新工科背景下的油層物理慕課教學(xué)模式探究

莫非 黃小亮 嚴文德 游君昱 田杰

摘? 要：油層物理是石油工程領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)課，油層物理教學(xué)是新工科背景下，多元化、創(chuàng)新型卓越石油領(lǐng)域工程人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對油層物理教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容難度大、教學(xué)模式單一、教學(xué)過程工程實踐性不強等問題，開展油層物理慕課教學(xué)模式探究，探討新工科背景下油層物理慕課教學(xué)中的慕課視頻制作、工程案例庫建設(shè)、教學(xué)反饋機制及考核體系的構(gòu)建等內(nèi)容，為新工科背景下油層物理教學(xué)質(zhì)量的提升提供新思路。

關(guān)鍵詞：油層物理；慕課；新工科；教學(xué)模式；工程案例

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）14-0054-04

新工科是中國為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，在新經(jīng)濟、新起點大背景下提出來的概念，新工科的教學(xué)目標要與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相匹配，既面向當(dāng)前急需，又考慮未來發(fā)展，從而促進學(xué)校教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有機結(jié)合。油層物理是研究儲層巖石的物理特性、油氣藏流體的物理特性和多相流體的滲流機理的一門學(xué)科，是石油工程和海洋油氣工程等專業(yè)的核心課程及專業(yè)基礎(chǔ)課，它是新工科背景下多元化、創(chuàng)新型卓越石油領(lǐng)域工程人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于油層物理具有專業(yè)概念抽象、知識理論深奧、物理實驗多、與工程實際結(jié)合緊密等特點［1-3］，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果常常出現(xiàn)兩極分化的情況，學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力也難以達到新工科建設(shè)的要求［1，4］。

慕課（Massive Open Online Courses，MOOC）是大規(guī)模開放式在線教育課程的一種模式，將“以教師為中心”的傳統(tǒng)教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”的新型教學(xué)模式，是新工科建設(shè)的重要輔助教學(xué)手段［5］。慕課起源于1962年的美國斯坦福大學(xué)，安吉爾巴特（Engelbart）教授首先提出將計算機、網(wǎng)絡(luò)與教學(xué)相結(jié)合，實現(xiàn)大規(guī)模、全球性的知識共享效果［6］。2006年，薩爾曼·汗（Salman Khan）在互聯(lián)網(wǎng)上的虛擬大學(xué)上傳了教學(xué)視頻，得到了大量的關(guān)注［7］，隨后，慕課在全球范圍內(nèi)開始了蓬勃的發(fā)展［8］。我國的慕課發(fā)展始于2012年［7，9］，在中國高校計算機教育慕課聯(lián)盟的積極推進下，隨著“學(xué)堂在線”“南洋學(xué)堂”“好大學(xué)在線”等平臺的建設(shè)和應(yīng)用，慕課教學(xué)模式在國內(nèi)已經(jīng)得到了一定程度的普及［10-11］。

本研究分析了油層物理傳統(tǒng)課堂教學(xué)存在的問題，針對現(xiàn)有問題，開展了新工科背景下的油層物理慕課教學(xué)模式探究，探討了油層物理慕課教學(xué)模式中的工程案例庫建設(shè)、慕課視頻制作、慕課教學(xué)的反饋機制及考核體系。

一、油層物理教學(xué)目標

油層物理主要講授儲層巖石的物理特性、油氣藏流體的物理特性和多相流體的滲流機理等內(nèi)容。結(jié)合新工科建設(shè)的需要，油層物理的教學(xué)內(nèi)容需要與國家能源戰(zhàn)略需求、石油領(lǐng)域工程人才培養(yǎng)相結(jié)合，實現(xiàn)以下幾個教學(xué)目標：

第一，掌握儲層巖石、流體、多相流體滲流機理相關(guān)的基本概念和原理。油層物理是石油工程專業(yè)的入門級基礎(chǔ)課程，基本概念和相關(guān)原理多，理解難度大，記憶量大，要求學(xué)生精準記憶和正確理解，滲透率、孔隙度、飽和度、相態(tài)特征、毛管壓力、達西定律、滑脫效應(yīng)等重要概念和原理。針對容易混淆的概念，例如相對滲透率和相滲透率等，要求學(xué)生準確區(qū)分。油層物理教學(xué)的首要目標是讓學(xué)生充分理解和掌握相關(guān)的基本概念和原理，為后續(xù)油層物理知識的應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。

第二，能正確認識、分析和解決油田開發(fā)過程中儲層巖石、流體物性和多相滲流相關(guān)的工程問題。在理解和掌握油層物理基礎(chǔ)知識的前提下，要求學(xué)生能夠利用基本概念和原理，正確認識、分析和解決油田開發(fā)中的相關(guān)問題。例如在理解油氣藏流體相態(tài)特征的基礎(chǔ)上，能夠?qū)δ鰵獠亻_發(fā)中的反凝析現(xiàn)象進行正確分析，針對反凝析現(xiàn)象的基本原理，提出適用于凝析氣藏的開發(fā)方式；在理解多相流體滲流機理的基礎(chǔ)上，能夠?qū)τ吞镒⑺_發(fā)中的非活塞式水驅(qū)油進行一定分析，并提出降低殘余油飽和度的方法。利用油層物理基礎(chǔ)知識解決油田現(xiàn)場的實際工程問題，是新工科建設(shè)背景下培養(yǎng)石油工程人才的重要目標。

第三，具備油層物理相關(guān)的實驗設(shè)計、操作測試和數(shù)據(jù)分析等科學(xué)研究技能。油層物理是與實驗緊密結(jié)合的學(xué)科，其中的重要參數(shù)，例如滲透率、孔隙度、飽和度、儲層流體的密度、界面張力、相對滲透率曲線、毛管壓力曲線等是制定油田開發(fā)方案時不可或缺的重要資料，它們都需要開展實驗才能準確獲取。因此，具備油層物理相關(guān)的實驗設(shè)計、操作測試和數(shù)據(jù)分析等科學(xué)研究技能是油層物理教學(xué)的重要目標，也是培養(yǎng)油田現(xiàn)場工程人才和科技創(chuàng)新人才的重要保障。

二、油層物理傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)存在的問題

（一）教學(xué)內(nèi)容難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)兩極分化嚴重

目前的油層物理教學(xué)主要采用傳統(tǒng)線下授課的教學(xué)手段，授課進度嚴格按照工程認證、教學(xué)大綱、授課計劃等文件執(zhí)行。由于油層物理的課程屬性，它的知識點往往十分抽象難懂、重難點內(nèi)容多、理論與實踐相結(jié)合的程度高，教學(xué)知識點不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。再加上傳統(tǒng)線下課堂受到時間、空間、教學(xué)條件和師資等的限制，在有限的授課時間內(nèi)，學(xué)生對知識點的理解難度大，知識點掌握不牢固。學(xué)習(xí)能力較好、自覺性較強的學(xué)生能夠通過課內(nèi)和課外的學(xué)習(xí)，牢固掌握教學(xué)內(nèi)容。但部分學(xué)習(xí)能力較差、學(xué)習(xí)積極性不高的學(xué)生出現(xiàn)了跟不上教學(xué)進度的情況，且通常一步落后、步步落后，學(xué)生學(xué)習(xí)情況兩極分化嚴重。

（二）課堂教學(xué)偏重理論教學(xué)，學(xué)生工程應(yīng)用能力欠缺

由于油層物理的教學(xué)知識點多，知識點理解難度大，目前的課堂教學(xué)以理論教學(xué)為主，教學(xué)中涉及的現(xiàn)場工程案例較少，僅有的少量教學(xué)案例也出現(xiàn)了脫離真實油田現(xiàn)場的情況。隨著對油氣藏認識的深入和開發(fā)技術(shù)的進步，油層物理教學(xué)內(nèi)容中過于簡化的物理模型和過于理想化的公式推導(dǎo)，難以真實反映油氣藏的實際情況和工程開發(fā)中的實際問題，不利于學(xué)生解決實際工程問題及獲取豐富的實踐經(jīng)驗，難以達成新工科要求的教學(xué)目標，出現(xiàn)了學(xué)生工程應(yīng)用能力較弱的問題。

（三）教學(xué)模式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏積極性

當(dāng)前油層物理的教學(xué)模式仍然以傳統(tǒng)課堂教學(xué)為主，采用PPT講解的形式進行講授式教學(xué)，教學(xué)模式單一。由于教學(xué)內(nèi)容過多，教師在講授知識時難以有充足的時間與學(xué)生互動，學(xué)生在課堂上被動地接受知識，學(xué)習(xí)的參與感不強，難以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。講授式的教學(xué)模式也導(dǎo)致教師在課堂上無法第一時間了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，難以根據(jù)學(xué)情及時調(diào)整教學(xué)進度與教學(xué)方法。油層物理深奧枯燥的知識點使得學(xué)習(xí)過程本身缺乏趣味性，僅僅采用講授式的教學(xué)模式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

三、油層物理慕課教學(xué)的必要性

（一）慕課教學(xué)有利于學(xué)生基礎(chǔ)知識的掌握

慕課教學(xué)需要將系統(tǒng)的知識體系拆分成相互聯(lián)系的知識點，針對每一知識點單獨制作慕課視頻進行講解。雖然油層物理知識點多、理解難度大，但是慕課教學(xué)不受課時的限制，教師在制作油層物理慕課視頻時，能夠針對每個知識點進行更加細致地講解，學(xué)生理解更加容易。慕課視頻還提供了學(xué)生反復(fù)觀看學(xué)習(xí)知識的機會。學(xué)生能夠根據(jù)自己的理解能力和學(xué)習(xí)情況進行重播、暫停、倍速播放視頻，畢業(yè)之后仍可反復(fù)觀看學(xué)習(xí)，使學(xué)生牢固掌握知識點，提升學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。

（二）慕課教學(xué)有利于學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)

油層物理的教學(xué)目標不僅要求學(xué)生掌握基本的油層物理理論，還需要培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)需要與油田生產(chǎn)實際相結(jié)合，而課時的限制導(dǎo)致教師授課時的工程案例講解不足，學(xué)生工程能力的訓(xùn)練不足。由于工程案例較為抽象、復(fù)雜，在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中講好工程案例具有一定的難度。由于慕課教學(xué)內(nèi)容的靈活性，針對油層物理的工程案例，慕課教學(xué)能夠通過動畫、聲音、圖片等進行很好地呈現(xiàn)和講解，做到深入淺出。學(xué)生在課堂上掌握了油層物理基礎(chǔ)理論之后，在課后觀看工程案例的慕課視頻，理論聯(lián)系實際，能夠彌補傳統(tǒng)課堂教學(xué)在學(xué)生工程應(yīng)用能力培養(yǎng)上的短板，有利于學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

（三）慕課教學(xué)豐富了油層物理的教學(xué)模式

慕課教學(xué)以互聯(lián)網(wǎng)為依托，借助海量的共享資源開展教學(xué)，不僅是一種與時俱進的教學(xué)模式，還豐富了單一的傳統(tǒng)教學(xué)模式。慕課教學(xué)中的視頻、圖片、動畫等內(nèi)容與傳統(tǒng)課堂的講授式相比，具有更強的趣味性，能夠吸引學(xué)生的注意，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)油層物理的積極性。此外，互聯(lián)網(wǎng)提供了師生交流的可靠平臺，學(xué)生學(xué)習(xí)上的任何問題，都能通過互聯(lián)網(wǎng)第一時間聯(lián)系教師，讓教師予以解答。因此，慕課教學(xué)無論從知識傳授上，還是師生互動上，都是傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的重要補充。

四、油層物理慕課教學(xué)模式探究

（一）制作兼具專業(yè)性和趣味性的慕課視頻

以油層物理大綱規(guī)定的知識體系為基礎(chǔ)，根據(jù)具體章節(jié)的知識構(gòu)架，結(jié)合學(xué)生的學(xué)情，將知識體系拆分為獨立的知識點制作慕課視頻。特別是針對抽象、難懂的知識點，充分利用慕課的優(yōu)勢，利用互聯(lián)網(wǎng)上的圖片、音樂、視頻、動畫、案例等資源，將難懂的知識點形象化、簡單化，讓學(xué)生易于理解和掌握。在制作慕課視頻的過程中，還要利用石油工程專業(yè)軟件，對油氣藏開發(fā)中涉及的油氣藏流體流動、相態(tài)變化變等抽象難懂的油層物理知識點進行三維數(shù)值模擬的再現(xiàn)、還原及預(yù)測。將油氣藏數(shù)值模擬技術(shù)、影視技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)理念融合，既保證了慕課視頻的專業(yè)性，又增加了慕課視頻的趣味性。以慕課教學(xué)作為傳統(tǒng)課堂講授式教學(xué)的補充，能夠豐富教學(xué)模式，促進教學(xué)效果的良性循環(huán)。

（二）建設(shè)符合新工科建設(shè)要求的工程案例庫

油層物理與工程實踐結(jié)合緊密，很多知識點是面向油田現(xiàn)場的實際問題，需要結(jié)合工程實踐才能更好地理解掌握，這是傳統(tǒng)課堂教學(xué)的短板，也是新工科建設(shè)背景下油層物理教學(xué)亟須解決的問題。結(jié)合慕課的特點，針對油層物理中的現(xiàn)場實際應(yīng)用案例，例如油氣藏開發(fā)中的多相流動阻力效應(yīng)，凝析氣藏開發(fā)的反凝析現(xiàn)象等，以慕課視頻的方式開展案例式教學(xué)，采用油藏數(shù)值模擬技術(shù)、影視技術(shù)等形象地再現(xiàn)油田現(xiàn)場的實際情況和油氣藏內(nèi)部流體流動的動力學(xué)特征，使學(xué)生易于理解和接受相關(guān)知識。教師也可以在知識理解的關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)問，引發(fā)學(xué)生的思考，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

（三）建立慕課教學(xué)的反饋機制

在慕課教學(xué)中，建立“學(xué)生—教師—學(xué)生”的教學(xué)效果反饋機制。學(xué)生在慕課學(xué)習(xí)平臺上觀看慕課視頻、參與線上測驗和在線論壇的問題討論。教師對學(xué)生的學(xué)習(xí)進度、階段測驗情況、在線論壇討論問題的正確性等進行實時跟蹤。針對學(xué)生學(xué)習(xí)中普遍存在的問題，教師在課堂教學(xué)中予以集中解答。針對個別學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，可以在慕課在線論壇上與學(xué)生進行單獨互動交流，點對點答疑，確保不讓每一位學(xué)生掉隊。此外，教師收集學(xué)生在慕課學(xué)習(xí)中反饋的意見和建議，及時對慕課的課件、視頻、案例庫等進行補充和改進，持續(xù)對慕課教學(xué)進行優(yōu)化，確保學(xué)習(xí)能力不同、學(xué)習(xí)自覺性不同的學(xué)生都能夠具有良好的學(xué)習(xí)效果，盡量避免兩極分化。

（四）構(gòu)建慕課教學(xué)的考核體系

新工科不僅要求學(xué)生牢固掌握專業(yè)知識，還強調(diào)了工程人才的實踐能力和創(chuàng)新能力。為了符合新工科要求的人才培養(yǎng)標準，在構(gòu)建慕課教學(xué)的考核體系時，需要在傳統(tǒng)考核方式的基礎(chǔ)上，增加對學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的考核。教師可以設(shè)置工程案例相關(guān)的開發(fā)課題，讓學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)知識解答案例分析和實際工程問題，從而對學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力進行考察。因此，在基于慕課教學(xué)的考核體系中，學(xué)生的最終成績由平時作業(yè)（線上測驗+紙筆作業(yè)）、實驗、紙筆考試、開放課題組成。

（五）加強慕課教學(xué)的組織實施

油層物理慕課教學(xué)的實施需要課程組、教師、學(xué)生三方的共同努力。首先，課程組需要結(jié)合油層物理慕課教學(xué)的特點，對油層物理的教學(xué)大綱、授課計劃及相應(yīng)的考核指標進行修正，安排最具專業(yè)性的課程組教師錄制慕課視頻。其次，教師需要對每個慕課視頻認真準備，精心制作。結(jié)合油田現(xiàn)場的真實情況挑選工程案例和開放課題。教師還需在教學(xué)過程中關(guān)注每位學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，及時對學(xué)生進行線上、線下的答疑輔導(dǎo)。學(xué)生要利用慕課視頻進行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，遇到問題及時聯(lián)系教師答疑。學(xué)生還要積極向教師反饋慕課學(xué)習(xí)中的意見和建議，促進慕課教學(xué)的持續(xù)改進。

五、結(jié)語

油層物理慕課教學(xué)模式是傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)的重要輔助手段。在油層物理慕課視頻中融入與工程實踐緊密結(jié)合的油田現(xiàn)場案例以及趣味性的圖片、音樂、動畫等因素，建立與新工科建設(shè)相適應(yīng)的教學(xué)反饋機制和考核體系。油層物理的慕課教學(xué)豐富了教學(xué)模式，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性，解決學(xué)生學(xué)習(xí)效果兩極分化的問題，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，為實現(xiàn)新工科要求的石油領(lǐng)域工程人才培養(yǎng)的目標提供支撐。

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（責(zé)任編輯：淳潔）