新工科背景下岩石物理实验教学改革思路

熊健 刘向君 李玮

摘  要：为适应新工科对勘查技术与工程专业创新人才培养的要求，针对岩石物理实验教学中存在的问题，基于岩石物理实验教学的实践经验，总结了实验教学过程中存在的问题并提出了几点实验教学改革建议，使其能够更好地培养学生的工程理念、创新意识和科研精神。

关键词：新工科;岩石物理;实验教学;改革

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）12-0085-04

Abstract： In order to meet the needs of the new engineering for the cultivation of innovative talents in the exploration technology and engineering major， considering the problems existing in the rock physics experimental teaching， based on the practical experiences of the rock physics experimental teaching， the problems existing in the experimental teaching process are summarized and suggestions for the reform of the experimental teaching are proposed to cultivate students' engineering concept， innovative consciousness and scientific research spirit.

Keywords： new engineering; rock physics; experimental teaching; reform

一、概述

勘查技术与工程专业属于应用型工科专业，主要培养国土资源勘探与评价、建设工程勘察、环境勘查与评价领域的应用型高级技术人才[1]。目前，国内共有48所高校设置了勘查技术与工程本科专业，不同高校的人才培养目标不同。根据各高校设置的勘查技术与工程专业人才培养方案，这些高校的特色主要分为三类：具有石油背景高校的勘查技术与工程专业更偏重于油气勘探领域;具有地质背景高校的勘查技术与工程专业更侧重于矿产勘探领域;其它高校的勘查技术与工程专业则更侧重于岩土工程领域[2-3]。因此，勘查技术与工程专业在我国国民经济建设中具有重要的地位。

岩石物理学基础作为我校勘查技术与工程专业的一门专业基础课程，是地质学、地球物理学的桥梁，是地球物理勘探方法、解释处理技术建立的基础，其为后续测井方法与原理、地震勘探原理、测井资料综合解释、地震资料综合解释等课程的学习奠定相关基础。本课程涉及岩石的基本物性、岩石的力学性质，以及电学、声学、磁学、放射性等物理性质、产生机制、相互关系及其室内实验测定方法，具有知识点繁琐且分散、专业术语多、基本概念多、课程较抽象、实验方法多、实验技术知识点多等特点，是一门建立在以实验为基础，理论与实践并重的结合性课程。通过本课程的学习，使学生具有创新意识和掌握综合应用地质学、物理学、岩石力学等多学科知识分析岩石物理现象的能力，设计和运用岩石物理实验方法获取油气资源评价及地层其他性质评价所需参数的能力。根据西南石油大学勘查技术与工程专业的本科培养目标和《岩石物理学基础》教学大纲，该课程了除了课堂理论教学外，还包含25%学时的实验教学，这说明了该课程的实验教学环节在整个课程教学过程中占有重要的部分。实验教学是教学过程中理论联系实际的重要环节，是对课堂教学过程的延伸，是对课本理论知识的直观体现和实验验证，不仅能够帮助学生深入理解理论知识、培养学生实践创新意识，还能培养学生综合应用能力和发现、分析和解决问题的能力[4-6]。然而在教育部全面推进新工科建设的情况下[7]，岩石物理实验教学过程中存在的问题愈加显现，如教学手段不丰富、培养方式较简单、考核方式不完善等。基于此，为了更好的提高岩石物理实验的教学效果，对岩石物理实验教学进行了一些有益的改革与探索实践，以期在实验过程中培养学生工程能力和创新意识。

二、岩石物理实验教学的现状

目前，基于工程教育理念，针对岩石物理实验教学存在的问题，已经购置了配备足够的新型实验仪器，能够满足学生一人一台设备的要求，让学生能够独立的完成岩石物理实验[6]。同时在实验教学过程中，课堂主讲教师全程参与实验教学过程中，实验教师主要负责实验前的准备工作，这样能实现理论教学与实验教学的链接，利于学生对知识更深入的理解和掌握。经过几年的努力，岩石物理实验教学改革已经取得一些成绩，如已经解决了学生上实验课实验仪器不足、实验项目和实验内容少、演示性实验项目过多、实验教学和课堂教学脱节等问题。然而，在实验教学过程中仍然存在一些问题，具体表现如下：

（一）实验教学体系不完善

目前，部分国内外同类教材的内容较少、不全面，缺少岩石物理的基础概念、基础理论的介绍，不适合勘查技术与工程专业的培养要求。因此，根据我校勘查技术与工程专业的定位、发展趋势及油气特色，出版了《岩石物理学基础》教材，该教材系统阐述了岩石物理学的基本理论、基本知识和基本技能，主要包括油气层岩石的基本物理特性，岩石的力学特性、电学特性、声学特性等内容及岩石物理参数的实验测定方法[7]。根据西南石油大学勘查技术与工程专业的本科培养目标和岩石物理学基础教学大纲，该课程设置了4項实验项目，包括“岩心孔隙度的测定”、“岩心渗透率的测定”、“地层因素和电阻率增大系数实验”和“声波纵、横波速度及衰减系数测定”[6]。这些实验都属于验证性实验项目，验证性实验是根据已知的属性、特征以及与其他因素的关系，通过实验过程来重新验证结果是否与已知的规律一致，强调学习实验测试方法。通过这些实验的训练，学生可巩固和加强对岩石基本物理特性、岩石电学和岩石声学等知识的理解，并培养学生的实验操作能力，但该课程设置的实验缺少探究性或设计性实验项目，无法培养学生的独立自主思考能力、观察能力、创新意识等。

同时，实验教学仍然采用传统的教学实验模式进行，如“理论讲解-仪器详解-演示-操作”模式，即主讲教师先详细讲解实验目的与原理，后详细介绍实验仪器，再跟学生演示实验，然后学生再根据教师讲授的方法和实验流程进行实验操作，更多的是机械性模仿实验操作，虽然实验过程中能提高学生的动手能力，但也会使学生缺少思考和分析创造的意识。学生按部就班地完成实验任务会使学生缺少对实验的热情，进而使学生忽视实验的重要性，不能通過实验训练过程进一步提高理论教学效果，即不能使学生意识到实验课学习与课堂理论学习具有等同的重要性。

（二）实验考核方式不完善

目前，实验的传统考核方式主要以实验报告作为考核依据，而实验报告主要由实验目的、实验原理、实验设备、实验步骤、实验数据、实验数据处理等部分组成。每个实验都是学生按部就班地进行仪器操作，按照老师所讲的步骤获取并处理实验数据，并得到相似的实验结果，学生所写的实验报告按照老师所讲格式完成，这些实验报告大都千篇一律，不能展现出学生的创造性，不能挖掘出优秀学生的潜力，使优秀的学生得不到很好的展示。通过这种考核方式不能培养学生的创新意识，也不能激发学生对实验的热情，更不能培养学生发现、分析和解决问题的能力。以往岩石物理实验准备过程主要由实验老师和主讲老师共同完成，学生参与度低，造成学生对实验设备不熟悉和对实验仪器操作了解少，也造成学生不知道实验课前应该准备什么。实验课堂上很多学生都是机械地模仿老师的演示步骤，缺少主动性，不能培养学生的独立自主思考能力和创新能力。通过实验考核方式的改变逐渐引导学生由被动改成主动，在这个过程中培养学生的创新能力、动手能力。

（三）工程理念培养不足

勘查技术与工程是一个应用型较强的专业，在新工科背景下，更需要培养学生的工程能力，使学生具有工程理念。以往岩石物理实验教学过程中忽视了学生工程能力的培养，实验教学中忽视了通过室内实验测试获取参数后，未突出岩石物理参数在工程中的应用价值，实验教学中脱离了实际应用，并没有将理论与实践更好的结合起来，从而不能较好的培养学生的工程能力和综合应用能力。岩石物理实验过程中应该从工程角度来强调岩石物理参数实验获取方法的重要性及其应用价值，从而培养学生的工程理念。

三、岩石物理实验教学改革思路

（一）完善实验教学体系

在新编岩石物理学基础教材的基础上，形成与之相匹配的岩石物理学实验教材，可以方便学生在课堂理论学习的同时，从实验教材也能对实验过程的直观理解。岩石物理学是一门建立在以实验为基础，理论与实践并重结合的课程。因此，根据岩石物理学基础大纲和学校教学条件，构建并完善实验教学体系，即岩石物理实验可分为演示性实验、验证性实验、探究性实验。

1. 演示性实验项目。该实验项目可通过微课、PPT等多媒体课件、实验视频、实验动画等形式在课堂展开，加深学生对教学内容的认识和理解，这部分实验项目主要是属于比较简单的实验项目或受限于实验教学条件的限制，如岩石压汞实验的动画、岩石单轴/三轴压缩实验视频或动画、岩石直剪实验视频或动画、不同介质中的声波传播特征的动画等等。通过这些实验的演示，有助于学生加深对这部分教学内容的印象，从而提高教学效果。

2. 验证性实验项目。一般选择相对比较重要的原理或规律作为验证性实验内容进行设置，如该课程已设置的四个实验项目，改变传统教学模式，需要对这四个实验的原理和实验所需的仪器功能和操作进行充分整理，且对实验讲解或操作进行视频录制，实验前分享给学生，让学生能有充分的预习时间。然后借助学校网络资源建立岩石物理学开放性课程，包括实验教学平台，将实验视频、实验材料等资源进行网络管理，让学生能安排时间学习，对实验能进行充分的预习，利于学生带着思考完成实验。

3. 探究性实验项目。新工科背景下的勘查技术与工程人才培养方案对课程学时压缩较多，在保证验证性实验条件下，难以划分更多学时安排探究性实验项目。针对这种情况，在验证性实验项目中，增加一些探讨性内容，使实验项目既能有验证性实验的特点又能具有探究性实验的特点。例如，对于“岩心渗透率的测定”实验项目，可测试多组不同压差的气体流量，从而获取流量与平均压力（入口压力与出口压力之和的一半）倒数间关系，能否进一步获取岩石等效液体渗透率;对于“地层因素和电阻率增大系数实验”实验项目，可与“岩心孔隙度的测定”相结合，探讨同一块岩石气测孔隙度和液测孔隙度之间差异，且可进一步设计实验获取不同岩性岩石岩电参数，并探讨不同岩性岩电参数差异及差异的原因;对于“声波纵、横波速度及衰减系数测定”实验项目，可进一步设计实验获取不同岩性岩石声波速度或衰减系数，探讨不同岩性声波速度或衰减系数的差异及差异的原因。

针对岩石物理学实验，根据教学条件或教学内容将岩石物理学实验进行分类，采用不同教学手段完成教学，从而构建并完善该课程实验教学体系。这有助于学生加深岩石物理理论知识的理解，能激发学生对岩石物理实验的兴趣，也能培养学生的动手操作能力，还能培养学生分析和解决问题的能力。

（二）完善实验考核方式

目前，实验的考核方式不能仅仅是以实验报告为依据，需要从多方面进行，形成以学生为主体的考核方式，从而激发学生的实验兴趣。通过考核方式引导学生加强实验课前预习，加强实验设计能力，加强实验过程管理，实验数据记录完整且严谨，加强实验数据处理能力，其中实验数据处理除了在实验报告中有所体现外，还在课程结业考试中也应考查学生的实验数据处理能力。通过考核方式改变使学生对实验态度由被动变为主动，并重视实验实践能力，养成良好的记录习惯，从而提高学生的实验素养。同时，对于设计性实验，鼓励学生通过文献资料自主完成，并在考核过程中加大设计性实验所占比重，充分调动学生的积极性，提高学生的综合设计能力，体现出学生创新能力，形成相应的考核评分指标。此外，针对实验报告完成质量部分，实验报告中要有完整的实验数据处理，以及在课程结业考试中增加实验数据处理能力的考核，以强调实验数据处理能力的重要性，让学生重视实验;在获取实验结果基础上，要求学生对实验结果分析，如不同岩石声波速度的差异等，强调实验结果的工程应用情况分析，培养工程能力;在实验报告最后，要求学生在完成实验内容之后，能把实验过程中遇到的问题以及解决方法进行总结，并认真总结自己在实验过程中学习心得和认识。这些在实验报告质量评价中应该要有所体现，才能充分激励学生认真对待实验报告，不是草草了事写完实验报告而已，而是要学会对数据处理、学会分析实验结果、学会总结，从中提高自己分析问题的能力和综合应用知识解释物理现象的能力。综上，提出实验成绩考核方式，由以下部分组成：（1）出勤、预习（10%）;（2）实验设计、实验操作等（20%）;（3）数据处理、结果分析、工程能力等（40%）;（4）实验报告质量（10%）。

（三）完善开放式实验教学条件

与课堂理论教学相比，实验教学的时间安排较灵活，一般不纳入统一的课程安排，是对课堂理论教学的一种补充。在完善岩石物理实验教材建设和多种教学手段建设等之后，应鼓励学生自己自主预习实验，对实验仪器有所了解，并对实验操作有所理解基础上，在实验老师对学生进行安全和仪器操作考核后，容许学生自主选择时间完成所设置的实验项目，这样能提高学生的思考能力、动手能力、观察能力。或者当发现在实验课上自己实验数据完成质量不高需要重新完成实验时，也应该容许这部分学生根据时间重新完成实验。这就要求工作日期间实验室定期开放，保证学生能根据自己时间合理安排时间完成实验，也能在一定程度上提高实验设备的利用效率。同时，在学生对实验原理理解基础上，并对实验仪器功能和操作熟练的情况下，也可鼓励学生根据实验条件自主设计实验项目，激发学生学习兴趣，既能培养学生的工程设计能力、综合应用能力，也能提高学生创新意识。此外西南石油大学地球科学与技术学院本科生每年都可申请“院级创新创业开放基金”、“校级开放性实验”、“省级大学生创新创业训练计划”、“国家级大学生创新创业训练计划”等四个层次项目，项目可自由申请，申请对象不受年级限制，申请项目可由老师拟定，也可由学生根据兴趣拟定。依托学院已建立的岩石物理实验室，通过多层次级别项目的申请，通过开放性实验或训练计划激发学生的科研热情，逐渐引导学生开展自主、半自主科学实验研究，在这个过程中树立团队合作精神，培养学生的人际交往能力，培养学生发现、分析和解决问题能力，培养学生的科研意识和工程理念，增强所学知识综合应用能力和科研创新能力。

四、结束语

新工科背景下，各个高校都加强了对各专业的创新型人才培养力度，实验教学在人才培养方面起着重要的作用。然而，传统的实验教学对学生工程能力、创新能力和综合能力的培养不够重视，无法满足新工科对《岩石物理学基础》课程实验教学的要求。通过构建实验教学体系，完善实验教学考核方式，完善开放式实验教学条件等措施，激发学生的学习热情，提升学生的动手能力，增强学生的工程能力，这对培养实践能力强、综合应用能力强，具有工程理念、创新意识和科研精神的人才具有重要现实意义。

参考文献：

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