基于“知识建构、思维训练、能力锻炼”的课程教学体系的构建与实践

吴胜和，岳大力，尹志军，刘钰铭，李 庆

中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249

课程教学是人才培养的重要环节。虽然从教育理念上讲，课程教学应融知识、能力和素质教育于一体，但实施的效果并不尽人意，关键是如何来实施。传统的“课程教学就是传授知识”的观念仍普遍存在。知识传授固然重要，但作为大学课堂而言，思维训练和能力锻炼同样重要，甚至更重要。本文以"储层表征与建模"课程为例，探讨以知识、思维、能力教育并重为理念的课程教学体系。该课程为地质资源与地质工程一级学科的一门研究生学位课，是油气田开发地质领域的一门重要的必修课。该课程（含其前身为储层地质学及油藏描述）在我校已开设近30年。多年来，本课程教学团队持续进行课程建设，以课程知识和能力目标为导向，优化课程内容体系，建设教学资源条件，改革教学方法。本文主要介绍该课程建设的主要成果和认识，为相关课程的教学改革提供参考。

一、课程目标定位

课程目标定位是实施课程教学的前提。储层表征与建模属于油气田开发地质的研究范畴。油气深埋于地下，其分布具有很大的复杂性，油气田内复杂的储层非均质性会严重影响开发效率。储层表征与建模即是应用多学科信息和方法，定量研究控制油气开采的储层特征及其非均质性，建立储层属性三维分布的数字化模型，并评价储层空间变化的不确定性[1]。课程教学的主要任务是使学生掌握油气储层表征与建模的基本理论和方法，并提高学生进行地下地质分析和预测的能力，为今后从事油田开发地质工作奠定必要的基础。课程内容体系包括以下5部分。

（1）储层表征的内涵与信息解析：包括油气田开发对储层表征的需求、储层表征的内容与阶段性、规模与多维性、不同信息（岩心、测井、地震、动态信息）的特征及优缺点。

（2）储层构型模式与表征方法：包括构型的内涵与意义、储层构型模式、地震构型解释方法、多井构型预测方法等。

（3）储层质量差异机理与表征方法：包括成岩非均质与储层质量非均质性、储层质量差异分布的样式、储层质量单井解释与横向预测的思路和方法、储层流动单元的内涵及研究方法等。

（4）确定性建模原理与方法：包括确定性建模的基本思路、常用克里金估值方法、确定性建模环节等。

（5）随机建模原理与方法，包括随机建模的基本思路、储层相随机建模方法、储层参数随机建模方法、随机建模环节等。

从课程教学而言，知识目标主要为使学生掌握油气储层非均质的形成机理、分布样式、表征与建模的方法原理；能力目标主要为学生能够应用多学科信息对地下油气储层进行表征与建模。特别地，地下地质体“看不见、摸不着”，是一个具有很强空间分布复杂性的“黑箱”，而且用于打开这个“黑箱”的信息不完备（井少、地震资料分辨率不足）。因此，实际的储层表征与建模具有很大的难度，预测具有较大的随机不确定性和模糊不确定性[1-2]。这就要求学生不仅要掌握相关知识和专业技能（如建模方法的应用和软件操作），而且要具有较强的科学思维（逻辑推理与辩证思维）、整合多信息综合解决问题等可迁移能力。

二、教学资源建设

建设优质的教学资源是有效实施教学、提高教学效果的基础。多年来，课程团队持续进行教学资源条件建设，包括教材建设、实践资源建设、网络资源建设等。

1.教材建设

教材是知识的载体。虽然课程教学不能依赖教材，但好的教材可提供系统的知识体系，帮助学生更快地进入课程学习环境。为此，在已有学术专著及国内外最新研究成果的基础上，编著了《储层表征与建模》教材（石油工业出版社，2010），这也是我国第一部《储层表征与建模》教材。该教材具有以下主要特点。

（1）基础性与前沿性的有机结合。教材除系统介绍了油气储层表征与建模的基本理论、方法和技术之外，还注重体现国内外本领域的最新研究进展，如储层构型的模式预测、多点地质统计建模等，从而使本教材具有学术的先进性。同时，为了引导学生追踪前沿研究方向，教材专辟一章（第九章），阐述了储层表征与建模学术研究的未来发展趋势。

（2）强化地下地质研究的科学思维。储层表征与建模属于地下地质研究的范畴。教材专门论述了地下地质研究的科学思维方法，包括科学的逻辑思维和辩证思维，并且将这种思想贯穿于各个章节的编写过程中。这对于培养学生分析问题和解决问题的能力具有很大意义。

（3）便于学生自主学习。为了方便学生对教材内容的理解，教材注重内容体系的层次结构性和语言的条理逻辑性，并插入了大量的解释性图件，而且在每一章之后给出了相应的思考题以及扩展性的学习书目，便于学生思考学习，并有利于学生通过“求源、求新”的方式进行学习。

2. 实践资源建设

培养学生实际能力的重要方式是“做中学”[3]，其前提是要具备大量有效的实践资源。为此，课程团队大力建设了习题库、项目数据库、软件资源等实践资源条件。

（1）习题库。习题库为学生课后的练习题集。通过习题练习，能更好地理解和掌握相关理论和方法原理。习题主要基于野外露头和地下油田资料，如针对山西大同侏罗系辫状河沉积露头，应用激光扫描仪制作了一个长400米、高20米的野外露头数据体及连景图片。另外，精选油田实际资料，制作了大量的多井剖面和平面储层表征习题。

（2）项目数据库。项目数据库为完成一个完整的储层表征与建模项目所需的基础数据，包括岩心、测井、地震数据等，主要精选于地下油田实际资料。学生应用该数据库完成一个实际的研究项目，包括单井储层解释、剖面和平面储层分析、三维储层建模等，以锻炼学生综合分析问题和解决问题的能力。

（3）软件资源 。软件为整合数据进行项目研究的工具。根据国际上地质建模算法的开源程序，课程团队制作了一套三维地质建模学习软件，为学生学习和掌握三维储层建模的原理提供了必要的条件；另外，与软件公司合作，在教学实验室安装了常用的商业软件，如Direct软件（数字化油藏表征软件系统）、Petrel软件（三维地质建模软件）。

3.网络资源建设

为了更有利于学生的课外学习，建设了网络教学环境。课程网上资源包括课程教学大纲、PPT课件、习题库等。同时，制作了全程教学录像，为学生课外在线学习提供了有效的资源条件。

三、教学方法改革

教学方法服从于教学目标。如何达成前述的知识、思维、能力教育并重的教学目标，需要确定有效的教学方法。

传统的课堂教学以教师讲授为主，主要为讲座法，教师满堂讲、学生被动听，极端的情况即为“填鸭式教学”。这种方法是最快速的“教”的方法，可使学生快速记住和理解课程知识，并可通过死记硬背获得高分，即所谓“背多分”[4]。然而，这种方法难于使学生真正掌握知识，而且缺乏科学思维以及解决问题的能力锻炼。按照布卢姆认知目标分类修订方案，记住和理解属于低阶学习，而高阶学习包括应用、分析、评价和创造[5-6]。低阶学习难于使学生的心智和大脑得到充分发展，难于培养能思考、会创造的人[6]。如何使学生在课程教学的短时间内既掌握课程知识，又切实提升能力，需要改革传统的教学方法。

在本课程教学中，摒弃传统的知识传授的方法，而是借鉴建构主义的学习理论强化学生对知识的建构。建构主义认为，学习不是由教师向学生传递知识的过程，而是学生建构自己的知识的过程[7]，即学习者在一定的情境下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得知识。同时，通过启发性讲授和研讨，训练学生的科学思维。通过研究式实践教学，锻炼学生的专业技能以及分析问题和解决问题的能力。具体教学方法如下。

1.混合式理论课堂教学

本文所称的混合式是指翻转课堂与启发式讲授的结合，并体现课内与课外、线上与线下的结合。

将本课程理论内容分为两类，一类为较易理解的内容，这类内容与学生的已有知识有一定关联，或虽关联小但相对容易理解；另一类为难点内容，与学生的已有知识关联度小，具有较大的难度，如克里金估值方法和随机模拟方法，涉及很多数学知识。

对于较易理解的内容，采用翻转课堂教学方式。翻转课堂教学模式[8-10]是相对于传统的讲授模式而言的。在这种教学模式下，学生获取知识的主要途径不是在课堂听讲，而主要是在课前、课后自主学习，课堂上主要是教师的答疑解惑以及师生的互动交流。在本课程中，针对较易理解的内容，分三步进行教与学：第一步，教师在课堂上简要介绍知识体系的框架和要点，并提出相关问题及学生课外自学的要求；第二步，学生在课外阅读教材和参考书，并通过网络资源在线学习（课程录像、PPT）并完成作业，学生自己建构知识，并追索学术前沿；第三步，师生针对问题进行研讨，得出合理认识。

对于难点内容，采用启发式讲授教学。与传统的讲授方法不同，该方法注重思维导引，从问题出发导入课程，并在每一个PPT片子中均设计设问点、提问点和讨论点，使学生在听课过程中不断思考并进行互动讨论交流。通过步步深入的问题设置，引导学生思考和分析，得出合理认识。在这一过程中，教师通过思维导引帮助学生建构知识（而不是简单的传授知识），学生在知识建构的同时得到思维训练。

2.研究式实践教学

如何综合应用多种资料分析解决地下复杂地质问题是油气田地质人员必须掌握的能力[11]。这一能力需要通过实践锻炼来得以提升。为此，以“做中学”为教学理念，充分应用课程建设的习题库和数据库，通过项目研究进行实践训练。

在实践过程中，学生在课程知识和方法原理学习的基础上应用实践教学资源（项目数据库和软件）进行实际储层的表征与建模研究，教师则针对学生在研究过程遇到的问题进行指导。项目完成后，学生撰写研究报告，并汇报研究成果，教师和其他学生针对研究成果提出问题，师生们进行讨论交流，达到合理认识。这一过程不仅使学生进一步理解课程理论和掌握课程技能，而且可极大地提升分析问题和解决问题的能力、书面及口头表达能力。

四、结束语

通过课程建设，构建了一套以“知识建构、思维训练、能力锻炼”为理念的课程教学体系，包括基于目标的教学内容体系与教学资源、混合式（翻转课堂与启发式讲授相结合）理论教学及研究式实践教学方法。这一教学体系既有利于学生掌握专业知识与技能，而且可提升学生的思维能力以及分析与解决问题的能力，在“储层表征与建模”课程教学中获得良好的应用效果和师生们的广泛好评。教学团队主编的教材获北京市高等教育精品教材奖，课程被评为中国石油大学（北京）品牌课程。本课程团队将进一步加强课程建设，进行教学学术研究，为提高人才培养质量创建更为优越的教学平台。

参考文献：

[1]吴胜和.储层表征与建模[M].北京：石油工业出版社，2010.

[2]吴胜和，杨延强.地下储层表征的不确定性及科学思维方法[J].地球科学与环境学报，2012,34（2）：72-80.

[3]查建中.论“做中学”战略下的CDIO 模式[J].高等工程教育研究,2008（1）：1-6.

[4]罗红玲，曹代勇，方家虎,等，工程教育专业认证体系下地球科学概论教学改革浅析[J].中国地质教育，2017，26（2）：32-35.

[5]盛群力，诸献华.布卢姆认知目标分类修订的二维框架[J].课程·教材·教法，2004,24（9）:90-96.

[6]赵炬明，高筱卉.关于实施“以学生为中心”的本科教学改革的思考[J].中国高教研究，2017（8）:36-40.

[7]温彭年，贾国英.建构主义理论与教学改革—建构主义学习理论综述[J].教育理论与实践，2002,22（5）：17-22.

[8]马昌前，佘振兵，桑隆康.翻转课堂教学模式在岩石学教学中的成功应用[J].中国地质教育，2014,23（1）：44-47.

[9]LAGE M J, PLATT G J, Treglia M. Inverting the Classroom: A gateway to creating an inclusive learning environment[J]. The Journal of Economic Education, 2000, 31(1):30-43.

[10]STRAYER J F. How learning in an inverted classroom influences cooperation, innovation and task orientation[J].Learning Environments Research, 2012, 15(2):171-193.

[11]吴胜和，徐怀民，吴欣松,等，“油矿地质学”课程建设与改革[J].中国地质教育，2010，19（1）：32-35.