渗流力学叠加原理探究教学模式与案例

李明川+杜殿发+冯其红+谷建伟+张建国

摘要：渗流力学探究式教学是以学生为主体，主动参与教学过程探究的一种教学方法。剖析了引导探究→实施探究→深化探究“三部曲”的探究教学模式，探究了多井干扰的实质（可用压降叠加原理来描述），深入探究了多井干扰井产量和压力规律。通过案例的实施，使学生深入理解和掌握所学知识，提高了自主学习和分析、解决问题的能力。

关键词：渗流力学；探究教学；教学模式；叠加原理

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）07-0162-03

“探究”是指“深入探讨，反复研究”[1]，也指“求索知识或信息特别是求真的活动”[2]。探究式教学是指在遵循事物发展规律前提下，借助探讨、研究手段，寻找事物间内在联系，探索事物本质特征，为了培养学生的创新精神和实践能力的一种教学方法[3]。

最早提出探究学习方法的是美国教育家杜威，他主张教学应遵循“设置疑难情境、确定问题、提出假设、制定解决问题的方案并实施”的问题学习模式[4]。1961年美国芝加哥大学教授施凡布发表了科学探究的理科教学论，为探究学习模式奠定了理论基础[5]。70年代萨其曼、施瓦布等人对探究式教学进行系统调查，并建立了注重教学信息处理过程本身的探究教学模式[6]。在日常的教学过程带着问题去分析教材，创建一个类似的研究或相对专业的教学情景；学生学习也不要脱离现实，头脑也要不断地拓展，善于发现问题，从而培养自己运用所学知识来解决实际问题的能力。正如美国芝加哥大学J.J.Schwab教授强调，学生学习方法与过程，以培养学生的“创造力”，自我汲取知识的能力[7]。

一、渗流力学教学现状

渗流力学是研究油、气、水在油层中的运动形态和运动规律的科学，是以实验为基础，数学为工具，解决实际油气开发为目的的一门应用型学科。渗流力学学科概念多、公式多，体现在研究目标和对象抽象，缺少客观体验，难以用直观语言描述，理论推导特别多，使得教学过程枯燥，学生普遍有畏难情绪[8]。

传统的渗流力学教学是教师“讲解式”传授，学生“被动式”学习[9]。教学主要采用“师讲生听”的教学模式，教学往往是以“教师为圆心，教材为半径”的“传教式”的理论知识讲解过程，学生则是“封闭的课堂圈内打转”的“机械式”被动接收知识。“教”与“学”局限于“教材中心”，局限于“课堂圆圈”，是封闭式的教学过程。教学过程中教师起着“传话筒”的作用，只是单向地向学生灌输知识；学生对授课内容起“影像”作用，在大脑皮层的知识“copy”及考试时简单的“paste”过程。

二、渗流力学探究式教学模式

渗流力学探究式教学以实际渗流现象为基础，遵循学生的认知规律，以素质教育思想为指导，学生主动参与课堂教学为前提，以油气滲流力学教材为探究内容，以学生现实生活为参照对象，在教师的指导下，借助实验现象自主地探索特定的渗流物理现象，认识和解决特有的渗流问题的方法和步骤，发现渗流物理现象各因素的内在联系，找出符合特有渗流现象的规律。在渗流力学课堂教学中，实施探究式教学程序按照：引导探究→实施探究→深化探究“三部曲”的模式来实施教学。该模式下教师的任务是调动学生的积极性，促使学生自己去发现问题、分析问题、解决问题、获取知识[10]。

1.引导探究。教师根据渗流力学教学目标和教学内容要求，创设特定的教学、学习情景，引导学生进入探究教学过程。老师以生活实际为参照，创设特定的语言、形状、声色、实验等情景来真实、全面地反映或再现探究的问题，营造探究的氛围，激发学生主动参与教学的乐趣。

2.实施探究。学生根据已学的渗流物理现象，开拓思路大胆的假设，开展广泛的素材和资源搜集、整合和处理，以小组形式进行讨论、交流，充分地参与到探究教学过程。教师要鼓励学生勇于创新，大胆尝试，并对渗流情景进行分析和释疑，以帮助学生构建知识体系，获取发现问题的方法；并用欣赏的眼观点评学生探究过程的创新、思维和态度，对探究过程和结果进行优化点评，总结设定渗流情景的规律和结论。

3.深化探究。教师在已发现的规律和结论基础上，不断地提升已有的理论知识，并对设定渗流教学情景迁移到关联情景和学科；鼓励学生运用所学到的知识解决实际问题，帮助学生将知识转化为解决实际问题方法和能力。

三、叠加原理探究教学案例

接下来以渗流力学“多井干扰”一节实施的教学实践来开展探究教学模式的讨论。

1.引导探究。

[目标和要求]运用多井干扰理论和压降叠加原理解决多井生产时渗流规律。

[设置情景]在平面径向渗流时，假设在无限大地层中心有一口井生产，而实际油田生产时总是有多井的存在，这些井同时生产时会有相互的影响吗？对油井产量和压力有什么样的影响呢？遵循怎样的规律？

2.实施探究。

[猜想与假设]学生假象：（1）油田多井生产时，相互之间没有影响。（2）多井生产时相互有影响，对每口井产量减小、压力降低。

[讨论与交流]学生讨论：按照每个组4—6同学讨论。如果油井没有相互影响，根据平面径向流的压力成对数曲线分布，并不断地在地层中往外传播，传播到哪里去了呢？无限大的地层可以向无穷远传播，遇到井时能绕过去？

[分析与释疑]老师参与：我们来分析一下具体情况。为了简单起见，先讨论两口井的情况，在同一油层中有两口生产井A和B同时生产（图3）[11]。

[规律和结论]老师总结：可以看出多井同时生产时，地层压力与重新进行了分布，且服从压降叠加原理。推广到多井同时工作时，地层中各点的压力降应当是各井单独工作时在该点造成的压力降的代数和，称之为压降叠加原理。

3.深化探究。

[提升与迁移]学生参与：那为什么会有压降叠加原理的规律呢？

老师回答：一口井工作时其压力分布为拉普拉斯二阶、线性、齐次偏微分方程，根据拉普拉斯线性叠加性两个线性偏微分方程可以进行代数叠加。

学生参与：并联电路中，总的电流为支线电流的综合，那么对于这里的多井产量和压力有怎样的规律呢？

四、教学体会

通过渗流力学探究教学模式的构建与叠加原理案例剖析，使我们体会到：

1.根据教学目标和要求的情景设计，有利于把握问题方向，激发了学生对问题探究的乐趣。

2.根据学生已有知识结构，开展想象和假设，并进行小组讨论、分析，在老师的帮助下分析释疑寻找现象的规律和结论，提高了学生自主学习的积极性。

3.引导学生对规律和结果的实质探究，提升已有的理论知识水平，并转化为解决实际问题的方法和能力，培养了学生严谨、科学的探究精神。

参考文献：

[1]夏征农，陈至立.辞海[M].第6版.上海：上海辞书出版社，2011.

[2]Edmund Weiner，John Simpson.牛津英语词典[M].第2版.伦敦：牛津大学出版社，1989.

[3]靳玉乐.探究教学论[M].重庆：西南师范大学出版社，2001.

[4]招清.探究式教学的理论探讨与调查研究[D].济南：山东师范大学，2007：16.

[5]徐学福.美国“探究教学”研究30年[J].全球教育展望，2001，（8）：57-63.

[6]巩昂.我在美国上中学（高中卷）[M].北京：中国盲文出版社，2005：12-16.

[7]李明珠.探究式教学在思想政治课教学中应用研究[D].长春：东北师范大学，2013：13.

[8]雷登生，戚志林，李涧松，等.《油气层渗流力学》课程教学改革思考[J].重庆科技学院学报：社会科学版，2011，（12）：177-178.

[9]許云凤.探究式教学与传授式教学辨析[J].教育探索，2006，（7）：22-24.

[10]王春华.高校教学中采用“探究式教学”摸式探析[J].黑龙江高教研究，2004，（3）：113-114.

[11]李明川，冯其红.渗流力学教学中探究式课堂教学方法实例[J].职业教育研究，2013，（1）：102-103.

Abstract：Inquiry teaching in seepage mechanics is a teaching method that student is oriented，and participates actively into the teaching process. The inquiry teaching schema of "trilogy" for guide inquiry→implementation inquiry→deepen inquiry was analyzed，the essence of multi-well interference that can be described by the pressure drop superposition principle was inquired，and the rules on production and pressure was be inquired deeply. According to the implementation of the case，the students can understand intensively and master the learned knowledge，enhance the ability of self-directed learning and that of analyzing and solving the problems.

Key words：seepage mechanics；inquiry teaching；teaching schema；superposition principle