基于任务驱动的岩石物理课程综合性实验教学设计——以岩石热物理参数测定为例

熊 健，林海宇，刘向君，丁怀硕，裴浩辰，戎成干

（西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500）

0 引言

岩石物理学基础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、基本概念多、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。目前，该课程主要包括理论教学和实验教学两部分，其中实验教学占有较多的学时，开设有岩心孔隙度的测定、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等实验项目。这些实验主要是验证性实验，缺少探究性或设计性。实验教学相对于课堂教学，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，其具有较强的观察性、操作性和理论实践融合性等特点［1-3］。传统的教学实验模式即“理论讲解—仪器详解—演示—操作”模式，主讲教师先详细讲解实验目的与原理，介绍实验仪器，再给学生做演示，然后学生机械性模仿实验操作，按部就班地完成实验任务。显然，这样的实验过程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，也会使学生缺少思考、分析与探讨的意识。因此，需要对岩石物理实验教学模式进行探索与改革，以期在实验过程中培养学生动手能力、分析能力和创新意识。目前，任务驱动教学法已经被广泛应用于实验教学中，已被证明是一种提高实验教学水平有效方法［3-6］。还有部分实验教学工作者［7-9］将科研成果转化为本科生实验项目进行探索，并取得一定成绩。因此，基于科研成果的认识，在任务驱动教学模式下，以研究思维融入综合性实验设计，发挥科研对教学的辐射作用，促进岩石物理实验教学水平提高，培养学生的分析、解决问题能力与实践能力，并激发学生的科研创新意识。

1 任务驱动式教学方法

与传统实验教学方法相比，任务驱动式教学方法是将实验内容设计成多个具体实验教学任务，通过完成多个具体任务来实现实验教学目标。任务驱动式教学的特点是让学生参与课堂，参与实验方案的设计和实验方法的选择，调动学生的能动性，激发学生对实验的热情与学习兴趣，培养学生探究精神与团队协作意识。任务驱动式教学需要学生主动学习，教师加以引导，需要两者相互配合来完成实验教学任务与目标。任务驱动实验教学环节框图如图1 所示。

图1 “任务驱动”实验教学环节框图

由图1 可见，任务驱动教学模式下，不同实验教学环节中教师和学生分别起着不同的作用，其中实验过程中教师活动变为“仪器详解—任务分解—过程监控—效果评价—探讨引导”等环节，学生活动变为“任务分析与理解—自主操作—自主分析—归纳总结—撰写报告”等环节。同时，不同的实验教学环节，培养的能力是不一样的。在实验过程中，教师是组织者、指导者和帮助者，而学生才是实验的主体且自主完成实验。自主实验操作，观察实验现象，记录实验数据，实验过程中若遇到问题，首先独立思考，或与组员相互讨论、相互协助。在实验过程中，逐渐培养学生解决问题的能力以及团队协作精神。通过对实验数据进行分析，挖掘实验数据的信息，分析实验数据的意义，在这个过程中，培养学生数据处理能力。基于数据分析结果，教师通过引导式、探讨式等教学手段来引导学生对实验数据的深入探讨，实现对实验数据的归纳总结，提出规律性认识，在这个过程中，培养学生创新能力。最后，对实验设计和实验过程中存在问题以及问题的解决方法进行总结，撰写实验报告，实验报告中体现出学生的科学思维，在这个过程中，培养学生科研意识与工程理念。

2 综合性实验设计

目前，岩石物理学基础课开设有4 项必修实验项目，还开设有4 项选修实验项目，包括岩石介电常数、岩石磁化率、岩石热物理参数的测定以及岩石核磁共振实验等。岩石热物理性质是岩石重要的物理性质之一，包括岩石的热导率、比热容、热扩散系数等物理性质，其基本特征决定着沉积盆地的温度场变化和流体分布等诸多物理现象，在油气资源、地热、岩土工程等领域中具有重要的理论意义和应用价值［10-11］。基于岩石热物理参数的影响因素研究成果的认识，将研究思维融入综合性实验教学设计中，在任务驱动教学模式下，设计了岩石热物理参数测定实验内容，以期达到培养学生实践能力、解决问题能力、综合应用能力、创新意识和科研精神。

岩石热物理参数测定实验内容包括样品准备、基础物性参数、纵横波速度、电阻率及热物理参数等测试，将整个实验内容分成几个任务，让学生自主完成测试，其实验流程如图2 所示，其中该课程所开设的必修实验项目中能让学生掌握基础物性参数、纵横波、电阻率等测试方法，这为本实验内容完成提供了较好的基础。基于实验测试结果，分析岩石热物理参数与其他岩石物理性质间的变化规律，探讨岩石热物理参数的影响因素。

图2 综合性实验流程

岩石热物理参数测定以及所使用的主要仪器设备有：

（1）基础物性测试。使用电子天平获取岩样的质量，利用游标卡尺测量岩样的长度和直径，即可获取岩样的密度；岩样孔隙度测量利用“岩心孔隙度的测定”实验项目中QKY-Ⅱ型气体孔隙度测定仪实验设备完成测量；岩样渗透率测量利用“岩心渗透率的测定”实验项目中STY-Ⅱ型气体渗透率测定仪实验设备完成测量。

（2）纵横波速度测试。岩样纵横波速度测量利用“声波纵、横波速度及衰减系数测定”实验项目中YDS-III型岩心电阻声波联测仪实验设备完成测量。

（3）电阻率测试。利用“地层因素和电阻率增大系数实验”实验项目中YDS-III 型岩心电阻声波联测仪实验设备完成测量。

（4）热物理参数测试。利用DRE-III型多功能快速导热系数测试仪实验设备完成测量。

3 结果与讨论

岩石的热物理参数测试结果如图3 所示。由该图可见，不同岩石样品的热物理参数之间存在一定变化范围，且岩石热导率和热扩散系数变化范围较大，而岩石比热容的变化范围较小，其中岩石热导率值分布范围为0.807～3.371 W/（m·K），平均值为2.353 W/（m·K）；岩石比热容值分布范围为0.751～ 0.916 kJ/（kg·K），平均值为0.803 kJ/（kg·K）；岩石热扩散系数值分布范围为0.388～1.573 mm2/s，平均值为1.143 mm2/s。这说明了不同岩石样品间的热物理参数间存在差异，这与岩石样品的组织结构差异有关［11-12］。

将科研思路融入实验数据分析中，培养学生挖掘数据的能力，探究实验数据意义，分析岩石热物理参数与其他岩石物理性质间的变化规律，探讨岩石热物理参数的影响因素，并培养学生查阅文献能力，加深对实验结果认识的深度和广度。以岩石热导率为例，进一步探讨分析岩石基础物性（密度、孔隙度、渗透率）、岩石纵横波速度、岩石电阻率等参数与岩石热导率间的关系。

3.1 岩石密度

岩石密度与岩石热导率间关系如图4 所示。由该图可见，岩石密度与岩石热导率呈正相关性，相关系数为0.717 2。该研究结论与文献［13-14］中研究结果具有一致性，他们研究结果表明岩石热导率随着岩石密度增大呈增大趋势。这主要可能是因为岩石密度增大，岩石致密化程度加大，岩石孔隙度减小，造成岩石热导率增大。

图4 岩石密度与岩石热导率间的关系

3.2 岩石孔隙度、渗透率

岩石孔隙度、渗透率与岩石热导率间关系如图5所示。由该图可见，岩石孔隙度与岩石热导率呈负相关性，相关系数为0.645 1［见图5（a）］，渗透率与岩石热导率也呈负相关性，相关系数为0.557 9［见图5（b）］。该研究结论与文献［14-17］中研究结果具有一致性，他们研究结果表明岩石热导率随着岩石孔隙度增大呈减小趋势。这主要可能是因为岩石孔隙度增大，岩石中的孔隙增多，且孔隙中空气的热导率［25 mW/（m·K）］远低于岩石中各类矿物的热导率［18］，造成岩石导热能力降低，导致岩石热导率和热扩散系数增大。一般而言，岩石孔隙度与渗透率间呈正相关性，岩石渗透率增大，其岩石孔隙度增大，造成岩石热导率降低。

图5 孔隙度、渗透率与岩石热导率间的关系

3.3 岩石电阻率

岩石电阻率与岩石热导率间间关系如图6 所示。由该图可见，岩石电阻率与岩石热导率呈无明显的相关性，这可能是与干燥岩样条件下测试电阻率有关，干燥岩样电阻率主要由岩石中泥质含量与导电矿物确定。

图6 岩石电阻率与岩石热导率间的关系

3.4 岩石纵横波速度

岩石纵横波速度与岩石热导率间关系如图7 所示。由该图可见，岩石纵波速度与岩石热导率呈正相关性，相关系数为0.745 4［见图7（a）］，岩石横波速度与岩石热导率间也呈正相关性，相关系数为0.746 5［见图7（b）］。该研究结论与文献［17］中研究结果具有一致性，他们研究结果表明岩石热导率随着岩石纵波速度增大呈增大趋势。这主要可能是因为岩石纵波速度在一定程度反映了岩石致密程度，即纵波速度越大，岩石致密程度越大，岩石纵波、横波速度增大，岩石密度增大或岩石孔隙度减小，造成岩石热导率增大。

图7 波速与岩石热导率间的关系

岩石纵横波阻抗与岩石热导率间关系如图8 所示。由该图可见，岩石纵波阻抗与岩石热导率呈正相关性，相关系数为0.75［见图8（a）］，岩石横波阻抗与岩石热导率间也呈正相关性，相关系数为0.761 8［见图8（b）］。这主要可能是因为岩石纵波、横波阻抗增大，反映出岩石纵波、横波速度增大或岩石密度增大，将造成岩石热导率增大。

图8 纵横波阻抗与岩石热导率间的关系

基于岩石热导率与岩石密度、孔隙度等其他岩石物理性质间变化规律的认识，可进一步探讨如何利用数学方法构建多元回归模型对岩石热物理参数进行预测研究，构建岩石热物理参数的预测模型，从而实现岩石热物理参数的预测与应用。

4 结语

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，也承担着学生综合能力培养的任务。实验教学改革符合教学实际条件，不仅能提升实验教学效果，也能促进理论教学效果的提升。基于科研成果的认识，在任务驱动教学模式下，进行岩石物理课程综合性实验设计，让学生根据实际情况自主完成实验，通过引导式、探讨式等教学手段引导学生对实验数据的思考，增加对知识的渴望，加深对知识理解的深度和广度，发挥学生的学习能动性，培养学生分析解决问题的能力、实践能力、团队协作能力，从而激发学生的科研创新意识。本综合性实验内容教学设计涉及多方面，不仅检验了学生对前期实验项目掌握程度，也加深了学生对岩石热物理参数的认识，更能帮助学生深度地理解岩石热物理参数与其他物理参数间的变化规律。