基于开放式实验室的石油工程专业选修课教学改革

李忠厚

一、引言

“实施创新驱动发展战略，是应对发展环境变化、把握发展自主权、提高核心竞争力的必然选择，是加快转变经济发展方式、破解经济发展深层次矛盾和问题的必然选择，是更好引领我国经济发展新常态、保持我国经济持续健康发展的必然选择。”大学教育是引领创新发展的重要阵地，这就要求大学教育的职能从单纯的传播理论定律到培养学生科学探索、科学研究与为我国经济服务的转变。延安大学石油工程与环境工程学院对石油工程专业选修课“物理法采油采气新技术”进行基于开放式实验室的教学模式改革。

二、建立模块化课程教学平台

依托地域和大学生创新创业项目优势，以培养学生实践和创新创业能力为目标，开放式实验教学已经成为大学生认识油、气田，掌握课程基本理论和石油工程采油采气前沿知识火热的物理法采油采气新技术，从事物理法开采页岩气方案编写，海上采油采气平台设计、井下工具设计以及物理法提高采收率是新技术创新的主要平台。

延安大学作为一个综合性大学，学科门类齐全，各个理工科基础实验设施基本配备到位。石油工程专业实验涉及化学、机械、物理、流体力学、计算机等各个领域，势必要求石油工程专业的学生在实验领域发散思维，不能局限于一台实验设备或者一个实验室，而是多种不同领域的实验室的结合，这些都是在开放式实验室的前提下才能办到的。

模块化课程教学平台就是在开放式实验平台的基础上建立的。选修课课程的设置不再局限于传统的一门固定的教材，而是根据系统模块化原理，以物理法采油采气新技术的工艺技术原理为基础，建立分层次，多级别的课程模块管理系统，将声波采油和声波解堵与页岩气的开发结合起来，将电磁采油和采气结合起来等整合成相对完整独立的课程模块。由学生按照培养计划要求和个人兴趣、工作需要对教学模块进行选择。从而提高学生的学习积极性，促进个性化发展和创新能力的提高。

学生在模块化课程教学平台上可以选择在开放式实验平台上进行相关的创新性实验。石油学院提供院内各实验室结合提供全流程实验平台。与传统实验教学的教师课堂讲授实验原理、理论定律，实验教师讲解实验设备操作，实验员准备实验样品不同；开放式实验室提供学生从样品的采集，样品的准备和样品的测试全流程的实验平台。由学生进行岩心钻取实验室、油层物理实验室、油田化学实验室、采油油藏实验室等各个实验室的操作，各个实验室由实验教师进行实验设备指导，学生从被动地听从安排到主动地申请各个实验室进行操作，可以根据自己的具体时间安排学习进度和相关实验，从而保证每一个学生在学完一个模块后能够获得相关的技术或者工艺技能。

三、建立多手段的教学模式

1.建立在开放式实验室基础上动画实验演示平台

学生在依托大学生创新创业项目提出自主设计的实验方案时，首先需要了解现行的常用实验设备是什么和开放式实验室平台能够提供的实验设备有哪些。这些工作在没有动画实验演示平台时很难操作的，尤其是专人负责的仪器设备；学生自身的时间和精力有限，社交资源匮乏，不能在有限的时间内筹集到需要的信息。只有在建立动画实验演示平台的基础上，学生能够在网络上查询需要的信息。最重要的是，学生可以通过网站信息平台了解到有哪些实验设备，以及这些实验设备能够用来做什么实验，这样学生在进行项目申报前就已经进行了个性思考和组织调研等具有创新性能力培养的工作了。

动画实验演示平台可以为学生自主设计的实验提供仪器设备的实验操作流程。学生在查询到需要用到的实验设备时，还需要了解这些实验设备，尤其是高精尖的实验设备它们的仪器操作步骤。很多大型設备，多是从国外进口，价格昂贵，维护费用高，维护周期长，一旦操作失误，会给国家和单位造成很大的经济损失，从而会延误科研研究和技术开发。通过建立动画实验演示平台，学生在进行大型实验设备的操作时，可以边按照平台的指示边进行实验设备的操作。比如学生自主设计的声波采油试验中，需要使用油藏工程实验室的恒速驱替实验系统。

学生在做实验准备前，必须对驱替系统的平流泵进行循环试车；这个过程要求进出水管道必须是单一液相蒸馏水，不能出现微小气泡，尤其不能混入空气；学生必须按照平台提供的实验步骤一步步进行操作，并且和显示器所显示的数据一一比对，不能有丝毫马虎。在所有实验准备工作完成以后，学生在进行驱替实验时，需要设定流体的驱替速度。设定的驱替速度必须在仪器的承受范围之内，并且要和试验样品相匹配，才能使恒速驱替实验系统在最佳的工况下运作，这些匹配的过程就是培养学生的解决问题和分析问题的创新能力。

2.建立基于教学发展中心创新研发平台

延安大学为了培养学生的创新能力，建立了教学发展中心。学生可以在教学发展中心请教不同学科的教授、副教授和校外的兼职教授，高级工程师为他们提供在常规课程中学习不到的理论知识和现场工艺的技术指导。

物理法采油采气新技术是一门与现场工艺结合非常紧密的课程。比如物理法开采页岩气中的超声雾化排水工艺就涉及水平井页岩气开采中水平井段产出地层水的超声雾化问题。页岩气在开采的过程当中常常会出现气水同产的现象，不同程度地伴有产层水进入井底，而这些产层水也会对页岩气的开采造成不同程度的影响，将会严重地影响到页岩气的采收率甚至导致停产，同时这些产层水也会对环境造成一定的潜在污染和资源的浪费。

学生在教学发展中心与来自页岩气开采一线的延长油田高级工程师经过探讨，一致认为对页岩气井气水同产的问题，主要集中在如何丰富气井资料的研究基础上，对页岩气水平井地层出水规律进行定量描述和预测，并结合气体渗流理论利用超声雾化设备进行探讨气水同流的机理。最后学生给出了自主设计的实验方案和施工工艺步骤，即收集页岩气水平井开采方式及使用量、气井产量、气井伴生产出地层水量等基础资料，确定采样方案。进行超声波雾化地层水实验，对超声波雾化地层水规律进行研究，并结合气井产量、岩心对超声波不同频率，不同功率、不同作用方式对超声波雾化模式进行刻画。准备气举试验所需材料，采集页岩气不同烃类组分的气体样品，并对样品进行前期处理，在采油工程实验室进行气举试验，分析在不同烃类组分气体流量下的携带液体的能力。最后，进行页岩气水平井超声波排水增产现场试验，给出超声波排水增产技术的工业应用模式。

3.建立校企合作模式下的现场教学模式

在实现高校创新创业和企业单位联合的创新模式指导下，为了培养学生的创新能力，可以转变单一的学校内的课程教学为校企联合的现场教学。一则可以弥补高校缺乏大型和高精尖设备的短板，二则可以锻炼学生的思考和实践能力。只有紧密和生产实际相结合，解决生产实际中出现的问题，才能快速提高学生的创新能力。

开展本科生或者研究生常驻研究院所的实验教学模式，研究院所的高级别科研人员从事的大多是开创性实验，所解决的大多都是学科前沿未曾面临的科研难题。本科生或者研究生常驻研究院所，参与这些科研实验和相关的科研小组讨论，可以极大开阔学生的眼界，学习相應的创新方法和创新思路，有利于学生创新能力的培养。

石油学院的研究生常驻位于西安的延长研究院，开发了多种物理法采油采气技术，尤其在页岩气领域。在水平井开采页岩气的过程中面临着页岩气井水平段产出水水淹的问题。为了解决这个问题，学生和科研人员进行了大量的自行设计的实验，不仅给出了相关的科研报告，还与企业联合申请了相关的发明专利，极大锻炼了学生的创新能力。

四、建立学生自主探索选修课教学和创新能力的考核体系

转变传统的课堂教师教授实验原理、实验室实验教师讲授实验设备、实验员准备实验样品，为学生根据学科前沿知识自主选择研究方向、自主设计实验方案、自行进行实验准备和实验操作、自行进行实验数据处理的自主探索实验教学体系。面临物理法采油采气新技术选修课课程中的页岩气勘探开发的学科前沿，学生自主选择了页岩气的产出机理方向，自主设计了研究页岩气的解析吸附实验方案，利用油田化学实验室和油层物理实验室以及跨学科的环境工程实验中的分光仪实验设备，给出了实验数据并进行了相关的数据处理和公式拟合，给出了相关的研究报告。

基于开放式实验室的选修课的教学不再以考核学生对技术原理和工艺知识的掌握程度为目标，而是以学生利用现有的技术手段和实验仪器进行未知领域探索和研究的创新能力的考核为目标。第一是考核学生的对学科前沿的把握程度，是否能够及时了解学科前沿的研究进度。第二是考核学生对未知领域问题的思考能力，只有深入思考，才能提出可行的实验方案，并能对实验可能出现的结果有一定的分析处理能力。因此，从选修课的选择，实验方案的设计、实验的数据处理等几个方面入手建立有利于培养创新能力的考核体系。

五、结语

石油工程专业选修课“物理法采油采气新技术”的教学改革不是简单地通过传统的单一课堂讲授原理和实验室进行本科生实验来进行学生创新能力培养的，而是通过建立在开放式实验平台上的模块化课程教学、多手段的教学模式和自主探索与创新能力考核体系上的。这让我们深深感受到，转变专业选修课教学思想，专业选修课教学手段，要进一步注重专业选修课的技术更新，才能更好地提供有利于学生创新能力培养的教学环境，提高学生动手解决实际问题的能力。

参考文献：

[1]黄晓敏，曾松荣，柯 野，等.实验室开放式教学改革与创新人才培养[J].实验技术与管理，2006，23（3）：16-18.

[2]屈 锋，程火焰，阳国峰.土木工程专业实验教学改革与创新[J].高等建筑教育，2011，20（3）.