論石油工程實踐教學對學生創新能力的培養

摘" 要：目前高等院校對大學生的質疑、批判和創新能力的培養嚴重不足，因此培養本科生的創新能力非常必要。石油工程專業實踐課程也要培養青年學生的創新精神、創新理念。總體而言，石油工程專業實踐課程包括軟件教學、認識實習與生產實習、素拓課程、實驗課程、綜合性訓練課程和課程設計與畢業設計等。通過分析，提出以下通過實踐教學來培養學生創新思維的手段及途徑：工程軟件學習方面，立足于熟練應用軟件；認識實習與生產實習過程中，鍛煉學生的觀察能力和發散性思維能力；素拓課程要用頭腦風暴法訓練學生的思維；實驗課要求學生自主設計實驗目的、實驗流程；石油工程大賽需要學生自己動手、發揮創造性；課程設計與畢業設計應研究石油工業界熱點問題，要講究各學科的融合，要重視原創性等，這樣才能培養創新型的石油工程高級人才。

關鍵詞：石油工程；實踐教學；創新能力；發散思維；頭腦風暴

中圖分類號：G640" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2023）13-0059-05

Abstract： At present， colleges and universities are seriously deficient in cultivating students' ability to question， criticize and innovate. Therefore， it is very necessary to cultivate the innovation ability of undergraduates. The practical courses of petroleum engineering specialty should also cultivate the innovative spirit and concept of young students. In general， the practical courses of petroleum engineering specialty include software teaching， cognition practice and production practice， quality development course， experiment course， comprehensive training course， course design and graduation design， etc. Through analysis， this paper puts forward the following means and ways to cultivate students' innovative thinking through practical teaching： in the aspect of engineering software learning， we should focus on the skilled application of software. In the process of cognition practice and production practice， students' observation ability and divergent thinking ability should be trained. The quality development course should train students' thinking by brainstorming. The experiment class should require students to design the purpose and process of the experiment independently. The petroleum engineering competition course requires students to do their own work and bring their creativity into playing. Curriculum design and graduation design should study hot issues in the petroleum industry， pay attention to the integration of various disciplines， and attach importance to originality. Only in this way can we cultivate innovative senior talents in petroleum engineering.

Keywords： petroleum engineering; practical teaching; innovation ability; divergent thinking; brainstorm

高校大學生的科技創新教育工作極其重要。通過調研發現，高校大學生創新意識淡薄、創新理念缺失和創新實踐能力不足等均對科技創新教育的推動產生了較大的阻礙[1]。因此，創新思維的培養，不僅是對理論課程的要求，也是對實踐課程的要求。

石油工程專業涉及油氣資源的鉆探、開發，涵蓋鉆井工程、油藏工程和采油工程等專業方向，屬于運用多學科理論、方法、技術與裝備開發油氣資源的工程技術領域[2]。石油工程專業的實踐教學[3]是石油工程專業學生培養方案的重要組成部分，對于學生創新能力的培養起到重要的支撐作用。這類課程包括軟件教學、認識實習與生產實習、素拓課程、實驗課程、綜合性訓練課程、課程設計與畢業設計。這類課程在施教過程中，要著重對學生創新能力進行培養[4]，以達到實踐教學的目的。

一" 石油工程實踐教學中學生創新能力的培養

（一）" 軟件教學對學生創新能力的培養

軟件應用能力是現代學生工作能力的重要體現，是石油工程專業學生所需要具備的應用能力，比如石油工程專業方面的數值模擬軟件、試井軟件、壓裂軟件、腐蝕、力學計算和井筒計算軟件等的應用。首先為了訓練學生的軟件應用能力，學校要籌集資金，購置配套齊全的專業性軟件。在學生軟件應用能力培養方面，熟練應用是創新的基礎，也是學生創新能力的體現。由于大部分軟件是英文版的，應用模塊較多，應用起來步驟較多，需要培訓時間及培訓技巧。專業教師要先進行軟件應用演示，再結合案例進行逐個模塊的講授、應用和訓練，直到學生能夠熟練操作為止。教師要講清楚軟件的難點、優點和特點，比如油藏數值模擬軟件，通常分為主模型、數模前處理和數模后處理。其主模型是數模的模擬器，即計算部分，這是最重要的部分也是最難掌握的部分。其可以細分為黑油模擬器、組分模擬器等。數模前處理是一些為主模擬器做數據準備的模塊，比如準備油田的構造模型、屬性模型，流體的PVT參數，巖石的相滲曲線和毛管壓力參數及油田的生產數據等。數模后處理是顯示模擬計算結果及進行結果分析。以Eclipse軟件為例，Eclipse100是對黑油模型進行計算。前處理模塊有Flogrid、PVTi、SCAL、Schedule和VFPi等。后處理模塊有Eclipse Office和FLOVIZ，進行計算曲線和三維場數據顯示和分析。對于壓裂數值模擬來說，FracPT軟件的G函數分析、近井摩擦阻力分析和壓力擬合等為重點、難點；Stimplan軟件的測井數據處理、壓力擬合和多簇裂縫模擬等為重點。基于上述訓練過程，才能培養學生的創新應用能力。

（二）" 認識實習與生產實習

石油工程專業的認識實習、生產實習對學生增強職業的認同感、增加職業技能有很大促進作用。為了更好地培養學生的能力，在實習過程中要鍛煉學生的觀察能力、綜合思考能力和理解能力。觀察能力即對生產環境、周圍事物的洞察能力[4]。

針對特種場合的實習，教師要提前準備一些問題，以開啟學生智慧，提高學生的觀察能力、綜合思考能力和理解能力，進一步深化觀察能力，并發現新的問題。在特定場合，以發散性思維為主要特色，提出多方面的問題。比如，學生在巖芯庫實習時，在參觀一排排的巖芯柱（圖1）的同時，要思考下列問題：如何從巖芯柱得到地應力的方向及大小？為什么有的巖芯柱是碎的？如何從巖芯看出含油量？不同巖性的巖芯有何區別？如何從巖芯看儲層的孔隙度、滲透率？

在參觀油田實驗室時，學生要思考實驗工作對油氣田開發的重要作用。比如，油氣田開發需要哪些化學劑？酸化壓裂工作需要安排哪些實驗？注水、三次采油和鉆井工作需要做哪些實驗？該實驗室的實驗水平、技術指標如何？通過對上述問題的思考與討論，將油氣田開發與實驗工作結合起來，有助于理解實驗工作的重要性，從而提高學生的實驗技能。

在參觀工具庫時（圖2），學生要思考各種工具是用于鉆井、壓裂及注水，還是采油？用于分段壓裂的工具有哪些？封隔器是如何命名的？怎么座封的，怎么解封的？封隔器如何固定？先進的封隔器有哪些？特殊場合比如高溫高壓、腐蝕場合如何選擇封隔器？帶著這些問題去參觀學習，通過系統介紹、查閱資料和實物對比等能建立很好的工程設計意識，能夠較好地掌握井下工具的設計應用方法。

工具庫里面的各種工具與學生的專業課都有聯系，教師要引導學生將各種工具與專業課聯系起來，比如鉆井工藝、采油工藝、鉆采機械、提高采收率和酸化壓裂技術等，這樣才能鞏固所學的課本知識，加深對工藝技術的認識，加深對知識的理解。

為保證參觀實習的效果，避免學生走馬觀花，學無所獲，教師要將上述問題，以作業的形式留給學生并監督完成。比如將上述問題以思考題的形式發給學生，讓學生完成后在課堂上進行匯報，教師逐一進行點評，對錯誤的答案給予糾正，對不足的答案進行提升。這個后期評估過程將有助于學生掌握知識，鞏固所學。

（三）" 素質拓展課程中的創新訓練

素拓課程需要加強師生的互動，提高學生的參與性，吸引學生自己動手，以學生獲得解決問題的能力為最終目的。對于石油工程類學生而言，這類素拓課程包括酸化壓裂技術、非常規油氣藏勘探開發技術、油氣藏地震解釋技術、測井解釋技術和線性代數在油氣田中的應用和鉆采機械等。

在整個授課過程中，針對某些專題，可采用翻轉課堂，結合目標問題導向的授課模式。此時教師從授課的主角變成導演，學生從聽眾變成演員。具體來說，對于某個章節內容，為了讓學生透徹掌握，深入理解，教師要把講臺讓給學生，學生自己動手，廣泛調研，查詢資料，吸收、梳理、理解和掌握國內外先進成果，通過研讀獲得深入的認識，最終完成技術方案的設計，制作成匯報多媒體，并親自匯報，在課堂上分享個人的成果。這個過程能讓學生得到全方位的鍛煉。為了配合完成學習過程，結合培養目標（知識目標、能力目標），教師要把課程內容轉化成四類問題，即基礎性問題、綜合性問題、應用性問題和創新性問題；問題要圍繞授課主題，以應用型、創新型等高階問題為主；四類問題要有一定的題量，保證訓練成效；教師要提前將問題發給學生，讓大家查詢資料，開啟思維，充分發揮創新性，提出更多的解決方法，并在問題解決環節進行闡述討論。

當學生完成多媒體匯報之后，在教師的引導與組織下，立即進入問題解決環節。該環節強調師生之間的問題互動，學生之間的互動，互動以問題的解決為目的。考核成績要以學生的課堂表現為主要依據。教師要設計一些獎勵環節，及時鼓勵表現優秀的同學，以形成創新的氛圍及習慣。這種訓練方式有助于讓大家都能夠參與教學活動，提升學生的應用能力。

在問題解決環節，教師要有目的地對學生的思維能力進行訓練，比如采用頭腦風暴法[5-6]，其是一種通過會議形式，讓所有參加者在自由愉快、暢所欲言的氣氛中，自由交換想法或點子，可對某個問題進行辯論。為了保持敏銳，鍛煉我們的大腦是很重要的。我們思考得越少，大腦就會變得越遲鈍。在培養創造性思維的方法中，頭腦風暴法是一種最常用的激勵群體創新方法，其能夠在較短時間內，通過簡單形式，產生出大量體現創新精神的新觀點。為了解決問題，教師要引導學生進行思維訓練，包括逆向思維、發散性思維和聚合型思維等[7]。

比如，在酸化壓裂技術課上，講到水平井分段壓裂技術時，教師可提出下列問題：采用何種工藝才能讓段內各簇裂縫長度一致？在課堂上，教師引導啟發學生，采用頭腦風暴方法，先深入分析多條裂縫不能夠均衡發育的原因，通過原因分析，針對性地提出相應的解決方法。為了讓水平井壓裂時各簇裂縫發育一致，可以采用射孔限流設計方法（圖3），通過優化縫間距離減少應力干擾，投注暫堵劑及暫堵繩進行暫堵壓裂等，均在一定程度上有助于各簇裂縫的均衡延展。通過這種深入的、熱烈的和專門的討論，在討論過程中，教師及時給予學生鼓勵，有助于學生更深刻地理解分段壓裂工藝技術。

對于思維活躍、善于在某些問題方面進行深入思考的學生，教師可以引導其進行外觀設計、工具設計和工藝設計，并鼓勵學生進行發明創造，形成新的技術設計或產品，進行實用新型專利或發明專利的制作。曾經有學生通過素拓課程教育，發表了應用神經網絡技術預測油氣井產能的文章，發明并制造了新型插秧機，設計了新型的上樓機、自行車和多功能跑步機等，顯現出思維訓練的豐碩成果。

（四）" 實驗課程對學生創新能力的訓練

傳統實驗教學方式以講授為主。實驗開始之前，實驗教師詳細介紹實驗原理、實驗步驟及流程，學生無須思考這些實驗流程的設計理由，僅僅按部就班地按照實驗步驟進行操作，就會順利完成實驗。這樣的實驗教學模式嚴重降低了學生對實驗的興趣，不利于學生工程實踐能力和創新能力的培養[8]。相反，學生自己提出實驗設計方案和儀器改進思路，對自己感興趣的問題進行深入的研究和探索，實驗積極性能夠大幅度提高，也鍛煉了創新能力。

目前，除了課內實驗設備，學校一般還有大量閑置的科研性實驗設備，可以鼓勵學生利用這些設備，進行自主性、探索性和創新性的實驗。在這個過程中，學生自主設計實驗目的及實驗流程進行實驗，分析實驗結果，得到結果驗證。比如支撐劑導流能力測試儀，能夠測試支撐劑在不同圍壓下的導流能力。當不同顆粒大小的支撐劑混合在一起時，其導流能力會降低；當支撐劑混合方式不同時，比如上下混合、前后混合和徹底混摻等，支撐劑導流能力也會有所不同。學生可預先進行實驗規劃，并預計實驗結果，然后設計實驗流程，進行驗證。也許會出現預料不到的實驗結果，此時需要學生進行深入的分析，從而得到新穎的結論，以指導現場的應用。由于知識的局限性，這類探索性實驗需要教師引領、指導，也需要學生查閱大量文獻進行匯總分析等。

（五）" 石油工程設計大賽對學生能力的培養

中國石油工程設計大賽是石油類院校的頂級賽事，能夠充分地訓練學生解決現場工程問題的能力，是一項綜合性的訓練課程。大賽旨在追求卓越，目的是打造高素質石油人才，鍛煉和提升學生解決復雜工程問題的能力，培養適應社會發展需要的科技創新型、工程實踐型和團隊協作型的卓越石油工程師。大賽廣泛涉及石油類專業研究的各個領域，尤其是石油工程的設計和管理，并將在原有的勘探、開發、鉆井和儲運技術的基礎上增加更多的創新元素。

中國石油工程設計大賽賽題往往來源于現場難點問題，一般是多個難點交匯在一起，要求采用的技術復雜、先進且合理。一般僅給出地質條件及工程設計方案的大致方向，其他任何提示也沒有，這給方案設計者留下了廣闊的發揮空間。指導教師作為指導者，組建比賽隊伍的同時，更多的精力要放在方案編制的規劃方面。教師要將整個方案設計分解成若干個組成部分，每個組成部分由若干個次級的解決方案組成。這些解決方案涵蓋了最新的研究成果，有一定的難度及創新性，沒有現成的資料供參考，需要學生自己動手思考問題、解決問題。其途徑包括充分調研國內外文獻資料、閱讀外文、建立模型、推導公式、模擬計算、驗算驗證和借鑒移植等，在這個過程中，參賽者需要充分開動腦筋，發揮創新性，大膽設計，創新設想，自證自圓，編制合理、先進和實用的工程方案，解決油田現場問題。

筆者多次帶領學生參加中國石油工程設計大賽，獲得了多個全國二等獎，在采油氣工藝方案編制方面有以下幾點認識：①學生需要掌握幾款最新的軟件才能適應中國石油工程設計大賽，比如Meyer三維壓裂軟件、Stimplan三維壓裂軟件、酸壓軟件、地應力解釋軟件、Eclipse數值模擬軟件、Wellflow井筒流動軟件和腐蝕軟件等，掌握這些軟件可以提升學生創新能力；②要采用最新的技術，才能更好地解決現場問題，比如壓裂改造方面的可溶性橋塞技術、暫堵繩暫堵技術、纖維縫內暫堵技術、新型壓裂液技術和新型測試技術等，這些都需要學生在老師的帶領下，追蹤檢索最新的石油工程技術，并與現場問題密切結合，提出合理的解決方案；③學生要勇于建立一些新的模型，才能解決新的技術難題，比如某年的石油工程大賽，需要計算體積壓裂水平井的產能，里面涉及新模型的建立與模擬計算，筆者鼓勵幾個基礎較好的學生，投入較多的精力進行推導，得到了新的計算模型，學生因此也發表了文章，得到了很好的鍛煉；④鼓勵學生提出新型的設計思路，保護學生的新穎思路。學生思維活躍，不受傳統設計思路控制與約束，在設計過程中，容易冒出新奇的想法。此時教師要鼓勵學生，在提出新的解決方案的同時，要提供切實的依據，并完善技術思路。這就要求學生去查閱資料、豐富思路和完善工藝技術，從而極大地鍛煉了學生解決問題的能力、綜合應用知識的能力。

（六）" 課程設計與畢業設計對學生創新能力的訓練

課程設計與畢業設計是對學生綜合應用能力進行訓練，對于培養學生解決問題的能力具有重要意義。為了更好地培養學生解決現場問題的能力，應選擇石油工業界熱點問題進行研究。熱點問題一般也是當前比較重要的問題，學生通過在設計實踐操作中開闊眼界、接觸社會及了解國情，做到理論與實踐有效結合，提前感知社會壓力，看到自己與市場需求之間存在的差距和問題。提前發現問題并及時糾正，對將來工作和生活中自信心的提升起到很大推動作用，同時完善的人格將有助于創新能力的發揮[9]。

比如石油工程專業采油工程的課程設計，以前將機抽系統的設計作為重點，但是隨著技術的進步及現場工作面臨問題的不斷涌現，該行業的熱點問題不斷變遷，因此課程設計也要與時俱進，需要選擇目前石油開采面臨的難點、熱點問題開展研究。比如非常規油氣藏頁巖油、頁巖氣的體積壓裂工藝，分段分簇問題，降阻壓裂液、暫堵壓裂等。

課程設計與畢業設計題目的選取，要注重各學科的交叉融合。比如鉆井機械比能是鉆井方面常用的一個參數，用于優選鉆頭、判斷鉆頭泥包，以及確定磨損、鉆壓是否合理等。但是近年來，該參數用于采油工程的壓裂工藝方面進行分段分簇，指導壓裂設計，選取機械比能在采油工程方面的應用作為課題，這就是多學科交叉的一個典型例子。

同時，學生進行畢業設計與課程設計時，要重視原創性問題。目前，本科畢業設計論文程序化的寫作流程、大量借鑒移植的寫作模式，對學生的創新性有所抑制[10-11]。比如畢業論文所涉及的各個學術方向，前人已經做了大量的工作，有大量文獻資料可以參考。有些學生偷懶，其做法是大幅度參考別人的研究成果，并在降重率上做工作，這種操作模式不利于學生培養質量的提高。應強調創新性的研究工作，并注重原創性，強調個人貢獻。指導教師要提前規劃出創新性的環節，有意留出這部分內容，供學生發揮提高，鼓勵學生大膽創新，合理創新，比如數學模型的建立推導、實驗方法的創新和工藝方法的創新等。

二" 結束語

石油工程實踐課程由于其專業性較強，在實施過程中容易忽略對大學生創新能力的培養。創新思維的培養，不僅是對理論課程的要求，也是對實踐課程的要求。在學生軟件應用能力培養方面，熟練應用是創新的基礎。在認識實習與生產實習課程中，要鍛煉學生的觀察能力和發散性思維能力。在素拓課進行過程中，教師要有目的地對學生的思維能力進行訓練，比如采用頭腦風暴法，結合逆向思維、發散性思維和聚合型思維等思維方法。這個過程能夠在較短時間內，通過簡單形式產生出大量體現創新精神的新觀點。實驗課要求學生自主設計實驗目的和實驗流程，對學生進行鍛煉。全國石油工程大賽中，需要學生自己動手、充分開動腦筋、發揮創新性。課程設計與畢業設計應選擇石油工業界熱點問題進行研究，要講究各課程的融合，要重視原創性問題等。

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基金項目：廣東省高等教育教學研究和改革項目“基于創新能力培養的石油工程教學方式方法改革研究與實踐”（234391）；廣東石油化工學院校級項目“石油工程專業雙體系人才培養模式改革試點”（234458）

第一作者簡介：羅天雨（1971-），男，漢族，河南方城人，博士，副教授。研究方向為采油工程教學。