专业认证背景下的油藏数值模拟课程建设与人才培养

张益　刘峰　阮敏　马先林　袁士宝

摘  要：随着教育逐渐进入专业认证模式，由規模扩张阶段进入注重质量、发展内涵、注重锻炼学生实际运用知识能力阶段，如何应用现代教育技术丰富教学形式、提高教学效果，是亟待解决的问题。通过选择“理论与实践课堂”相结合的新模式，使学生不仅可以享受新的学习模式带来的学习效率的提高，也避免出现复杂的公式和生僻知识点带来的学习挫败感。使学生将理论和实际联系起来，掌握油藏数值模拟这门工具，为今后从事石油专业工作打下坚实的基础。

关键词：油藏数值模拟;教学实践;教学改革;人才培养

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2020）23-0071-03

Abstract： With the education gradually into the professional certification mode， from the expansion stage to focus on the quality and connotation， pay attention to the training of students practical knowledge ability stage， it is an urgent problem to be solved that how to apply modern education technology to enrich the teaching form， improve the teaching effect. By choosing the new mode of "theory and practice classroom"， students can not only enjoy the improvement of learning efficiency by the new learning mode， but also avoid the frustration by complex formulas and outlying knowledge points. Let the students contact the theory with the practice and grasp the tool of the reservoir numerical simulation， which will be engaged in the petroleum professional work in the future to lay the solid foundation.

Keywords： reservoir numerical simulation; teaching practice; teaching reform; cultivation of talents

一、概述

油藏数值模拟是唯一的一个应用计算机手段，解决油气藏开发中合理开发方案的问题，通过对合理开发方案的设计，预测油藏的含水率、压力、采出程度、流体动态分布等动态参数，为油气藏高效率低成本开发提供指导[1-2]。“石油工程专业人才培养方案”指出，本专业的人才培养目标是“掌握本专业所必须的工程科学基础理论和专业知识，接受石油工程师基本训练，具有较强的工程实践能力、团队协作能力和创新意识，具备综合应用所学知识分析和解决石油工程实际问题的初步能力，具有一定的组织管理能力和创新意识”[3-5]。油藏数值模拟课是在学习完油藏工程、采油工程、渗流力学、油层物理等专业课的基础上，对石油工程专业知识的实际应用和升华。因此，油藏数值模拟课对石油工程本科生来说，是专业性最强，知识要求能力较高的一门课程。学好该门课程，对今后从事石油行业具有重要的帮助作用。

二、油藏数值模拟教学和学习中存在的问题及分析

油藏数值模拟是石油工程专业学生的必修课，油藏数值模拟课程对培养学生正确的科学思维方法和分析问题、解决问题的能力，为今后从事石油开发生产和科学研究具有至关重要的作用。然而，往往课程结束后，学生不能真正掌握油藏数值模拟的基本原理，不能应用油藏数值模拟解决实际油田开发中的问题，个别学生甚至连基本模型都解释不清，数值模拟课程和油田开发实际应用之间的鸿沟也难以解决。

分析其主要有以下几个方面原因：

1. 数学和专业课基础薄弱。油藏数值模拟课程包括了渗流力学、油藏工程、油层物理和高等数学等专业知识。对学生的数学知识和专业知识提出了更高的要求，如果上述课程学习不好，会严重影响到对油藏数值模拟课程的学习。以往的课程教学以老师教为主，学生听为辅，只完成对书本内容的讲解，没用系统化的实践环节，造成学生学习难度大，兴趣不高，看到复杂的公式难于理解，对所学知识的实际应用更是模糊不懂，难以建立学习和实践之间的桥梁。

2. 油藏数值模拟课程内容教学容易没有一条主线，系统性不强。油藏数值模拟课程概念抽象、难懂、公式多，教师在有限的时间内很难讲清楚所有内容，如基本数学模型的建立、偏微分方程的离散化、线性代数方程组的求解与一维、二维油藏数值模拟的解法之间衔接不够紧密，教师在花了很多时间仔细讲解每一部分内容后，学生只是孤立理解了每部分的内容，对前后内容之间的逻辑关系不明白，没有建立所学知识的一条主线和框架，使得学生没有很好地掌握这门课程。那么怎样让教师教好，学生学好，是摆在当前的一个要迫切解决的问题。

3. 由于课时有限，部分教师对实践教学重视不够。部分教师只是简单地将数值模拟的黑油模型、组分模型、IMPES方法、历史拟合和数值模拟在油田开发中的应用等知识进行了讲述，未将理论与实际之间的联系进行讲解。课程结束后，学生往往连油藏数值模拟课程的作用都不清楚。

4. 学生缺乏实践的实验室和软件，缺少实践的机會。受限于国际通用的油藏数值模拟软件不能在教学中应用，严重制约了学生的软件实际操作能力，学生对理论知识、油田开发生产实际之间的桥梁——油藏数值模拟软件认识不清。

5. 很少有学生去针对理论知识，提前主动地预习课程，课后提问题，这种被动的学习方式不利于培养学生的学习能力、动手能力和解决实际问题的能力。

6. 课程考核方式不合理。目前的考试方式主要是基于卷面成绩，平时成绩主要参考学生的考勤和作业，没有将实践环节纳入考试范围，忽略了油藏数值模拟课程实践考核的重要性。

三、教学改革方案及措施

所谓“理论与实践课堂”，是在传统教学模式的基础上，充分运用现代教学设备、教学软件、教学方法和新的考核方式，注重学生对油藏数值模拟课程实际应用能力的培养，提高学生解决实际问题的能力和综合素质的培训。

1. 丰富教学内容。（1）精讲多练，着重应用，分清主次，重难点要舍得花时间;（2）在讲清基本概念、基础理论的基础上，导入专业课知识，并与现场生产实际紧密结合，适时引入现场新技术和新方法，充实和完善教学内容，让学生不断学习专业知识，触类旁通，通过专业知识巩固基础知识，不断重复，螺旋式进步;（3）制作高质量的多媒体课件（flash动画、CAI课件等）[6-7]，最大限度地发挥多媒体技术的优势，使多媒体科学技术作为教学技术辅助手段而不是唯一手段，要适时使用板书讲解公式，详细推导关键知识点，详细解释每一步骤的过程，如黑油模型的IMPES解法，建立推导黑油模型的逻辑思路。同时，用多媒体和录像以图片和动画的形式展示从储层到三维地质模型到多相流体的渗流、流体饱和度变化和油水分布等演变过程，加深学生对油藏数值模拟的直观理解。

2. 加强实验室建设，注重实践教学。学校已建成油藏数值模拟专用实验室，随着我校和斯伦贝谢公司协议的签署，该公司将向我校免费捐赠Eclipse软件，充分利用该软件，改变仅进行理论知识的讲授，学生不能参与实验环节指导的现象，让学生将所学理论知识和实际应用充分结合。同时，加大实践教学成绩在课程最终考核的比重，督促学生重视实践教学，通过项目的实施改变理论知识与实践相脱节的局面。

3. 强化创新思维能力培养。（1）鼓励学生自己编写简单的数值模拟软件，如一维两项流，二维二项流等，通过软件程序编写，加深对理论知识的理解和掌握，并将所编写软件积极申请软件著作权;（2）采用项目驱动式的教学方法，提高应用能力，鼓励学生参加大学生创新项目和石油工程设计大赛，将所学的理论知识，软件应用能力和油气藏开发生产实践相结合，解决油气藏开发中的实际难题;（3）“引路导航”，变教学生“学会”为教学生“会学”，根据教材内容，有重点地给出一些教材中简单的、可以深入思考的问题，如历史拟合，网格取向等一些重要的知识，可以让学生查阅文献（CNKI、Elsevier、Springer、ACS等）去搜索（Google学术、百度学术、百度文库）新答案，并培养学生的归纳知识能力。在每一章结束后，让学生自己整理知识要点，在头脑中形成有序贮存，并在网络连接点上繁衍出新的知识生长点，运用自己已有的知识解决问题，实现由思维定势向创新性思维能力发展。

4. 改进课程考核方式。增加实践课程考试环节，课程考核由理论考核和实践考核构成，注重培养学生的创新能力和解决实际问题的能力。

四、教学改革实践

根据研究方案的任务和要求，在较广泛、充分调查研究的基础上，进行教学改革实践。

1. 加深了学生对油藏数值模拟课程内容的理解。通过编写二维二相数值模拟程序，学生得以进到“数模黑箱”，深刻理解数模的计算过程和所采用的算法，对数值模拟书中公式的简单理解与软件实际应用之间的“鸿沟”，有了深刻的领会，为将书本知识应用到实际油藏的模拟开发奠定了基础。

2. 拓展了学生对油气田开发知识的视野，通过油藏数值模拟软件的应用，使其成为学习石油工程知识一个重要的辅助工具。通过学习Office模块自带的11个例题，使学生掌握局部网格加密、流线模型、组分模型、煤层气开发、历史拟合等油藏数值模拟知识，提升了学生应用软件的能力。

3. 提升了学生应用数值模拟软件解决实际油藏问题的能力。通过实际油藏的简单地质模型，学生将所建地质模型导进Eclipse软件，逐步导进高压物性参数、油藏物性参数、井的生产历史数据、相渗数据，并经过历史拟合，制定合理的开发方案和调整方案，最终得出最优开发方案。

4. 建立了油藏数值模拟考试模式的多样化和系统化。为了锻炼学生的创新能力、实践能力和解决实际问题的能力、提升学生对油藏数值模拟课程的兴趣，通过期末试卷考试、编写数值模拟软件、建立机理模型、油藏数值模拟软件的实例应用，将以上四部分内容作为学生的最终成绩。

5. 加强教师队伍建设，加强教研组老师的交流。新教师跟教学经验丰富的教授多听课，掌握先进的教学方法，并辅导学生的作业。教研组老师定期开交流会，就课程教学中遇到的问题，考试方式的设置等问题进行积极沟通。

五、教学改革效果

1. 理论应用于实际，使理论教学与实际应用和学生综合素质的培养相结合，提高了学生解决实际问题的能力。通过实际油藏模型实例，学生逐步将数据加载到软件中，完成历史拟合，采收率、含水率、油藏生产动态预测等内容。独立完成简单油藏数值模拟方案制定和调整，并提出最优开发方案，将书本知识应用于实际，解决了理论教学和实践教学相脱节的问题。

2. 构建基于知识、能力、素质协调发展的课程考核模式，建立了多样化考核模式，加深学生对所学课程的理解，强调“以学生为中心”的教学理念。从理论考试、软件编程、实际应用等方面，全方位考核学生对油藏数值模拟课程的理解。培养学生创新能力、独立解决问题的能力。鼓励学生自主创新，加强理论与实践的培养，编写了油藏数值模拟二维二相黑油模型程序，已申请3项软件著作权。

3. 改革和完善教学体系与课程内容。根据不同的教学内容特点和具体的教学情况，采取不同的与之相适应的教学方法。例如：黑油模型和IMPES解法这类理论性强、内容多、具有一定深度和难度，又是本课程的重点内容，我们则遵循“少而精”的教学原则，以讲授法为主，力求深入浅出，化繁为简，化难成易。在讲清概念的基础上，注重理论的应用，引导学生应用渗流力学理论分析和讨论油气田开发生产中出现的问题，激发学生学习欲望，使学生学会知识迁移，提高学生的综合分析能力和创造性思维能力。

六、结束语

“理论与实践课堂”是石油工程专业人才培养的目标之一。“理论与实践课堂”的培养要从提高学生的动手能力开始。课堂教学中，教师应与学生多互动，鼓励学生发现问题，提出问题，通过实例解决问题，达到培养专业石油人才的目的。

1. 建议应用智慧树、学习通等现代教学方式，充分利用学生手机、网络，手機的使用变堵为疏。学生课堂未听懂和不明白的地方，可以通过视频进行自学和复习。同时，在网上可以和老师、同学进行交流。

2. 加强实验室软硬件建设，加大实验室开放力度。整合学校计算机学院、电教中心、石油工程学院的综合教学实验室，建设油藏数值模拟综合教学实验室。拟定实验室开放计划，制定基础实验室开放的管理办法和相关制度，建立开放实验室和实验项目的预约登记制度，学生可以通过预约上机时间。制定激励措施，鼓励本科生参加科技创新立项和石油工程设计大赛、教师科研项目。

参考文献：

[1]陈朝晖，连运晓.“油藏数值模拟原理”兴趣激发式教学方法研究[J].石油教育，2016（06）：29-31.

[2]王长权.油层物理本科实验教学探索与改革思路[J].教育现代化，2015（15）：112-113.

[3]张士诚，翟应虎.石油工程专业人才培养方案及教学内容体系改革的研究与实践报告[J].煤炭高等教育，1999（4）：77-83.

[4]卞小强，姚健.油层物理课程中MOOC教学模式的实践与思考[J].石油教育，2016（06）：55-60.

[5]李淑霞.油藏数值模拟基础[M].中国石油大学出版社，2009.

[6]张益，陈军斌，刘易非，等.“卓越工程师教育培养计划”学校标准制定与实践[J].石油人力资源，2017（03）：70-73.

[7]姚利民，段文彧.高校教学方法改革探讨[J].中国大学教学，2013，35（8）：60-64.