“新工科”建设理念下油田化学教学改革探讨

朱道义,秦文婷,董 杰,赵岩龙,李小迪,黄 瑞,王镇全

(中国石油大学(北京) 克拉玛依校区石油学院,新疆 克拉玛依 834000)

石油类高等教育的快速发展对国家能源经济发展有很重要的作用,石油类工程教育与石油工业发展密不可分。为了主动应对新一轮产业变革、满足“中国制造2025”的人才需求,2017年教育部积极推进“新工科”培养战略,先后形成“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”。针对新工科“天大行动”的愿景与行动,张大良[1]提出新工科建设的六大理念,即“问产业需求建专业,问技术发展改内容,问学校主体推改革,问学生志趣变方法,问内外资源创条件,问国际前沿立标准”,为新工科专业培养方案与课程建设指明了方向[1]。新工科着眼于未来,其核心目标是培养伟大的工程师,即应用自然之理进行伟大创新的人才[2]。

随着中国几大石油公司近年来不断地进行业务重组、改制及裁员等,石油工业生产一线油田化学专业应用型和研究型的人才十分短缺[3]。为适应“新工科”的建设与发展要求,油田化学专业应该更加强调应用性以及和其他工程学科的关联性,注重培养高素质的复合型油田化学专业人才[4]。针对目前石油类高校中“油田化学”课程往往存在学生理解困难、书本知识陈旧、与现阶段石油工业上游领域实际脱节严重等问题[5],必须精选教学与实验内容、采用先进的教学方法和手段、增加课程研讨以及鼓励企业导师进校园等方法,构建“新工科”建设理念下应用研究型专业人才培养的内涵发展模式,以期为相关工程专业课程的教学改革提供参考。

一、精选课堂教学内容,重视实验技能和创新意识

近年来,中国各大高等院校为了探索教学模式,学习与总结国外教育经验,逐步下调了大学生的最低学分要求,主要目的是为了缩短课堂学习时间,增加学生的课后主动学习时间。

油田化学课程作为石油类高等院校的核心课程之一,是石油工程、化学工程与工艺以及油气储运工程等专业限选课,为各专业开设的其他发展科目提供知识基础(如图1所示)。然而,由于总课时的压缩,使得油田化学的一些支撑科目,如油田基础化学、高分子化学与物理、石油工程概论等无法全部开设。其次,油田化学的许多发展科目,如石油工程专业的钻井液工艺学、采油工程、钻完井工程等课程以及油气储运工程专业的油气集输、储运装备腐蚀与防腐等课程的课时也相应地大幅度下调。另外,大多数石油工程专业主干课程中通常将涉及油田化学相关的知识省略,例如,钻完井工程课程中的钻井液与完井液,采油工程课程中的酸液与压裂液等内容。因此,油田化学作为一门综合性强且内容繁杂的课程,有必要针对不同专业对教学内容进行重新优化。

图1 以油田化学为中心的课程体系建设

为了服务新形势下“一带一路”建设和国家能源领域石油工业的产业需求,根据石油院校“产业导向、行业牵引、学科交叉”的专业特点,对新形势下适应石油工业发展的油田化学课程体系进行重新设计。表1是2018—2019学年中国石油大学(北京)克拉玛依校区针对不同专业优化后的油田化学课程内容。针对目前油田化学支撑科目不足的情况,在油田化学课程中添加“高分子化学”、“表面活性剂化学”以及“储层岩石与流体化学”等油田基础化学知识,既能使学生初步了解并掌握油田化学课程所需的相关化学理论基础,又可以减轻学生修读所有支撑科目带来的负担。当然,在教学条件允许的情况下,提倡并鼓励开设上述支撑科目作为公选课程,感兴趣的同学能够在本科期间就打下扎实的油田化学基础,利于其在研究生阶段的科研发展。对于油田化学核心知识,课程设置中仍然保留着“钻井流体化学”“压裂液化学”“化学提高采收率方法”以及“油田产出流体处理方法”等核心内容,能够满足学生掌握基本的油田化学学习与研究方法,也能满足学生毕业后5年内的工作需要。这是因为新形势下随着中国适应国际石油资源结构的不断调整,高含水油藏剩余油的进一步挖潜以及非常规(致密油气藏、页岩油气藏)油气资源的开发逐渐成为重点与热点。剩余部分内容可以作为自学内容,或视不同专业进行删减。

表1 针对不同专业优化后的油田化学课程内容

*包括应用化学专业、化学工程与工艺专业、油气储运工程专业等;**视不同专业部分内容进行删减或自学。

上述油田化学课程内容改革措施,体现的是油田化学课程改革过程中紧密围绕新工科“问产业需求建专业,问技术发展改内容”的建设理念,为培养新时代新疆油区以及中亚地区复合创新型石油工人建立夯实的课程知识体系。

结合新工科“问学校主体推改革”的改革理念,作为应用研究型大学,学校需首先保障在油田化学教学与科研实验室建设方面的资金与人员投入。在有限的课时条件下,给石油主干专业安排充足学时的实验课程,使学生能够熟悉上述常见油田化学工作液的配制方法以及评价手段,掌握先进测试仪器与设备使用方法,锻炼学生的动手能力。结合新工科“问学生志趣变方法”的改革理念,在学生课余时间充裕的情况下,为上述所有实验项目提供综合性设计创新实验方案或思路。例如,在“钻井液的配制与性能测试”实验中,通过自行设计方案,参与分组合作,考察降黏剂浓度的影响实验,这不仅让学生进一步熟悉各化学添加剂的作用机理,还培养学生独立思考、自主学习、相互合作的能力,将理论与实践紧密结合起来,为培养学生的创新意识打下基础[6]。在2018—2019学年的实验教学过程中,全体石油工程专业学生积极参与综合性实验,厚实的实验报告反映出学生对油田化学实验的浓厚兴趣。2019年,在全校范围内开放钻井化学实验室、固井化学实验室以及采油化学实验室等平台,接受全校师生的实验预约,这也是按照新工科“问内外资源创条件”发展理念的另一具体改革措施。接下来将进一步探索创建新疆油区校企共建的油田化学实习实训基地,使学生所学知识与新形势下油田亟需技能紧密衔接。

二、结合“雨课堂”“MOOC”等先进教学方法改革互动模式

针对油田化学化学原理复杂以及课程内容多、课时相对较少的现状,在课堂教学中,可以增加“微课”辅助油田化学进行教学,通过图像、动画以及短视频等使学生的多种感官同时接受信息,将抽象知识转变为直观感受[7]。例如,结合“雨课堂”“MOOC”短视频等先进的教学方法和手段,加强课程的新颖性。在2018—2019学年教学过程中,针对“储层岩石化学”这一知识点,播放MOOC在线课程“石油工业概论”中的相关视频,视频中老师展示不同储层岩石的类型、形貌、润湿性等。让学生们对储层岩石有非常直观的了解。当然,在后期教学改革中,可以自主设计并制作短视频,方便教师对某个知识点或专题进行解析,利于学生课外观看。

另外,目前微信的使用频率非常高,几乎所有的老师和学生均使用微信进行日常办公、沟通与交流。“雨课堂”作为近几年新开发的课堂教学工具,能够直接嵌入在原始的PPT中,采用其在微信手机客户端上的网络预习功能,可以使教师在课前将课程演示PPT在线发送给学生,学生可以进行提前预习,并对布置的预习习题进行作答,对不理解的内容进行标识。此外,老师可以在课堂教学过程中进行有目的的讲解,加强师生间的联系,并使学生由被动学习型转变成主动学习型。“雨课堂”插件中增添“习题”功能,每位学生可以利用手机登陆终端进行回答,解决常规课堂在签到、讨论、答题等师生互动方面存在的缺陷,提高所有同学的参与程度,并可以利用“雨课堂”的随机点名功能,让学生对该题进行回答与解释,增强课堂活跃氛围。鼓励教师在教学过程中使用先进教学方法改革课堂教学互动模式,是油田化学课程按照新工科“问学校主体推改革”的又一具体改革措施。只有学校认可并鼓励课程改革,才能使改革最终推向成功。

三、增加课堂研讨，完善考试环节

为了进一步改善各专业学时下调带来的不利影响,可以尝试鼓励学生利用丰富的课余时间进行自主学习,进一步深化新工科“问学生志趣变方法”的建设与改革理念。例如,在课程结束之前增设2课时的“文献调研与课程研讨”,进一步丰富课程的类型,2018—2019学年化学工程与工艺专业学生自主选择的研讨内容为“纳米技术或纳米材料在油田化学中的应用”,学生能够充分利用课余时间查阅资料,发散思维,并利用网络学术资源自主学习油田化学领域的新技术或新体系。最后,以班级为组自行设计PPT并充当教师的角色进行讲解,使学生翻转课堂,转变成课堂的主人,锻炼学生的自学能力、思辨能力以及创新意识。化学工程与工艺专业2017级3个教学班的研讨题目分别为“纳米技术在钻井液中的研究新进展”“纳米颗粒调控压裂液体系性能研究进展”“纳米驱油技术综述”3个主题,学生准备充分,课堂氛围活跃,整个研讨课时虽然短暂,仅有2个学时,但学生课下花耗了大量的时间进行调研与整理材料,并成为课堂的主人,加深对所学油田化学知识的理解。

为了鼓励学生的自主学习兴趣及动力,积极参与课堂研讨,可以提高研讨部分在总成绩中的占比,研讨部分的成绩可以占总成绩的10%,加上实验成绩占比20%和平时课堂表现占比10%,大大降低期末考试的成绩占比,这不仅能够有效解决以往考试成绩构成单一带来的不利问题,还能让学生了解学科前沿知识,进行批判性思维,并能锻炼其论文写作与汇报演讲能力。

四、提升教师科研能力、鼓励学生参与创新项目

师者,传道授业解惑者也。教师综合素质的提升是新教学计划顺利完成的根本保障[8-9]。对于油田化学这门集化学知识与钻井工程、采油工程以及油气集输工程于一体的综合性学科,要求授课教师应该充分了解课程内容。目前中国石油大学(北京)克拉玛依校区油田化学课程主讲教师均有出国留学背景,但青年教师的比例目前比较高,因此仍需要进一步加强师资建设,并且要求青年教师完成油田实践锻炼,譬如,去油田企业从事博士后流动工作,提高其工程意识。鼓励教师从事相关课题的研究工作,支持教师进行学术合作与交流,结合学术前沿以及自己的研究成果,有意识地去制作一些与“新工科”紧密相关、具有针对性的课程内容。例如,结合新疆油田现阶段吉木萨尔致密油藏压裂增产过程中遇到的化学问题,设计新型压裂液体系等课程内容,利于学生在理解常规性油田化学知识的同时,还能掌握学术前沿问题。另外,鼓励学生积极参与教师的科研项目,或者“问学生志趣”申请与新形势下石油工业密切关注的油田化学问题相关的创新研究项目,指导教师辅导其自主完成课题,巩固学生的理论知识,并培养学生的应用实践能力。目前有多名学生成功申报国家级和新疆维吾尔自治区大学生创新项目,学生的创新能力明显提升,改革效果初步体现。

五、鼓励企业导师进课堂,实现“产—学—研”一体化

中国石油类高等院校通常建立在石油公司附近,例如中国石油大学(北京)地处首都北京,有许多石油研究院、设计院以及海外石油公司,中国石油大学(北京)克拉玛依校区地处油城克拉玛依市,附近有新疆油田、塔里木油田以及西部钻探等石油公司。因此,可以充分利用企业中经验丰富的高级工程师和教授级高级工程师,聘请他们成为企业导师,讲解2～4课时课程,例如,新型钻井液或压裂液的现场调配与评价等。采用以“油田项目”为主线组织企业导师教学过程,将“学以致考”转变为“学以致用”,强调项目实践过程中知识的系统性和完整性[10],让学生感受到学习的油田化学知识是如何实现在“新工科”背景下的学以致用的。此外,校企双导师共同挑选合适的毕业论文课题,突显毕业论文质量的新工科特色,以便进一步培养学生在应用所学油田化学理论知识解决油田生产实际问题的能力,促进传统工科专业向新工科专业转化。通过产学研协同育人计划,创建油田化学实习实训基地,符合新工科“问内外资源创条件”的建设与改革理念。

六、结束语

结合新形势下新疆油区的发展需求,在“新工科”建设理念下对油田化学的教学内容进行精选与优化,并充分保障学生能够利用业余时间进行油田化学综合性实验与开放实验的实验条件与技术指导,利用地处新疆的地理优势增加企业油田化学专家的授课学时。这些创新性的油田化学教学改革方法,使课程内容更加贴近新形势对石油类应用研究型人才的需求。学生参与油田化学实验与课题研究的兴趣日益浓厚,课程成绩显著提升,动手能力和批判性思维能力明显加强。但同时在“问产业需求建专业,问国际前沿立标准”等建设理念的实施过程中仍存在一些改革局限,后期的教学改革过程中会进一步鼓励企业油田化学专家在学校增设油田化学领域相关的专业选修课程,并争取开设油田化学双语课程,使学生所学更加满足国际前沿标准与国内石油产业发展需求,进而成为高素质的复合型油田化学专业人才。