政建設項目（B02506Z）

[作者簡介] 劉 宇（1990—），男，江蘇沛縣人，博士，中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院講師，主要從事煤地質、非常規油氣地質研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）12-0055-04 [收稿日期] 2021-09-09

引言

鉆探是資源勘查、工程勘查、油氣開采、地熱開發、太空取樣等工程的關鍵技術，鑒于其在能源、資源方面的重要應用，“鉆探工程學”已成為資源勘查工程專業重要的必修課程[1]。隨著我國經濟及科技水平的飛速發展，我國的產業結構較以往有了大幅調整，特別是2021年中共中央、國務院《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》發布后，傳統能源-資源勘探領域一部分市場正逐漸轉型，鉆探工程在新領域的應用范圍和規模正在逐步擴大[2，3]。就高等教育而言，應積極增加鉆探工程領域的前沿內容，使高校學生能夠適應未來的變化，更好地將所學知識運用于工程實踐。

目前，“鉆探工程學”課程教學存在著三個主要問題：第一，學生學習的積極性相對較弱，多數學生缺乏課程學習的興趣，更談不上進行深入的學習研究;第二，相對當前快速發展的技術，課程內容更新速度較慢，課程知識點與科技發展并沒有建立應有的聯系[4，5];第三，尚未建立起系統的線上線下聯動學習模式，不能充分利用當前科技信息資源。為提高資源勘查工程專業“鉆探工程學”課程教學質量，使課程內容緊跟生產實踐技術發展，本文一方面分析當前科技發展、大學生就業特點及能源-資源領域發展趨勢;另一方面結合問卷調查，在以學生為本的教學理念下，進行“鉆探工程學”課程內容與教學方式的改革研究。

一、教學內容改革分析

（一）行業及學生就業背景分析

碳達峰、碳中和目標提出以來，我國在能源、資源等領域開展了一系列深度改革，其主要方向為低碳、清潔、環保、安全、智能[6]。在科技發展方面，人工智能、大數據技術方興未艾，成為當前科技發展的標志，鉆探領域也逐漸實現自動化與智能化，一些高精度、自動化儀表已逐漸應用于鉆探工程實踐[7]。隨著科技水平的飛速發展，我國鉆探工程已逐漸達到國際先進水平，在太空勘查、深海鉆探、超深油氣井鉆探等方面取得了令人矚目的成績[8，9]。近十年鉆探工程的主要進展包括智能化鉆井技術、定向井鉆井技術、深海鉆井技術、隨鉆測量技術等[7，10]。鉆探工程學應用場景也有了一定的變化，深空、深海、深地已從技術展望發展至廣泛應用[11，12]。

在產業調整及生活水平提高的背景下，資源勘查工程專業畢業生的就業選擇發生了較大變化，主要表現為選擇傳統資源領域人數減少、土建工程就業人數增加、就業方式多樣化。同時，隨著相關專業碩士招生人數的增加，資源勘查工程專業本科生讀研比例近年來不斷提高。以中國礦業大學（北京）2020屆資源勘查工程專業畢業生就業去向為例，77人中讀研人數為37人，從事工程與建筑行業16人，能源/資源行業6人，其他就業18人，畢業生更傾向于選擇較為前沿或科研性質較強的崗位。“鉆探工程學”課程應基于當前的發展形勢進行相應的教學改革，以適應未來的就業與科研形勢，從而使得所培養的學生具有較強的適用性、實踐能力與創新能力。

（二）教學內容改革調查問卷結果分析

為更好地了解學生的學習效果，本研究設計了針對教學內容、教學方式改革的調查問卷。問卷調查對象為中國礦業大學（北京）2018級資源勘查工程專業本科生，調查時學生已完成“鉆探工程學”課程的學習與考核。本研究調查共發放問卷81份，其中返回有效問卷61份，調查問卷實施方式為微信群問卷。通過分析調研結果，建議在以下幾方面進行改革。

1.應進一步增強課程的實踐性。基于對問卷調查結果的分析發現，學生普遍認為課程最需要改進的地方是實踐性較弱（占比62.3%）。在教學內容設置方面，建議選題中（多選）“增加案例教學”項占比最高，為66.6%，其他選項中“增加最新進展”項占比59%，“增加行業‘卡脖子內容”項占比55.7%。“鉆探工程學”的核心在于服務應用，以獲得更為準確的地質信息。課程的實踐性既是課程自身的需要，也是學生對本門課的主要期望。盡管前人在進行“鉆探工程學”課程改革研究時強調應增強課程的實踐性，但截至目前此問題并沒有得到較好的解決[5，13，14]。

2.可考慮增加科技前沿性、發展迫切性知識。為調查學生對鉆探工程科技前沿的感興趣程度，問卷中以“太空鉆探”為例對學生進行相應的認識調查。90%的學生認為有必要增加“太空鉆探”內容，其中多數學生認為增加1～2課時為宜。此外，44.3%的學生認為增加“太空鉆探”等課程內容可提高學習積極性，并且對未來工作可能有幫助;50.8%的學生認為“可提高學習興趣及擴展思維，但未來沒有從事相關工作的可能”。近年來，各行業“卡脖子”問題為科研人員和社會所關注與重視，86.7%的學生認為有必要增加1～2課時的鉆探行業“卡脖子”內容;73.8%的學生認為鉆探行業“卡脖子”問題內容“有助于提高學習積極性、有助于明確未來的發展方向”。

3.可基于問題導向性梳理教學內容。問卷調研了如何在“鉆探工程學”學習中提高學習積極性。在此題目下，選擇人數最多的是“加強未來工作及科研中的問題導向，明確學有所用”（占比73.8%）;其次為“加強科技熱點導向，有興趣的學習”（占比70.5%）。鑒于此，建議教師在課程講授時緊密聯系課程知識點與工作/科研中的問題，或者基于工程問題導向梳理教學內容。

二、教學方式改革分析

（一）教學方式發展及課程特點分析

“鉆探工程學”課程包括巖石基礎物理力學性質、鉆探設備、鉆探工藝、巖心采取、沖洗介質等內容，涉及地質、力學、機械、礦業等學科知識[1，14]。不同于地質的其他專業課程，“鉆探工程學”有兩方面的特殊性：第一，課程側重于設備及工藝的講解，而資源勘查專業學生前期的機械及材料基礎較弱[5];第二，應用環境復雜，部分時候學生不能充分理解地下環境的特殊性。當前授課主要采用PPT+板書+講授的方式，這種方式不能解決學生專業學習中存在的問題。

隨著社交媒體、直播課程、網絡資源的興起，教育方式與獲取知識方式有了較大的變化，線上資源使知識學習更豐富化與便捷化[15]。目前而言，“鉆探工程學”課程開設人數相對較少，尚未構建出系統化的線上教學資源，未實現線上線下資源的良性聯動。此外，近期興起的虛擬仿真課程較適用于“鉆探工程學”這一實踐性較強的課程，但虛擬仿真這一更具有實際體驗化的教學方式尚在逐步建設與完善過程中。

（二）教學方式問卷調查結果分析

教學方式方面，學生建議增加更多的動畫演示，使鉆探過程及細節更加直觀（占比75.4%），使學生更直觀地掌握鉆探運行的原理。在課前與課后交流方面，82%的學生認為通過構建課程微信群傳達信息、交流問題的方式有利于課程學習，且應該進行更多的交流。在課前英文鉆探知識視頻播放效果方面，59%的學生認為有助于對鉆探知識的學習并能夠鍛煉英文聽力。在實驗及作業方面，選擇“鉆具觀測”和“鉆探設計”的學生人數最多，均為62.3%。分析調查問卷結果可以發現，學生更傾向通過直觀感知學習相應的理論知識，“鉆探工程學”教學方式的改革應朝著引入動畫、虛擬仿真技術的方向改進，使理論知識系統化與直觀化。

三、“鉆探工程學”教學改革綜合分析及建議

（一）“鉆探工程學”教學改革綜合分析

教學內容與教學方式息息相關，應根據教學內容選擇合適的教學方式，以達到更好的教學效果[14]。現代教學理念與科技發展水平要求學生對知識學習有著較高的興趣及積極性。盡管不同學生的興趣不同，但總體而言，絕大多數的學生對以下三個方面具有較高的興趣：第一，對未來工作/科研具有較大幫助的知識，學生能夠充分理解到學有所用;第二，科技前沿或者社會熱點知識，可滿足學生的好奇心，豐富學生的想象力;第三，行業“卡脖子”難點知識，能夠激發學生學習的熱情，讓學生更深刻地體會到自己學習的價值。針對此三個方面，應緊密聯系未來工作場景及課程知識，密切聯系科技前沿與課程知識，密切聯系行業“卡脖子”問題與課堂知識。

（二）“鉆探工程學”教學改革建議

基于問卷調查結果及科技發展、行業發展形勢，對“鉆探工程學”課程改革提出以下建議。

1.拓寬課程基礎知識體系，融入深空等鉆探環境。以“太空鉆探”為例，可在巖石力學基礎理論章節加入月球、火星等巖石內容，在更廣的思維體系中向學生傳授鉆探工程學中巖石的分類及破巖機理;可在鉆具、鉆機等設備章節加入太空鉆探設備內容，幫助學生掌握基礎設備及前沿設備知識;可在鉆探工藝章節加入太空鉆探環境與太空鉆探工藝，讓學生理解與掌握常規與特殊環境下鉆探的方法及差異，幫助學生發散思維學習。

2.通過前沿工程案例梳理課程知識體系。案例教學在前人對“鉆探工程學”課程研究中已成為共識，鑒于其重要性，在此應再次強調案例教學的意義[5，13，14]。不僅如此，建議以先進的工程案例串聯起課程不同章節的知識點，以達到更好的教學效果。碳中和、碳選擇背景下，我國能源調整的一個重要方向是增加天然氣比例。在講授課程時，應引入當前較為前沿的非常規天然氣鉆探案例，從鉆探設備、鉆探方式等方面更新鉆探工程學前沿理論與實踐課程體系，使得課程知識具有時效性及應用性。

3.增加鉆探工程學發展的瓶頸問題講授，啟發學生突破瓶頸的創新思維。與其他領域高質量發展過程中存在“卡脖子”問題相類似，我國鉆探行業的發展也存在一定的瓶頸問題，如頁巖氣開發時水平井鉆探延伸問題、探月工程中巖石鉆探問題等。教學改革過程中將進一步讓學生了解這些瓶頸問題，理解背后的關鍵科學體系，激發學生的學習興趣，同時幫助學生開拓思維，引導學生以非常規的思路解決現有的瓶頸問題。

結語

“鉆探工程學”課程教學改革應綜合考慮行業發展趨勢、科技最新進展、學生學習積極性、學生就業方向等多種因素。建議將太空鉆探等前沿應用場景融入鉆探工程學的課程體系，讓學生更加深入地掌握基礎理論知識，使學生學有所用。同時，可引導學生關注我國鉆探工程學發展的瓶頸問題，培養學生的創新意識，使學生學有所創。在教學方式上建議對線上鉆探工程學學習資源進行系統化建設，實現線上與線下授課資源的聯動，充分利用當前科技發展的優勢;同時應加快鉆探工程學虛擬仿真系統建設，使鉆探工程學知識更加直觀與立體，以達到最佳的學習效果。

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Teaching Reform of the Drilling Engineering Courses under the Background of Carbon Neutralization

LIU Yu

（College of Geoscience and Survey Engineering， China University of Mining and Technology-Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： Low-carbon， green and smart development have become the consensus of the whole society. Under this background， the drilling engineering application scenario and its structural system are rapidly changing. In order to make the teaching of the Drilling Engineering course keep up with the technological development， and ensure that students have a complete knowledge system and good innovative thinking in future work and research， and based on the course characteristic analysis， questionnaire survey， industry development background analysis，etc， the study discusses the reform direction of the teaching content and teaching methods of the Drilling Engineering course. The following three course reform suggestions are put forward： to broaden thinking and consolidate the foundation， and to integrate the content of deep sea and deep space environment into the curriculum system， and further consolidate the theoretical foundation of students; to keep up with the forefront， pay attention to practice， introduce advanced engineering cases in the current development frontier to the course and sort out the knowledge system of the course， and combine the basic knowledge with practical application; to inspire students to break through the bottleneck problems by innovative thinking by the discussion of bottleneck problems in the development of drilling engineering in teaching process.

Key words： Drilling Engineering; carbon neutralization; teaching reform; resource exploration engineering