多学科交叉型专业课程教学方法探索和应用——以“岩土钻掘工程”课程为例

时元玲，张平松，谢 焰，顾承串

安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001

工程教育专业认证在国内如火如荼地开展，“学生中心、产出导向、持续改进”的教育理念引发众多教育工作者不断思考[1]，探索和应用符合工程教育专业认证理念的教学方法势在必行。工程类课程实践性强，根据各类教材制定授课内容，存在理论知识与工程实践脱节的问题，且难以追踪行业发展前沿，既无法让学生直观认知工程实践问题，又不能有效培养学生学以致用的能力。

“岩土钻掘工程”是地质工程专业课程，涉及钻探工艺、钻探装备、钻孔护壁堵漏等多方面的内容，交叉融合地质学、机械、化学、流体力学、钻柱力学、粉末冶金学等多学科领域[2-3]，具有理论科学性、工程实践性和实验研究性强的特点。然而，地质工程专业方向不同，存在课程体系中虽设置岩土钻掘课程，但未涵盖相关基础课程的情况，以致学生学习难度大，教学内容难以深入。同时，目前“岩土钻掘工程”课程现行教材种类较少，出版年份距今十年以上，教材内容在新技术应用和技术发展方面存在欠缺。本文以“岩土钻掘工程”课程为例，针对课程存在的问题，探索研究型教学、案例教学和沉浸式教学等教学方法在多学科交叉型工程类专业课程中的应用，以期将教学内容生动化，激发学生的学习积极性，提高课程教学质量。

一、“岩土钻掘工程”课程教学现状

“岩土钻掘工程”课程是典型的多学科交叉型课程，主要涉及钻进工艺和钻探设备两方面的内容，基本理论教学对学生基础知识储备广度要求高，实验教学对设备、场地要求高，开展难度大。同时，课程内容多为实践性强的应用技术理论，仅依靠描述性讲授，教学效果不佳。“岩土钻掘工程”课程教学过程中主要存在如下问题。

1.课程体系中部分基础课程欠缺

由于地质工程专业方向侧重点不同，“岩土钻掘工程”课程在课程体系中所处地位不同。以国内重点高校和地方性高校地质工程专业“岩土钻掘工程”课程为例（表1），勘察工程或岩土钻掘方向的课程体系涵盖钻探工艺、钻探设备等完整钻探工程课程，并设置机械设计、流体力学、液压传动等相关基础课程；而工程地质方向，课程体系中开设岩土钻掘工程课程，但不设置相关基础课程。

表1 国内重点高校和地方性高校岩土钻掘相关课程设置[4-6]

对于课程体系中不设置相关基础课程的情况，无论岩土钻掘工程作为必修课还是选修课开设，其授课内容依然包含了钻进工艺、钻探机具、钻孔冲洗等各方面的基础理论和基本知识。以本课程中“钻机与泵”为例，若无机械设计和液压传动方面基础知识，学生对钻机零部件、钻机机械传动系统、钻机液压系统等图纸阅读难度大、工作原理理解不透彻，课堂学习和自主阅读各类文献资料均需花费较多时间和精力。同时，教师在教学过程中，根据学生培养计划制定教学大纲，对缺乏相关基础知识支撑的教学内容，大多停留在概述的层面，缺乏引导学生深入探讨的切入点，教学效果不佳。

2.教学内容追踪技术发展有待改善

“岩土钻掘工程”课程教材种类较少，表2所示为岩土钻掘工程课程选用较多的教材，其出版年份普遍较早，教材内容在跟踪行业技术发展方面存在欠缺，有待更新。

表2 “岩土钻掘工程”课程相关教材

当前，自动化、智能化钻探装备不断出现，水平定向钻进技术在地质岩心钻探、深部热能勘探、天然气水合物钻采等各类工程中应用逐渐增多。然而，从钻探设备角度来讲，现有岩土钻掘工程教材中，对钻机介绍主要集中在立轴式钻机、转盘式钻机、动力头式钻机等几类传统钻机，而并未涉及新型节能的深井地质岩心钻机、新型全液压钻机、自动化智能化钻井系统等内容。从钻探工艺角度来讲，大部分教材未提及定向钻进技术理论知识、科学钻探理论知识、极地冰钻技术理论、地热和天然气水合物等清洁能源勘探开发技术理论。从而导致学生所学理论知识滞后于行业技术发展，学生欠缺技术理论知识导致在实际工程需求方面存在不足，教学过程不能很好地践行“以产出为导向”的教育理念。

3.实验教学可操作性和参与性有待提高

岩土钻掘工程实验通常包括岩石物理-力学性质测试、岩心钻探工具、钻进方法实验、钻孔弯曲测量、钻探设备实验及钻井液性能测试实验。其中，岩石物理-力学性质、钻孔冲洗介质实验，可操作性较强，学生参与积极性高，实验完成度好。钻探设备、钻探工具和钻进方法等实验对设备和场地要求高，实验设备台套数有限，学生参与积极性较低，实验效果评判不够明确。以钻探工具实验为例，钻进实验难以观察钻具工作过程和工作状态，拆装、观察实验走马观花且参与性不强。此外，对于非岩土钻掘（或勘察工程）方向的学生，因课程课时量有限，岩土钻掘课程实践教学开设少，甚至不开设，导致学生对理论知识巩固和应用方面有所欠缺。

针对上述问题，本文探索研究型教学法、案例式教学法和沉浸式教学法在“岩土钻掘工程”课程中的应用，以期为多学科交叉型专业课教学提供思路。

二、科研项目驱动的研究型教学法应用

研究型教学以现代教育教学理论为基础，将教学和科研相结合，旨在提高学生的自主学习能力，培养学生科学思维、问题意识、探究精神和创新能力[7-8]。以科研项目为驱动的研究型教学，在教学活动中融入科研项目内容，在学生掌握基础知识的前提下，鼓励学生参与科研活动，将所学理论知识应用于科学研究，并在此过程中学习科学研究的方法和思维，培养解决复杂问题的能力和创新精神。研究型教学可用学术论文、专著、专利等科研成果作为学习的教材，同时鼓励学生借助于各种网络资源自主查阅相关资料，并积极与课题相关师生探讨。

以钻探设备教学内容为例，智能技术成为引领世界科技发展潮流的关键性战略技术的背景下，钻探装备正朝着自动化、智能化方向发展。在教学过程中，教师以钻探装备自动化、智能化方面论文、专利及专著为依据设计教学内容，并可将自身或行业相关研究内容融入课堂。如安徽省地质矿产勘查局313地质队牵头的2021年9月通过鉴定的“5000米新型能源勘探智能钻探装备与技术”项目、中国地质调查局勘探技术研究所牵头的2020年11月通过中期评审验收的“5000米智能地质钻探技术装备研发及应用示范”项目[9]，均是行业内近年在钻探装备智能化方面探索的重要项目，公开发表论文、专利数量较多，将上述科研项目中钻探装备、绳索取心钻具、冲洗液体系、泥浆性能多参数一体化自动测量装置等各方面研究内容引入课堂，可提升教学内容的时效性。

对非岩土钻掘（或勘察工程）方向的学生来讲，缺乏相关基础知识的教学内容通常要求学生掌握程度较低。采用科研项目驱动的研究型教学法，鼓励学生自主查找并讨论科研热点和学科前沿动态，相比学习现有教材因学科交叉而存在的复杂且晦涩的图纸和技术方法，更具有吸引力，从而提升学生学习效果。

三、工程实践支撑的案例教学法应用

案例教学，是一种开放式、互动式的教学方式，由美国哈佛法学院前院长克里斯托弗·哥伦布·朗代尔（C.C.Langdell）于1870年首创，后经哈佛企管研究所所长郑汉姆（W.B.Doham）推广，并从美国迅速传播到世界各地，被认为是一种代表未来教育方向的教育方法[10]。案例教学强调学生的主体地位，结合案例分析和讨论开展教学活动，注重学生主动性和自主性，契合工程教育专业认证“以学生为中心”的理念。工程类课程采用案例教学既便于构建科学理论与工程实践的联系，又能紧跟行业发展，还能将学生放在教学活动的主体位置，调动其学习积极性，增强其发现问题、分析问题和解决问题的能力。

以科学钻探基本理论为例，引入苏联科拉半岛超深钻（SG-3井）、联邦德国大陆深钻计划（KTB）、中国大陆科学钻探工程（CCSD-1井）、松辽盆地白垩纪科学钻探（松科2井）、汶川地震断裂带科学钻探、大洋钻探计划（ODP）、综合大洋钻探计划（IODP）等大陆科学钻探和大洋科学钻探的典型项目案例，介绍并讨论科学钻探的作用和意义、技术特点、技术难度、技术突破等各方面理论知识。授课过程中以学生为中心开展教学活动，教师作为“引导者”抛出理论知识所适用的工程类型和典型工程案例，鼓励学生查阅相关文献资料，组织学生自主学习和讨论，解答学生提出的问题，并评价学生的学习效果。学生作为教学主体，思考、归纳、阐述学习内容，可提高学习效果，又可启发学生创新思维。同时，基于典型工程案例设计教学过程，将枯燥的理论知识与工程实践相结合，既有利于培养学生解决复杂工程问题的能力，又可激发学生学习兴趣、开阔学生眼界，还能够克服现有教材未涵盖相关内容的不足。

四、虚拟仿真技术支撑的沉浸式教学法应用

虚拟现实技术以三维空间的形式模拟创建虚拟世界场景，通过人机交互功能给用户提供逼真的体验感和沉浸感[11]。虚拟现实技术是创建沉浸式教学环境的利器，学生可在虚拟场景中真实体验教学内容。与传统课堂教学方法相比，虚拟现实技术可将教师与学生、学生与教材之间点对点的沟通，转变为学生与教学场景之间的三维交互，有助于学生沉浸于教学内容之中，极大增强学生的参与度，激发学生的学习积极性。此外，虚拟现实技术可突破时空限制营造虚拟实践教学环境，打破实验、实习活动对场地、设备要求的限制，且实践教学内容便于更新，可紧跟行业技术发展[12]。

钻进实验对设备、实验场地和实验人员操作技能要求高，开展难度大。采用虚拟现实技术，构建虚拟钻井现场，学生通过漫游方式沉浸其中，了解井场布置、钻探设备的功能、钻进过程等；并设置虚拟交互式界面，使学生体验各钻探设备的操作方法和作业流程。对关键部件和钻具建立虚拟三维模型和仿真动画，如建立绳索取心钻具三维模型，可便于学生细致观察内管总成、打捞装置等的真实结构和工作原理，从而加深对理论知识的理解。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性和构想性的特点，基于此技术开展“岩土钻掘工程”课程实践教学，既可保证学生在相关实践教学环节中的知识获得感，又可克服实践教学设施建设成本高、静态展示内容单一、钻井现场安全隐患等问题，从而有效提升学生学习效果和学习热情。

五、结语

在工程教育专业认证、新工科建设、“交叉学科”成为我国第14个学科门类的背景之下，国内高等教育更加强调将学生置于教学活动的主体地位，以行业需求建设专业并制定学生培养方案。通过分析“岩土钻掘工程”课程这一典型多学科交叉型专业课程的现状，探索科研项目驱动的研究型教学、工程实践支撑的案例教学和虚拟仿真技术支撑的沉浸式教学等教学方法在其中的应用，以期克服学生部分基础知识薄弱、教学内容滞后行业发展、实践环节参与性不足等问题，激发学生的学习积极性，提高课程教学质量，并为向综合性发展趋势下的多学科交叉型课程教学提供思路。