基于問題導(dǎo)向的案例教學(xué)法在油田化學(xué)類課程中的教學(xué)實踐

楊麗麗，蔣官澄

（中國石油大學(xué)（北京）/石油工程教育部重點實驗室，北京 102249）

2020年1月21日，科技部等五部門印發(fā)了關(guān)于《加強“從0到1”基礎(chǔ)研究工作方案》的通知，目的在于如何推動基礎(chǔ)性研究作為創(chuàng)新源頭和引領(lǐng)的作用，以此解決我國基礎(chǔ)研究缺少“從0到1”的原創(chuàng)性成果漏洞。努力推動科教融合、圍繞重大科技任務(wù)加強科研育人[1]。

油田化學(xué)類課程作為油氣井工程、油氣田開發(fā)工程和海洋油氣工程中必不可少的重要子領(lǐng)域，在現(xiàn)代石油高等教育中重要性不斷提升。依據(jù)自身學(xué)科特點來講，油田化學(xué)類課程作為專門以應(yīng)用為主的工程技術(shù)學(xué)科，依靠化學(xué)方法解決油田作業(yè)中出現(xiàn)的問題，其即具備系統(tǒng)的油氣田化學(xué)知識體系，又具備傳統(tǒng)石油領(lǐng)域的行業(yè)前瞻性。對于石油與天然氣工程專業(yè)的大學(xué)生來說，油田化學(xué)類課程不僅能培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)性，也能培養(yǎng)前瞻性的研究思維，為今后的研究及生產(chǎn)應(yīng)用奠定了極其重要的基礎(chǔ)。就學(xué)科內(nèi)容而言，本課程是一類承前啟后的技術(shù)基礎(chǔ)課，是在學(xué)生相關(guān)石油本科專業(yè)課程之后承接的綜合課程[2-5]。該課程一方面承接了油田化學(xué)課程的知識系統(tǒng)性和專業(yè)性，又突出了以行業(yè)最新進(jìn)展來探討今后研究與應(yīng)用的主要方向，再加上課程知識量大、課時短，若僅依靠傳統(tǒng)的黑板式授課方式，易出現(xiàn)部分內(nèi)容講解模糊，學(xué)生難以領(lǐng)悟，以及學(xué)生產(chǎn)生枯燥、厭學(xué)等情緒。為了提高課堂質(zhì)量，并且盡可能充分調(diào)動學(xué)生的積極性及學(xué)習(xí)興趣，加強學(xué)生自我調(diào)研學(xué)習(xí)、互動探討、思維研究和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以及增強學(xué)生對當(dāng)前領(lǐng)域研究進(jìn)展的研判能力，本文探討如何將基于問題導(dǎo)向的案例教學(xué)法引入油田化學(xué)類課程教學(xué)中，從而在傳統(tǒng)的研究生教學(xué)方法中創(chuàng)新，達(dá)到師生有效互動、課堂質(zhì)量提高的效果。

基于問題導(dǎo)向的案例教學(xué)法是以建構(gòu)主義為理論基礎(chǔ)，教學(xué)過程與傳統(tǒng)的教師為中心相反，轉(zhuǎn)變?yōu)槭谡n教師主導(dǎo)，學(xué)生為中心，倡導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，以更加開放的思維參與課程調(diào)研、學(xué)習(xí)和討論，在相互合作的基礎(chǔ)上主動以專業(yè)知識與實際問題結(jié)合的方式進(jìn)行探究，這無疑結(jié)合了課堂內(nèi)與外、理論與應(yīng)用的多重教學(xué)模式[6]。基于問題為導(dǎo)向即在授課過程中穿插和引入各種實際發(fā)生的問題，師生共同圍繞提出問題、分析問題、解決問題的模式進(jìn)行探討；案例教學(xué)法為教師在講授過程中借用油田實際生產(chǎn)案例設(shè)置一定的教學(xué)情景，使學(xué)生在感受具體案例的基礎(chǔ)上，根據(jù)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析并能夠依據(jù)專業(yè)所學(xué)提出適宜的解決方法，案例的選擇則側(cè)重于實用性、先進(jìn)性、典型性、啟發(fā)性，以及實踐性。以問題為導(dǎo)向的案例教學(xué)法的目的在于培養(yǎng)研究生能夠運用所學(xué)理論解決現(xiàn)實生產(chǎn)發(fā)生的問題，使“腦與手”充分結(jié)合，逐漸形成一套技能與技巧的應(yīng)用方式。將上述兩種形式構(gòu)建結(jié)合成一種有力手段，即將“基于問題導(dǎo)向的案例教學(xué)法”應(yīng)用于教學(xué)活動，油田化學(xué)類課程課堂效果必將大幅度提升[7-9]。換句話說，學(xué)生在案例的研討中依據(jù)相應(yīng)出現(xiàn)的問題提出適宜的解決方法，那么就說明學(xué)生在課程中學(xué)得的相關(guān)理論已經(jīng)比較成熟，而且還可以應(yīng)用于實際案例。

一 基于問題導(dǎo)向的案例教學(xué)法在油田化學(xué)類課程中的實踐應(yīng)用

（一）超分子化學(xué)在油氣田中的作用原理與應(yīng)用

超分子化學(xué)是在傳統(tǒng)化學(xué)的基礎(chǔ)上不斷研究出現(xiàn)的，是研究基于分子之間的弱相互作用，進(jìn)而形成具有某種特定功能的分子聚集體的一個化學(xué)分支。自此概念在20世紀(jì)80年代末提出之后，通過歷代學(xué)者的不斷研究，在某些研究領(lǐng)域已經(jīng)將超分子取代分子成為功能的最小基本單位。超分子化學(xué)的研究已經(jīng)成為21世紀(jì)具有廣泛高新技術(shù)研究價值的新源頭，在油氣田化學(xué)領(lǐng)域其也發(fā)揮著巨大的作用。學(xué)生需要根據(jù)書籍、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫等途徑對超分子相關(guān)研究進(jìn)行調(diào)研，掌握超分子化學(xué)的基本制備方法，梳理知識框架，以及目前較為先進(jìn)的應(yīng)用案例，在發(fā)布之后，有一位同學(xué)A選擇了此項案例，并根據(jù)自己的方式進(jìn)行匯報，該同學(xué)本科即為石油專業(yè)，所以有一定的專業(yè)基礎(chǔ)。

在超分子應(yīng)用相關(guān)章節(jié)課堂開始之前，選擇該案例的同學(xué)A進(jìn)行匯報，其不僅對超分子化學(xué)的概念進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并向大家介紹了超分子的分子構(gòu)筑基元、分子間弱相互作用超分子體系的分子識別與組裝等結(jié)構(gòu)特點。最后學(xué)生A展示了超分子化學(xué)在油氣田中調(diào)剖堵水、稠油開采中的應(yīng)用。例如，若使用超分子金屬配位交聯(lián)凝膠堵漏劑配制的一定濃度的可流動性溶液在與某種剛性堵漏架顆粒互相作用下，可以在漏失層通過膠結(jié)介質(zhì)形成牢固的整體，具有粘度、彈力和強度足夠大的特點，可以保證在一段可控時間內(nèi)，在適宜溫度下，形成較高流動阻力，能夠有效抵抗外來力，進(jìn)而堵住漏層。

學(xué)生匯報結(jié)束之后，進(jìn)入自由討論交流時間，對匯報PPT中的某些疑問進(jìn)行探討交流。匯報學(xué)生調(diào)研充足，對其他同學(xué)的疑問能夠進(jìn)行簡單的解答。學(xué)生在討論時，對超分子化學(xué)概念與普通化學(xué)分子概念存在困惑。因為一部分學(xué)生化學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱，在討論時的爭論點在于超分子的作用機制及力的相互作用。

在整個匯報加討論流程中，可以看出學(xué)生A在課下花費了充足的精力去進(jìn)行調(diào)研，能夠?qū)⒊肿釉谡{(diào)剖堵水、稠油開采中的一些內(nèi)容有條理地、清晰地展示出來，且能與其他同學(xué)進(jìn)行探討交流、答疑解惑。因為該同學(xué)的研究方向?qū)儆谟蜌馓镩_發(fā)領(lǐng)域，因此其調(diào)研對超分子在鉆井中的應(yīng)用較少，學(xué)生A匯報的時間相對較長、PPT也相對條理。不同于其他專業(yè)的學(xué)生，其應(yīng)在現(xiàn)研究方向的基礎(chǔ)之上，不斷對專業(yè)知識以及其余相關(guān)知識進(jìn)行涉獵查詢，不斷拓展，完善自身的理論知識體系。

（二）仿生學(xué)在油氣田中的作用原理與應(yīng)用

在近現(xiàn)代不斷地對仿生的研究中，已經(jīng)將仿生應(yīng)用于多種領(lǐng)域。但是仿生學(xué)目前還沒有一個統(tǒng)一、清晰、嚴(yán)格的定義。很多石油專業(yè)同學(xué)對仿生學(xué)的應(yīng)用缺少了解，但仿生學(xué)在石油領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用較長時間，尤其是在油氣田化學(xué)領(lǐng)域。通過對海洋貽貝分泌物、蚯蚓分泌物、人類血液循環(huán)等的研究，發(fā)明了多種仿生系列材料，為“安全、高效、經(jīng)濟、環(huán)保”的鉆探工程提供了有力的保證。學(xué)生需對仿生學(xué)的基本原理、主要方法和主要技術(shù)進(jìn)行調(diào)研展示，但不限于這些問題。在案例發(fā)布之后，學(xué)生B選擇了此案例，因?qū)W生B之前接觸油氣田化學(xué)較少，在通過微信聊天一對一交流中，授課教師為其提供了一個大體的調(diào)研方向，并在國外期刊上尋找研究實例。

學(xué)生B首先展示了仿生學(xué)的現(xiàn)代廣義定義，即學(xué)習(xí)、模擬生物、生活和生境，制造包含自然或人造生命及其組件的人工制品。即仿生學(xué)是學(xué)習(xí)、模擬大自然，在制造的人工制品中實現(xiàn)回歸自然的仿生發(fā)展理念和發(fā)展模式的科學(xué)。并指出仿生學(xué)的油氣田化學(xué)領(lǐng)域的研究是傳統(tǒng)技術(shù)、高技術(shù)、新技術(shù)與仿生學(xué)的有機結(jié)合，以及仿生學(xué)基本原理主要包括需求性原理、模本原理、相似性原理、可實現(xiàn)性原理和比較優(yōu)化原理。后向大家介紹了通過模仿貽貝黏附蛋白分子結(jié)構(gòu)，研發(fā)出的具有黏附特性的水溶性聚合物仿生材料——仿生固壁劑，以及模擬王蓮葉片通過多節(jié)點連接成高強度、高韌度、空間受力均勻的葉脈網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并結(jié)合貝殼的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)與組成，可變形纖維絲網(wǎng)、高強度凝膠與剛性顆粒構(gòu)成的仿生停鉆承壓堵漏新材料。

其他同學(xué)在討論時對仿生學(xué)產(chǎn)生了極大的新鮮感，并以其他領(lǐng)域的仿生技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行比較分析，大多數(shù)學(xué)生對仿生的認(rèn)知仍處于機械領(lǐng)域，例如仿生機械臂、仿生機器人等。其實仿生在化學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)開始形成一套獨有的體系，并在各行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。

仿生學(xué)在油氣田化學(xué)領(lǐng)域的研究對學(xué)生來講有極大的新鮮感，因為這是身邊事物與自己研究方向的有效結(jié)合，大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因為仿生學(xué)概念沒有一個確定的范圍，因此學(xué)生B的匯報中有一些偏題，但不影響學(xué)生去理解與應(yīng)用仿生知識。學(xué)生B在匯報其應(yīng)用實例時表達(dá)也十分的清晰，但在討論時對涉及超低油氣層傷害仿生鉆井液技術(shù)等應(yīng)對力較差。因?qū)υ摷夹g(shù)第一次調(diào)研，但也已經(jīng)有明顯的理論知識掌握與應(yīng)用了解，而且能夠依據(jù)專業(yè)知識對其在油氣田中的應(yīng)用進(jìn)行了補充解釋。

（三）智能材料在油氣田中的作用原理與應(yīng)用

智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)材料發(fā)展的重要方向之一。目前，智能材料已經(jīng)作為堵漏材料、調(diào)剖劑、固壁劑等研究并應(yīng)用于油氣田化學(xué)領(lǐng)域。智能材料的研究和大規(guī)模的應(yīng)用無疑是多種行業(yè)的一次重大技術(shù)革命。在本案例的研討中，學(xué)生需要掌握智能材料的基本定義、組成及制備方法，并調(diào)研目前先進(jìn)的智能材料在油氣田化學(xué)領(lǐng)域與的應(yīng)用案例。在本次案例發(fā)布之后，學(xué)生C選擇此案例，但是由于學(xué)生C此前沒有接觸過石油專業(yè)領(lǐng)域，因此授課教師需要提供其專業(yè)基本知識學(xué)習(xí)途徑，以及相關(guān)書籍，并對案例進(jìn)行調(diào)研。

學(xué)生C在課堂匯報中，首先展示了智能材料的定義及組成，并闡述了智能材料相比于傳統(tǒng)材料所具備的特征優(yōu)勢。學(xué)生C按照化學(xué)成分將智能材料分為智能金屬材料、智能高分子（或聚合物、有機物）材料、智能無機非金屬（或陶瓷）材料、智能復(fù)合材料等。常見智能金屬材料主要包括：形狀記憶合金、磁致伸縮材料等，并對某幾類進(jìn)行舉例。最后學(xué)生C對智能材料在鉆井液處理劑中的應(yīng)用進(jìn)行了實例分析，并對智能材料的未來做出了自己的預(yù)測。

智能材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類行業(yè)，在討論時，學(xué)生以航天領(lǐng)域的材料進(jìn)行補充，以此來對材料的未來做出預(yù)測，并且與傳統(tǒng)石油行業(yè)的發(fā)展進(jìn)行比較，認(rèn)為智能材料將是未來油氣田化學(xué)行業(yè)發(fā)展的重要方向之一。在討論時也有學(xué)生開始討論起智能材料在其他領(lǐng)域的研究方向，這與本課程出現(xiàn)沖突，授課教師也在及時進(jìn)行了中止與解釋。

學(xué)生C在缺乏油氣田化學(xué)領(lǐng)域知識的條件下，能夠按照發(fā)布的案例與問題進(jìn)行調(diào)研與總結(jié)，并對自己所選擇案例的未來發(fā)展做出預(yù)測。也因為缺乏相關(guān)知識，對行業(yè)理解不夠，因此無法詳細(xì)闡述其在實例中的作用機理，例如，智能材料作為鉆井液添加劑的情況下的作用機理。其調(diào)研框架完整，雖在討論時出現(xiàn)偏題情況，授課老師能夠進(jìn)行有效更正。

（四）學(xué)生總結(jié)與反饋

在油田化學(xué)類課程即將結(jié)束時，要求學(xué)生進(jìn)行案例總結(jié)，并且選擇某一相關(guān)課題進(jìn)行調(diào)研撰寫大作業(yè)學(xué)習(xí)報告，重點為結(jié)合案例對知識的掌握程度，寫下自己的認(rèn)知與感受，并對未來技術(shù)的發(fā)展做一個預(yù)測，最后將報告提交給授課教師，供教師判斷學(xué)生對本課程知識的掌握能力，以及對此教學(xué)方法及課程進(jìn)行總結(jié)，以此來對今后的課程指導(dǎo)作為參考。根據(jù)學(xué)生所提交的大作業(yè)結(jié)果顯示，學(xué)生A、B、C對超分子化學(xué)、仿生學(xué)、智能材料領(lǐng)域的調(diào)研更加深入且極具代表性，對常用的油氣田化學(xué)試劑、油氣田現(xiàn)場工藝有了更加清晰地了解，認(rèn)為所學(xué)的理論知識與現(xiàn)場生產(chǎn)密不可分；他們學(xué)會了運用國內(nèi)外論文數(shù)據(jù)庫、書刊等搜集資料，有效提升了對問題分析解決的能力，知識理論應(yīng)用的能力；增強了彼此之間相互合作學(xué)習(xí)；學(xué)生對目前油氣田化學(xué)領(lǐng)域進(jìn)展及發(fā)展方向有了更深入的認(rèn)識。雖然三位學(xué)生專業(yè)知識的儲存存在著差異，但此種方法無疑時對專業(yè)知識的拓展與記憶。雖然有學(xué)生提出，希望這樣的教學(xué)方式多實施，且能延長匯報交流的時間，但是由于課時的限制，授課教師也要進(jìn)行章節(jié)知識的梳理，目前每次匯報的時間偏短，對于研究內(nèi)容的交流偏重于在課下進(jìn)行。

（五）教學(xué)總結(jié)與反饋

根據(jù)超分子化學(xué)、仿生學(xué)、智能材料在油氣田化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研討，發(fā)現(xiàn)即使是專業(yè)基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)在基于問題導(dǎo)向時，也能夠根據(jù)案例對專業(yè)知識進(jìn)行梳理與總結(jié)，并能夠理解與掌握。根據(jù)學(xué)生的反饋，授課教師需要不斷改進(jìn)授課方法，可以依據(jù)課時，將案例的選擇權(quán)給學(xué)生，依據(jù)其研究方向與興趣進(jìn)行選擇，給予學(xué)生充足的時間去調(diào)研，適當(dāng)?shù)难娱L學(xué)生匯報交流時間。在對油田化學(xué)類課程進(jìn)行系統(tǒng)知識講解之前，根據(jù)每一章的內(nèi)容選擇適當(dāng)?shù)陌咐c問題供學(xué)生選擇，并在自由創(chuàng)新的基礎(chǔ)上使學(xué)生進(jìn)行深入調(diào)研，例如環(huán)境保護(hù)、儲層保護(hù)、鉆井液堵漏、堵水調(diào)剖等。此時學(xué)生為中心，能夠在有限的主導(dǎo)中對知識進(jìn)行充分的整合與理解。系統(tǒng)知識的梳理還是可以依據(jù)傳統(tǒng)的教學(xué)模式，使學(xué)生在案例教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷地強化知識。

學(xué)生是教學(xué)中心，教師是授課時可靠的指導(dǎo)者。授課教師在匯報之后的積極引導(dǎo)會對學(xué)生的思維變化有顯著的影響，必要時的啟發(fā)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、增強創(chuàng)新能力。學(xué)生對油田化學(xué)類課程問題與案例的調(diào)研匯報，也是授課教師不斷補充自己的機會，根據(jù)學(xué)生的討論能為今后的課程講解提供參考，豐富自己的教學(xué)內(nèi)容，今后類似問題的提出也能指出相應(yīng)的解決方案。現(xiàn)代社會的運行主要靠大眾的分工合作，授課教師在讓學(xué)生去調(diào)研、匯報的時候，要鼓勵學(xué)生分工合作，互相交流，培養(yǎng)其主動探究問題的動手能力，在不斷的思維碰撞中提升自己。

二 結(jié)束語

設(shè)置油田化學(xué)類課程的教學(xué)目的是培養(yǎng)大學(xué)生掌握油氣田化學(xué)課程中的基本理論知識與相關(guān)專業(yè)概念，掌握其正確含義與現(xiàn)實適用范圍，如聚合物水基溶液、壓裂液、修井完井液等；掌握常用的油氣田化學(xué)劑的基本性質(zhì)和使用方法，如增粘劑、降濾失劑等；掌握與鉆完井、采油、儲運有關(guān)的基本化學(xué)作業(yè)方法，如堵水調(diào)剖、堵漏、壓裂驅(qū)油等；了解常用的油氣田化學(xué)劑的制備方法；通過相關(guān)化學(xué)劑合成實驗的講解培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和加強學(xué)生對先進(jìn)油氣田化學(xué)工藝及其原理的理解。為今后學(xué)生的科研工作及油田現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。傳統(tǒng)“黑板式”教學(xué)法是以授課教師為主，聽課的學(xué)生只會講教師講授的知識強行灌輸，以及依據(jù)教學(xué)安排機械化的教學(xué)生實踐技能，這大大限制了學(xué)生對知識的擴展及自主學(xué)習(xí)、調(diào)研和不斷創(chuàng)新的能力，牢禁了學(xué)生的開放性思維，這無疑也限制了學(xué)生今后的研究與應(yīng)用。

在油田化學(xué)類課程日常教學(xué)中采用基于問題導(dǎo)向的案例教學(xué)法，學(xué)生置于課堂中心，老師則擔(dān)任主導(dǎo)角色，以更加開放性地思維去鼓勵學(xué)生、引導(dǎo)學(xué)生，使理論更好的應(yīng)用于實際，確確實實地踐行了“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”這一準(zhǔn)則，延伸了學(xué)生的邏輯思維，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，深化了所學(xué)專業(yè)知識實踐性，增強了學(xué)生創(chuàng)新能力，擴展了學(xué)生的思維模式，豐富了教學(xué)模式的多樣化，使油田化學(xué)類課程的學(xué)習(xí)增加了更多趣味性，提高了教學(xué)質(zhì)量。但是，實行基于問題導(dǎo)向的案例教學(xué)法時授課教師需注意案例的判斷與選擇，根據(jù)教學(xué)大綱與實際技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行判別，其次案例教學(xué)需要同整個課程知識體系相銜接，最重要的是盡可能保證足夠的教學(xué)時間。

如何更加有效地提高油田化學(xué)類課程的教學(xué)質(zhì)量，使其更加豐富、多姿多彩，讓學(xué)生能夠有興趣，進(jìn)而愿意學(xué)、喜歡學(xué)，最終將知識熟練于心，應(yīng)用在今后廣闊且深入的研究工作中，還需要廣大教育工作者的共同努力，在實踐中檢驗真知、總結(jié)經(jīng)驗，改革更好的教學(xué)模式[10]。