多學科交叉的“石油工程熱工學”課程建設

劉慧卿 王慶

[摘 要] 為了適應新形勢下油田礦場對石油工程專業人才的要求，達成專業培養的目標，滿足學校“雙一流”學科建設，以及國際化交流和專業認證評估要求，通過組建教學團隊、明確課程目標、優化教學大綱、編制教材講義、設計教學實驗、創新教學方法、引入課程思政、結合科創訓練、增加習題作業、改革考核機制等10項舉措初步建成了“石油工程熱工學”課程，并取得了良好的教學效果，其相關經驗可為類似課程的建設提供參考。

[關鍵詞] 石油工程;熱工學;學科交叉;課程建設;教學改革

[基金項目] 2020年度中國石油大學（北京）教改立項“多學科交叉的‘石油工程熱工學’課程建設”

[作者簡介] 劉慧卿（1966—），男，河南臺前人，博士，中國石油大學（北京）石油工程學院教授，博士生導師，主要從事油氣田開發研究;王 慶（1984—），男，山東曹縣人，博士，中國石油大學（北京）石油工程學院講師，碩士生導師，主要從事油氣田開發研究。

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）25-0025-04 [收稿日期] 2022-03-12

一、課程建設背景

中國石油大學（北京）的石油工程專業依托石油與天然氣工程這一“雙一流”學科，結合國際油氣資源開發新形勢，圍繞國家能源戰略發展需要，以立德樹人為核心，為石油工業高效安全發展培養應用研究型工程類創新人才[1]。實現一流的人才培養目標依賴一流課程，課程是專業人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量[2]。

“熱工學”即工程熱力學和傳熱學，是動力工程與工程熱物理、機械工程等工學專業必修的基礎課[3，4]。自20世紀90年代專業調整以來，“熱工學”僅作為石油工程專業的選修課，存在學生重視程度不夠、缺少實驗環節等諸多問題。這種局面與“雙一流”學科建設，特別是國際交流和專業認證評估差距很大。

“熱工學”作為工科的專業基礎課程，是培養學生工程意識，理論聯系實際、分析問題、解決問題能力的基礎，也是石油工程領域中的流體力學、稠油注蒸汽熱力開發、油氣集輸等領域所需的專業知識。近年來，地熱資源開發以豐富的儲備、清潔、環保、可再生特性成為新能源領域的焦點，也需要大量具有熱工學知識儲備的人才。

油田礦場實際開發生產和能源資源再利用轉型也對高校“熱工學”課程的建設提出了新的要求。中國石油大學（北京）修訂優化了石油工程專業的培養計劃，將“熱工學”由選修課強化為必修課。同時，考慮到石油工程的專業特色，將課程名稱確定為“石油工程熱工學”，成立了“石油工程熱工學”教學團隊進行課程建設，圍繞課程教學目標、教學大綱、教材講義、教學方法等方面進行探索，并且接受了兩輪教學實踐的檢驗，已初見成效。

二、教學團隊建設

教學團隊是進行教學實踐的基礎，之前的“熱工學”選修課僅有一位教師承擔，而“石油工程熱工學”作為石油工程的專業基礎課，必然對教學團隊提出了更高的要求。學校及學院教學管理部門會同兩級教學專家組，以專業培養目標及油田礦場實際需求為導向，組建了一支年富力強的課程教學團隊。

（一）名師引領，科教融合，滿足多學科交叉的要求

由北京市教學名師引領，構建一個有機結合的教學團隊。教學團隊參加國內有關專題的教學與實踐教學研討，在石油工程領域長期堅持教學改革和教學研究[5]。教學團隊成員主要由稠油熱力開發科研團隊人員組成，他們承擔過大量相關的國家級、省部級科研課題，并取得了大量的創新性成果，為開展科教融合提供了基礎條件。

團隊成員中有4人長期從事熱力采油方面的教學、科研工作;2人從事地熱資源開采機理與方法方面的科研工作;2人具有流體力學、工程熱力學及傳熱學的教育背景，能夠滿足多學科交叉的課程建設要求。

（二）團隊成員具有不同的學科背景，可以發揮教學團隊的協同作用

目前專業教師特別是年輕教師主要來源于工科院校的碩士和博士畢業生。這些教師的知識結構偏重于學術，理論研究能力較強，但缺乏工程背景，實踐知識更多來源于當年參與導師的科研課題。建立名師引領下的教學團隊，團隊定期安排講習題課、答疑等環節。構建教授領銜、理論課教師、實驗教師、實驗技術人員一體化教學團隊，使得教學團隊在學生的“石油工程熱工學”課程學習中發揮協同作用。

三、明確課程目標，優化教學內容

課程教學目標直接支撐專業畢業要求指標點，同時是指導課程內容設計、教學方法等的綱領。教學團隊在學校及學院兩級教學專家組的指導下，經過多次專題研討，明確了以專業培養目標及油田礦場實際需求為導向的課程教學目標。

（一）課程目標

使學生掌握熱能和其他能量之間的轉換規律，掌握熱能高效利用原理和能量有效利用的原則，正確運用熱力學的基本原理和定律進行熱力過程的分析和計算，掌握熱能傳遞的基本概念和基本原理，對復雜工程傳熱問題進行分析，明確熱能傳遞過程的特征，并選擇恰當的方法和模型進行定量計算和分析，為石油工程專業課程提供基礎理論知識，同時為能源管理和熱技術研究及設計工作提供理論基礎。

（二）優化教學內容

為了實現上述課程目標需要對原有的熱工學教學內容進行優化。“工程熱力學”與“傳熱學”均屬于工科專業的基礎課程，教學內容已非常成熟;因此，優化教學內容時以原教學大綱為基礎，保留其基礎、核心、經典內容，適當調整或增加“熱工學”在“石油工程熱工學”的應用內容。

1.調整石油工程元素引導。現有教學資料中涉及熱工學基本原理知識的實例大多取材于動力機械類的場景，缺少石油工程專業所需的熱工學知識導引或應用擴展。教學團隊通過多次研討，在各章節增加了石油工程應用或案例，讓學生學以致用，提高學生解決礦場實際問題的能力。具體如表1所示。

2.增加實驗環節。設計增加了3個必做實驗和3個選做實驗，其中必做實驗中實驗材料水蒸氣和油砂均屬石油工程中的常用介質，而熱電模擬與流體力學、滲流力學中的水電模擬同屬相似物理問題，而選做實驗內容與石油工程的應用高度相關。

3.增加“熱力學”在地熱開發中的應用。目前，我國年消耗原油約7億噸，70%依賴進口，而我國地熱資源占全球的7.9%，地熱能源開發能夠緩解一部分能源壓力，有助于滿足社會生產和環境改善的需要。介紹地熱開發的基本概念及“熱力學”在地熱開發中的應用，也是適應“雙碳”目標新形勢下人才培養的必然之舉。

四、編寫教材講義和實驗指導書

（一）編寫教材講義

由于“熱工學”課程的基礎性，已有多本經典教材出版且再版多次。我校之前使用的是清華大學張學學教授主編的《熱工基礎》（第3版）。教學團隊以此教材為基礎，結合多年石油工程相關課程尤其是“熱力采油”課程的教學經驗及資料、地熱開發的相關資料，整合編寫了課程講義，并已在2019級石油工程專業中試用。講義嚴格按照優化后的大綱要求設計內容，力求將案例設計與知識內容完美融合。

（二）編寫教學實驗指導書

參考兄弟石油院校在熱工學方面的教學實驗設計，編寫了《石油工程熱工學——實驗指導書》，突出了石油工程方面的應用特色，包括實驗選材、內容，以及與后續石油工程專業課之間的聯系等。鼓勵學生結合石油工程專業特點，自主選擇地下層位的砂樣;熱電模擬實驗測定，學生可以自主選擇不同導熱介質及多種與注采井網相關的實驗內容組合。學生通過實驗操作，掌握熱力學和傳熱學的基本實驗原理，了解并熟悉一些基本實驗器材的操作方法和實驗步驟，通過實驗教學和課堂教學相結合的方式，系統地掌握熱工基礎理論知識，為后續專業課程的學習打下基礎。

五、創新教學方法，引入課程思政

（一）創新教學方法

教學過程中能靈活采用不同教學方法進行教學，加強理論基礎的理解，拓寬學生的思維，形成課堂教學、課堂討論、實驗教學等多種方式相結合、系統有效的教學方法。

在教學方式上采取啟發式教學與互動相結合的手段，傳授專業知識、技能與方法，幫助學生樹立工程意識。學生通過討論和爭辯的方式掌握知識，提高學習內容的平均留存率，學習效果大為改善。

通過案例分析、課堂討論、影像資料等多種授課形式相結合的方式，幫助學生進行自我認知，培養學生的學習興趣，發現自身優勢。鼓勵學生張揚個性，激發思考力和創造性。例如，學生根據自主設計實驗教學要求擴展導熱系數測定內容，可以延伸測定物料的比熱容和熱擴散系數，增強學生的實踐、創新能力;在學習方法上使學生在情景中自然獲得體驗與認知，激發學生的潛能。

由于“熱工學”課程的基礎性，網上的經典學習資料非常多，有以知識點為基礎的微課、實際課程的錄像、習題講解、考研指導等。因此，教學團隊充分利用線上資源輔助教學，在每次課后留下思考題引導學生通過線上資源進行學習和思考，讓學生帶著問題去看視頻，看完視頻后又帶著新問題來上課、討論，使學生真正參與到教學活動中。

（二）個性化指導培養創新意識

針對學生個體化差異，對學生專業指導采取課堂教學與課下個別輔導相結合的方式。凝練和建立體現個性化教育和研究性學習的教學新模式，構建以能力培養為核心的教學體系，特別著重研究以學生為主體的教學方法和相應的考核方式。培養學生自主學習興趣、開拓學生個性潛力、激勵學生實踐創新、培養學生實踐能力，以期達到開闊學生知識視野、陶冶學生思想情操、培養學生團隊精神的目的。

鼓勵本科生參加科研團隊的學術講座，幫助學生了解國內外學術現狀以及發展動態。“石油工程熱工學”教學團隊為學生提供創新項目、科技創新場地、儀器設備等開展科技創新活動。

（三）結合科創訓練

近兩年來，教師團隊將課程內容與熱力采油、地熱開發方面的科研項目相結合，申報科技創新訓練項目10項，豐富了第二課堂，給學生創造了理論聯系實際、利用“石油工程熱工學”知識解決油田開發實際問題的機會。

（四）引入課程思政

教學團隊以課程思政建設為導向，挖掘課程中蘊含的思政元素，主要從兩個方面開展課程思政教育。

1.引導學生發現身邊的“熱工學”。“熱工學”課程與日常生活聯系緊密，通過設計思考題引導學生隨時隨地感受身邊的“熱工學”。例如，引入黃石公園熱泉間歇自噴景觀實例，其中既包括熱力學和傳熱學問題，又包括石油工程中的流體力學和滲流力學問題，激發學習興趣。

日常生活中非常普遍的熱傳遞現象，例如與傳熱學有關的保溫措施、與輻射能量傳遞有關的采熱方法等，通過對各種能源的學習使學生樹立節約能源、保護環境的理念。

“熱工學”知識在中國石油工業的發展過程中發揮了非常重要作用。通過講述科學家前輩在科學研究中不斷探索、總結，最終獲得重大發現的歷程，告訴學生嚴謹的工作態度的重要性，以及樹立終身學習的理念[6]等，培養學生成為“四有”新人。

2.引導學生感悟哲學思想。由于“熱工學”采用經典宏觀的研究方法，以“熱力學”和“傳熱學”的基本定律作為分析和推理基礎，對宏觀熱力過程和傳熱過程進行研究;因此，對時空尺度、狀態變化等采用抽象、概括、理想化和簡化的處理方法。“熱工學”中的理想氣體、黑體和灰體等理想情況，簡化處理有助于學生感悟自然實際和理想或絕對之間的辯證關系。

六、完善考核評價

（一）增加習題作業

教學團隊精心設計習題，形成了課堂練習、隨堂測驗、課下作業相結合的練習模式，通過習題作業強化知識的熟練程度。

（二）改革考核機制

增加平時成績比重是近些年來各類課程考核機制改革的方向。相較于之前選修課的“工程熱力學與傳熱學”，必修課“石油工程熱工學”增加了實驗環節，強化了習題作業，其考核機制也必須隨之進行改革。

兩年以來，通過實施上述舉措初步建立了“石油工程熱工學”的課程體系，并取得了較好的教學效果。課程建設過程中，指導思想上踐行素質教育，拓寬知識基礎，強化實踐能力;教學理念上強調基礎理論和工程實際應用，拓展石油工程的應用創新;教學方法上遵循以學論教，最終讓學生通過課堂學習獲得科學認識世界的能力，終身受益。需要指出，課程改革只有進行時，教學效果的取得除教師的努力外，更需要學生的配合，包括良好的學風、班風、課堂紀律把控和師生交流反饋等，需要我們在后續的教學實踐中不斷總結經驗教訓、取長補短、持續改進、銳意進取。

參考文獻

[1]朱道義，鄧智華，秦文婷，等.新工科背景下油藏工程課程的思政建設探討[J].科教文匯，2021，547（31）：112-114.

[2]謝元華，楊岱恩，韓進，等.國內高校熱工學課程教學改革進展分析[J].中國現代教育裝備，2020（351）：77-79.

[3]李光霽.工程熱力學與傳熱學教學方法探索[J].大學教育，2018（5）：71-73.

[4]武和全，吳云強.提高“工程熱力學及傳熱學”課程教學質量的改革探討[J].教育教學論壇，2015（23）：267-268.

[5]劉慧卿.石油工程創新型人才培養的探索[J].中國石油大學學報（社會科學版），2011，27（2）：108-112.

[6]顧錦彤.一流課程背景下打造“熱工學”金課的教學改革與探索[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2021，1366（10）：24-25.

On the Construction of the Multi-disciplinary Course of Thermal Engineering of Petroleum Engineering

LIU Hui-qing， WANG Qing

（School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China）

Abstract： In order to meet the requirements of the oil fields for petroleum engineering professionals under the new situation， achieve the objectives of talent training， and meet the requirements of “double world-class” discipline construction and the requirements of international communication and professional certification evaluation， the course of Thermal Engineering of Petroleum Engineering has been established by taking ten measures， including setting up a teaching team， clarifying the course objectives， optimizing the teaching syllabus， compiling the teaching materials， designing the teaching experiments， innovating the teaching methods， introducing “curriculum ideological and political education”， combining scientific and creative training， increasing exercises， and reforming assessment mechanism. These ten measures have achieved good teaching results， and the related experience can provide a reference for the construction of similar courses.

Key words： petroleum engineering; thermal engineering; interdisciplinary; curriculum construction; teaching reform