石油工程巖石力學課程實驗教學改進措施探討

林伯韜　王振宇　侯冰

［摘 要］石油工程巖石力學是石油工程專業的一門應用基礎課程，旨在學習巖石力學理論知識在石油工程領域中的應用。文章介紹了力學、巖石力學和石油工程巖石力學之間的學科聯系和課程背景，闡述了石油工程巖石力學課程的開設情況，重點剖析了該課程實驗教學的角色、內容、設備、目的以及授課方式，并總結了實驗教學存在的問題，認為實驗技術復雜、設備精密昂貴、實驗場地和實驗教師缺乏是當前實驗教學存在的突出問題。在此基礎上，文章提出加強本碩博一體化教學，融合線上、線下教學，建立線上虛擬實驗室輔助教學等改進實驗教學的有效手段。該研究成果能為解決類似問題提供一定的方法指導。

［關鍵詞］石油工程；巖石力學；實驗教學；線上平臺；虛擬實驗室

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）08-0056-03

力學是一門應用廣泛的基礎性學科，工程力學、材料科學、土木工程、機械工程、冶金與礦業工程等眾多工科專業的核心課程都與其存在緊密聯系。巖石力學是力學的分支學科，該學科是一門運用力學、地質學的原理和方法來研究巖石的力學及相關現象的綜合性學科，主要研究各種力場作用下的巖石變形與破壞規律，具有理論性強、應用性強、與室內實驗結合緊密的特點。隨著石油勘探開發技術的不斷發展，工程問題變得愈加復雜，巖石力學的學習變得至關重要。在中美開設石油工程專業的主要院校中，約三分之二的高校為本科生和研究生開設了巖石力學課程[1]。

石油工程巖石力學是中國石油大學（北京）為石油工程專業的本科生及研究生開設的一門專業基礎課程。石油工程巖石力學教學內容廣泛，涵蓋了鉆井工程、完井工程、油藏工程、油氣田開發、巖石物理、測井等多個與巖石力學相關的教學內容，例如深部地應力預測及計算、油氣鉆完井過程中井周應力狀態，以及巖石力學應用于井壁穩定、水力壓裂、套管損壞、油氣井出砂與防砂等方面遇到的工程問題[2]。

實驗教學是理論聯系實際的橋梁，是培養學生實踐能力和創新能力的重要教學環節，在工科專業培養中的重要性極為突出[3-4]。中國石油大學（北京）巖石力學實驗室是油氣資源與探測國家重點實驗室分室，經過多年發展，逐步配備了雄厚的師資團隊和先進的實驗設備，在壓裂增產、井壁穩定、儲層地質力學等領域形成了一定特色，取得了諸多科研成果。師資團隊同時也是石油工程巖石力學課程的教學團隊，多年來通過科研反哺教學的方式形成了良性循環，增進了學生對巖石力學理論、方法、技術的理解，形成了具有一定特色的實驗教學方案[5]。本文從該門課程的教學現狀出發，總結了其實驗教學環節中的問題，并提出了相應的解決方案。

一、課程實驗教學現狀

中國石油大學（北京）為石油工程專業本科大三年級學生開設的石油工程巖石力學基礎課程，共計2個學分，32個學時，其中理論部分28個學時，實驗部分4個學時；同時為研究生開設的石油工程巖石力學課程，設置3個學分，共計48個學時，全部為理論學時。由于該類課程涉及的實驗測試設備具有造價昂貴、占地面積大、操作復雜等特點，目前并未配備教學實驗室。因此，該課程的實驗教學主要依托中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室的巖石力學分室開展。

實驗教學最重要的是培養學生的實踐能力，一方面讓學生參與到教學的各環節中，另一方面培養學生在實踐過程中發現問題、解決問題的能力[4-5]。從上述課程設置來看，目前僅有本科生實際參與了實驗課程，研究生的實驗教學僅停留在理論學習層面上。現有的實驗教學主要包括三方面內容：一是常規三軸巖石力學實驗與巴西劈裂實驗，二是大型真三軸水力壓裂室內物理模擬實驗，三是巖石礦物成分及微觀結構實驗。由于場地和設備的限制，實驗教學目前采取的方式是：任課教師介紹實驗設備及講解實驗方法、流程；同時，安排研究生利用實驗設備做科學實驗，并在中途穿插一些關于實驗步驟的介紹；本科生集中在一旁觀摩實驗，與教師、研究生進行互動問答，并在課后根據巖石力學實驗數據撰寫實驗報告。

二、實驗教學設備及內容介紹

目前輔助實驗教學的主要設備包括：大尺寸真三軸巖石模擬試驗機、巖石力學三軸試驗機、巖石斷裂韌性測量儀、聲發射檢測裝置、高溫高壓巖石流變性、瞬態脈沖滲透率測試儀、頁巖膨脹儀、場發射掃描加聚焦離子束顯微鏡系統、微納米CT、微區礦物成分定量分析儀、掃描電子顯微鏡、巖石波速各向異性測試儀等先進實驗設備，能夠滿足所有的實驗教學，其實驗課程、內容、平臺、設備與具體用途如表1所示。

三、存在的問題及改進措施

隨著時代的發展，巖石力學學科知識更新迭代的速度加快，特別是高溫高壓超深層鉆探、非常規和低滲儲層的改造等工程難題對巖石力學實驗提出了更高的要求[5]；同時，隨著大學教育的普及化，接受高等教育的學生人數逐年增加，傳統的巖石力學教學方式和設備已不能滿足本科實驗教學的需要。目前該課程實驗教學主要存在以下三個突出問題：

一是近年來高等教育大幅度擴招使得許多高校實驗教師數量明顯不足[6]，導致從事日常課程教學的教師需要通過兼職的方式開展實驗教學，因此，實驗教學的專業化程度難以保障。例如，筆者所在學校的石油工程巖石力學課程的實驗教學暫未配備專業的實驗教師，目前仍由任課教師承擔實驗教學指導工作，由于實驗設備不足，往往是三四十名本科生圍站在一臺設備旁聽教師講解。而對于石油工程專業的研究生來說，如果從未在本校上過石油工程巖石力學基礎本科課程，且未曾從事過該領域的科學研究，學生就無法接觸到表1所列的實驗，更不用說了解其中的內容了。

二是資金、場地和設備條件難以跟上巖石力學學科日新月異的發展速度。高校實驗教學旨在讓學生學會用實際問題驗證理論、培養學生的動手能力、讓學生掌握基本的實驗技能，進而增強學生的創新思維能力與獨立開展科研工作的能力。大型巖石力學實驗設備的價格和維護費較昂貴，操作要求極高，受制于高校資金、場地、條件和安全性等因素，實驗設備暫時無法保證本科生開展可上手操作的實驗項目。

三是課程設置劃分過細導致現有的實驗教學學時無法滿足課程的實驗要求。目前，實驗教學缺乏與石油工程實踐的融合；且由于實驗學時較少，導致實驗內容較為粗化，學生難以將實驗內容與石油工程現場案例逐一對應。

針對上述三個突出問題，本文提出如下改進措施：

第一，制訂本碩博一體化培養方案。借助高校平臺大力推進本碩博一體化培養，調整課程培養方案，將該門課程重新命名為“石油工程巖石力學I”，為研究生開設高階課程“石油工程巖石力學II”，分別調整本科生和研究生的實驗內容及要求，針對本科生以實驗演示為主，針對研究生結合其研究課題提供部分實驗的操作機會；后者充當助教角色，同時作為前者的實驗演示者。

第二，融合實驗的線上、線下教學。推進實驗課程的線上平臺建設，創新實驗教學中師生的溝通方式，加強學生對實驗理論、設備、步驟的掌握。具體措施包括在慕課中引入與巖石力學實驗相關的石油工程專業案例，建設巖石力學實驗案例庫及整理思考習題，開發實驗課程網頁、網絡微課，并且在每次線下實驗課結束后，通過公眾號、微信群推送相關的實驗內容并介紹相關的石油工程問題。

第三，建設虛擬仿真教學實驗室。通過虛擬仿真實驗模擬真實的實驗儀器和場景是解決實驗室經費及資源受限問題的有效途徑。虛擬仿真實驗的沉浸性、交互性、多感知性，能讓學生通過模擬實驗了解地層巖樣變形及破壞的力學過程[7]。筆者曾經參觀過德國萊比錫大學的巖石力學實驗室，該實驗室擁有一套3D虛擬現實場景的軟件及裝置，參與人通過佩戴VR眼鏡可體驗進入深部地層中的地熱開采井場景，沉浸式觀摩水力壓裂施工及裂縫擴展全過程中的儲層巖石力學變形情況。

四、線上虛擬仿真教學實驗室設計

通過建立虛擬仿真教學實驗室，可打破時間、空間的限制，節省了使用和維護大型精密儀器的成本，能合理管控實驗危險，實現開放、共享、靈活、安全的實驗教學[8-10]。石油工程巖石力學課程的虛擬仿真教學實驗室設計如下：首先，開發虛擬仿真教學實驗室的網頁，學生可以經由學院主頁—教學主頁—虛擬仿真教學實驗室網頁使用校內賬號登錄。其次，制訂并實施虛擬仿真教學實驗室的管理方案，實現網上開放式實驗管理、實驗指導、學生考查、量化評價及課后反饋[10]。再次，通過豐富實驗內容及劃分模塊，搭建石油工程巖石力學線上實驗教學平臺。根據表1，設置單軸、三軸抗壓實驗、巴西劈裂實驗、真三軸壓裂實驗、巖石礦物成分分析實驗和微觀結構實驗等五個模塊。最后，綜合應用三維圖像建模技術、人機交互技術，制作可交互的實驗動畫場景，開展實驗操作流程的人機交互，讓每個學生以第一人稱扮演游戲角色完成各項實驗[11]。虛擬仿真教學實驗室的整體流程設計如圖1所示。

五、結語

本文系統介紹了石油工程巖石力學課程本科教學實驗的學科背景、課程設置、實驗內容、所需設備、存在問題及改進措施，認為以石油工程為細分學科的巖石力學對實驗要求較高，現有的資金、場地、人員和設備條件難以滿足學生對實踐教學的要求。解決這些問題的途徑有：一是融合打通本科與研究生課程；二是開辟實驗教學的網絡、手機端第二課堂；三是建立石油工程巖石力學的線上虛擬仿真教學實驗室，運用VR技術讓學生在虛擬現實中模擬操控設備，并制訂虛擬仿真實驗教學平臺的管理方案。本文提出的改進措施可有效彌補線下實驗設備條件的不足，并為存在類似難題的其他實驗類課程提供相應的教學參考。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 林伯韜，王琪琪.中美院校石油工程專業力學課程設置情況探討[J].科教導刊（下旬），2020（3）：16-19.

[2] 陳勉.我國深層巖石力學研究及在石油工程中的應用[J].巖石力學與工程學報，2004（14）：2455-2462.

[3] 周宏敏，熊文，陳偉，等.“雙一流”背景下的一流學科平臺建設思考[J].實驗技術與管理，2018，35（3）：23-24.

[4] 黃明奎.巖石力學課程教學改革與思考[J].高等建筑教育，2008（4）：82-85.

[5] 侯冰，陳冬.國外高校如何提高巖石力學研究生實驗裝置的研發能力[J].實驗技術與管理，2017，34（9）：268-271.

[6] 馮一兵，戴啟潤，余本海，等.擴招對大學物理實驗教學的影響及對策研究[J].實驗室科學，2006（2）：7-10.

[7] 薛黎明，劉哲.采礦工程專業虛擬仿真實驗室教學體系建設[J].煤礦現代化，2021，30（2）：101-103.

[8] 易菁，婁永忠，董璞.新工科背景下的建筑虛擬仿真實驗室建設[J].科技與創新，2021（10）：177-179.

[9] 黃科，袁欣.虛擬仿真實驗技術用于儀器分析實驗教學改革的探索與思考[J].山東化工，2021，50（1）：234-244.

[10] 張時佳，趙滿坤，杜桂月，等.環境專業虛擬仿真實驗室建設的相關設想[J].實驗室科學，2020，23（5）：172-175.

[11] 李劍峰，肖波，肖莉，等.智能油田：下[M].北京：中國石化出版社，2020.

［責任編輯：劉鳳華］