石油工程岩石力学课程实验教学改进措施探讨

林伯韬　王振宇　侯冰

［摘 要］石油工程岩石力学是石油工程专业的一门应用基础课程，旨在学习岩石力学理论知识在石油工程领域中的应用。文章介绍了力学、岩石力学和石油工程岩石力学之间的学科联系和课程背景，阐述了石油工程岩石力学课程的开设情况，重点剖析了该课程实验教学的角色、内容、设备、目的以及授课方式，并总结了实验教学存在的问题，认为实验技术复杂、设备精密昂贵、实验场地和实验教师缺乏是当前实验教学存在的突出问题。在此基础上，文章提出加强本硕博一体化教学，融合线上、线下教学，建立线上虚拟实验室辅助教学等改进实验教学的有效手段。该研究成果能为解决类似问题提供一定的方法指导。

［关键词］石油工程；岩石力学；实验教学；线上平台；虚拟实验室

［中图分类号］ G642.423 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）08-0056-03

力学是一门应用广泛的基础性学科，工程力学、材料科学、土木工程、机械工程、冶金与矿业工程等众多工科专业的核心课程都与其存在紧密联系。岩石力学是力学的分支学科，该学科是一门运用力学、地质学的原理和方法来研究岩石的力学及相关现象的综合性学科，主要研究各种力场作用下的岩石变形与破坏规律，具有理论性强、应用性强、与室内实验结合紧密的特点。随着石油勘探开发技术的不断发展，工程问题变得愈加复杂，岩石力学的学习变得至关重要。在中美开设石油工程专业的主要院校中，约三分之二的高校为本科生和研究生开设了岩石力学课程[1]。

石油工程岩石力学是中国石油大学（北京）为石油工程专业的本科生及研究生开设的一门专业基础课程。石油工程岩石力学教学内容广泛，涵盖了钻井工程、完井工程、油藏工程、油气田开发、岩石物理、測井等多个与岩石力学相关的教学内容，例如深部地应力预测及计算、油气钻完井过程中井周应力状态，以及岩石力学应用于井壁稳定、水力压裂、套管损坏、油气井出砂与防砂等方面遇到的工程问题[2]。

实验教学是理论联系实际的桥梁，是培养学生实践能力和创新能力的重要教学环节，在工科专业培养中的重要性极为突出[3-4]。中国石油大学（北京）岩石力学实验室是油气资源与探测国家重点实验室分室，经过多年发展，逐步配备了雄厚的师资团队和先进的实验设备，在压裂增产、井壁稳定、储层地质力学等领域形成了一定特色，取得了诸多科研成果。师资团队同时也是石油工程岩石力学课程的教学团队，多年来通过科研反哺教学的方式形成了良性循环，增进了学生对岩石力学理论、方法、技术的理解，形成了具有一定特色的实验教学方案[5]。本文从该门课程的教学现状出发，总结了其实验教学环节中的问题，并提出了相应的解决方案。

一、课程实验教学现状

中国石油大学（北京）为石油工程专业本科大三年级学生开设的石油工程岩石力学基础课程，共计2个学分，32个学时，其中理论部分28个学时，实验部分4个学时；同时为研究生开设的石油工程岩石力学课程，设置3个学分，共计48个学时，全部为理论学时。由于该类课程涉及的实验测试设备具有造价昂贵、占地面积大、操作复杂等特点，目前并未配备教学实验室。因此，该课程的实验教学主要依托中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室的岩石力学分室开展。

实验教学最重要的是培养学生的实践能力，一方面让学生参与到教学的各环节中，另一方面培养学生在实践过程中发现问题、解决问题的能力[4-5]。从上述课程设置来看，目前仅有本科生实际参与了实验课程，研究生的实验教学仅停留在理论学习层面上。现有的实验教学主要包括三方面内容：一是常规三轴岩石力学实验与巴西劈裂实验，二是大型真三轴水力压裂室内物理模拟实验，三是岩石矿物成分及微观结构实验。由于场地和设备的限制，实验教学目前采取的方式是：任课教师介绍实验设备及讲解实验方法、流程；同时，安排研究生利用实验设备做科学实验，并在中途穿插一些关于实验步骤的介绍；本科生集中在一旁观摩实验，与教师、研究生进行互动问答，并在课后根据岩石力学实验数据撰写实验报告。

二、实验教学设备及内容介绍

目前辅助实验教学的主要设备包括：大尺寸真三轴岩石模拟试验机、岩石力学三轴试验机、岩石断裂韧性测量仪、声发射检测装置、高温高压岩石流变性、瞬态脉冲渗透率测试仪、页岩膨胀仪、场发射扫描加聚焦离子束显微镜系统、微纳米CT、微区矿物成分定量分析仪、扫描电子显微镜、岩石波速各向异性测试仪等先进实验设备，能够满足所有的实验教学，其实验课程、内容、平台、设备与具体用途如表1所示。

三、存在的问题及改进措施

随着时代的发展，岩石力学学科知识更新迭代的速度加快，特别是高温高压超深层钻探、非常规和低渗储层的改造等工程难题对岩石力学实验提出了更高的要求[5]；同时，随着大学教育的普及化，接受高等教育的学生人数逐年增加，传统的岩石力学教学方式和设备已不能满足本科实验教学的需要。目前该课程实验教学主要存在以下三个突出问题：

一是近年来高等教育大幅度扩招使得许多高校实验教师数量明显不足[6]，导致从事日常课程教学的教师需要通过兼职的方式开展实验教学，因此，实验教学的专业化程度难以保障。例如，笔者所在学校的石油工程岩石力学课程的实验教学暂未配备专业的实验教师，目前仍由任课教师承担实验教学指导工作，由于实验设备不足，往往是三四十名本科生围站在一台设备旁听教师讲解。而对于石油工程专业的研究生来说，如果从未在本校上过石油工程岩石力学基础本科课程，且未曾从事过该领域的科学研究，学生就无法接触到表1所列的实验，更不用说了解其中的内容了。

二是资金、场地和设备条件难以跟上岩石力学学科日新月异的发展速度。高校实验教学旨在让学生学会用实际问题验证理论、培养学生的动手能力、让学生掌握基本的实验技能，进而增强学生的创新思维能力与独立开展科研工作的能力。大型岩石力学实验设备的价格和维护费较昂贵，操作要求极高，受制于高校资金、场地、条件和安全性等因素，实验设备暂时无法保证本科生开展可上手操作的实验项目。

三是课程设置划分过细导致现有的实验教学学时无法满足课程的实验要求。目前，实验教学缺乏与石油工程实践的融合；且由于实验学时较少，导致实验内容较为粗化，学生难以将实验内容与石油工程现场案例逐一对应。

针对上述三个突出问题，本文提出如下改进措施：

第一，制订本硕博一体化培养方案。借助高校平台大力推进本硕博一体化培养，调整课程培养方案，将该门课程重新命名为“石油工程岩石力学I”，为研究生开设高阶课程“石油工程岩石力学II”，分别调整本科生和研究生的实验内容及要求，针对本科生以实验演示为主，针对研究生结合其研究课题提供部分实验的操作机会；后者充当助教角色，同时作为前者的实验演示者。

第二，融合实验的线上、线下教学。推进实验课程的线上平台建设，创新实验教学中师生的沟通方式，加强学生对实验理论、设备、步骤的掌握。具体措施包括在慕课中引入与岩石力学实验相关的石油工程专业案例，建设岩石力学实验案例库及整理思考习题，开发实验课程网页、网络微课，并且在每次线下实验课结束后，通过公众号、微信群推送相关的实验内容并介绍相关的石油工程问题。

第三，建设虚拟仿真教学实验室。通过虚拟仿真实验模拟真实的实验仪器和场景是解决实验室经费及资源受限问题的有效途径。虚拟仿真实验的沉浸性、交互性、多感知性，能让学生通过模拟实验了解地层岩样变形及破坏的力学过程[7]。笔者曾经参观过德国莱比锡大学的岩石力学实验室，该实验室拥有一套3D虚拟现实场景的软件及装置，參与人通过佩戴VR眼镜可体验进入深部地层中的地热开采井场景，沉浸式观摩水力压裂施工及裂缝扩展全过程中的储层岩石力学变形情况。

四、线上虚拟仿真教学实验室设计

通过建立虚拟仿真教学实验室，可打破时间、空间的限制，节省了使用和维护大型精密仪器的成本，能合理管控实验危险，实现开放、共享、灵活、安全的实验教学[8-10]。石油工程岩石力学课程的虚拟仿真教学实验室设计如下：首先，开发虚拟仿真教学实验室的网页，学生可以经由学院主页—教学主页—虚拟仿真教学实验室网页使用校内账号登录。其次，制订并实施虚拟仿真教学实验室的管理方案，实现网上开放式实验管理、实验指导、学生考查、量化评价及课后反馈[10]。再次，通过丰富实验内容及划分模块，搭建石油工程岩石力学线上实验教学平台。根据表1，设置单轴、三轴抗压实验、巴西劈裂实验、真三轴压裂实验、岩石矿物成分分析实验和微观结构实验等五个模块。最后，综合应用三维图像建模技术、人机交互技术，制作可交互的实验动画场景，开展实验操作流程的人机交互，让每个学生以第一人称扮演游戏角色完成各项实验[11]。虚拟仿真教学实验室的整体流程设计如图1所示。

五、结语

本文系统介绍了石油工程岩石力学课程本科教学实验的学科背景、课程设置、实验内容、所需设备、存在问题及改进措施，认为以石油工程为细分学科的岩石力学对实验要求较高，现有的资金、场地、人员和设备条件难以满足学生对实践教学的要求。解决这些问题的途径有：一是融合打通本科与研究生课程；二是开辟实验教学的网络、手机端第二课堂；三是建立石油工程岩石力学的线上虚拟仿真教学实验室，运用VR技术让学生在虚拟现实中模拟操控设备，并制订虚拟仿真实验教学平台的管理方案。本文提出的改进措施可有效弥补线下实验设备条件的不足，并为存在类似难题的其他实验类课程提供相应的教学参考。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 林伯韬，王琪琪.中美院校石油工程专业力学课程设置情况探讨[J].科教导刊（下旬），2020（3）：16-19.

[2] 陈勉.我国深层岩石力学研究及在石油工程中的应用[J].岩石力学与工程学报，2004（14）：2455-2462.

[3] 周宏敏，熊文，陈伟，等.“双一流”背景下的一流学科平台建设思考[J].实验技术与管理，2018，35（3）：23-24.

[4] 黄明奎.岩石力学课程教学改革与思考[J].高等建筑教育，2008（4）：82-85.

[5] 侯冰，陈冬.国外高校如何提高岩石力学研究生实验装置的研发能力[J].实验技术与管理，2017，34（9）：268-271.

[6] 冯一兵，戴启润，余本海，等.扩招对大学物理实验教学的影响及对策研究[J].实验室科学，2006（2）：7-10.

[7] 薛黎明，刘哲.采矿工程专业虚拟仿真实验室教学体系建设[J].煤矿现代化，2021，30（2）：101-103.

[8] 易菁，娄永忠，董璞.新工科背景下的建筑虚拟仿真实验室建设[J].科技与创新，2021（10）：177-179.

[9] 黄科，袁欣.虚拟仿真实验技术用于仪器分析实验教学改革的探索与思考[J].山东化工，2021，50（1）：234-244.

[10] 张时佳，赵满坤，杜桂月，等.环境专业虚拟仿真实验室建设的相关设想[J].实验室科学，2020，23（5）：172-175.

[11] 李剑峰，肖波，肖莉，等.智能油田：下[M].北京：中国石化出版社，2020.

［责任编辑：刘凤华］