基于案例教学的“岩石物理学基础”课程教学改革实践

2023-08-10熊健刘向君丁乙梁利喜李玮

科教导刊 2023年6期

熊健刘向君丁乙梁利喜李玮

摘要文章系统分析了“岩石物理学基础”课程教学现状，总结了传统教学方法的不足，提出了案例教学方法应用的必要性，梳理了该课程多种类型的案例教学素材，建立课程案例库，探讨案例教学实施方式，培养学生独立思考的能力，提升学生的综合应用能力和创新能力，为“岩石物理学基础”课程的进一步建设奠定了基础。

关键词案例教学；岩石物理学基础；教学改革；实践

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.032

近年来，国家围绕能源科技方面出台了一系列规划和相关政策，如《国家能源技术革命创新行动计划》《国家十四五规划及2035远景目标纲要》《国家十四五能源领域科技创新规划》等，提出了聚焦增强油气安全保障能力，深入推动深层页岩气、非海相非常规天然气、页岩油、煤层气和天然气水合物等能源勘探开发技术攻关，以实现油气增储上产，对保障国家能源安全具有重要的战略意义，也对“双碳”目标实现起到重要的支撑作用。地球物理勘探方法是页岩气、页岩油等非常规油气藏和水合物、地热能等新能源勘探开发的关键技术之一[1]，是实现油气增储上产的重要基础。随着油气资源开发逐渐由常规油气藏转向非常规油气藏和天然气水合物、地热等新能源的勘探开发，对新时代地球物理人才培养提出了新要求。同时，教育部在《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》中提出了深化教学改革、强化教学过程管理和完善教学考核等方面的具体举措，以全面提高教育教学水平。为此，全国高校的教师进行了多种课堂教学改革探索[2-3]，课堂教学改革的核心是课堂教学内容的改革，而教学方法是传授教学内容、实现教学目标的重要保障，教学方法改革是教学改革的关键环节[4]。

“岩石物理学基础”课程是西南石油大学勘查技术与工程专业大三本科生的专业基础课，涉及普通地质、油气地质、岩石学、物理、力学、声学、电学等基础知识，是一门基础性、交叉性、综合性较强的学科。基于西南石油大学油气特色特点，学习这门课的目的是让勘查专业学生系统地掌握岩石基本物性和力学性质，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，让学生对后期将要系统学习的重力、地震、电磁等勘探方法和技术有较为全面、整体的初步认识，能基于已有的岩石物理学基础知识深入学习提升学生综合应用地质学、物理学、岩石力学等多学科知识解决复杂工程问题的能力。该课程是测井方法与原理、工程物探、地震勘探原理、测井资料综合解释、地震资料综合解释等勘查专业课程的基礎，几乎串联了勘查技术与工程专业所有的专业课程，在勘查专业人才培养过程中起到重要的作用。因此，在“岩石物理学基础”课程教学过程中必须不断加强教学方法与教学内容的创新，重视该课程在勘查专业人才培养中的重要作用。案例教学是一种通过案例学习的教学模式，有助于教师和学生间的互动，其作为一种启发式教学方法受到越来越多的重视。案例教学兴起于19世纪70年代哈佛大学法学院，广泛应用于法学、医学及管理学等学科的教学，后逐渐扩展到理工科等学科[5]。目前，案例教学方法已经在“水声学”[6]“工程物探”[7]“矿产综合勘查技术”“岩土工程勘察”[8]“石油工程岩石力学”[9]“钻井与完井工程”[10]等工科类课程中得到推广应用，并取得较好的教学效果。而案例教学方法在“岩石物理学基础”课程中应用相对较少。为此，本文以西南石油大学勘查技术与工程专业为例，系统总结“岩石物理学基础”课程教学现状及其存在的问题，系统梳理并建设该课程案例库，在该课程中进行案例教学的实践探索，以培养具有创新能力和解决复杂工程问题能力的新时代地球物理人才。

1“岩石物理学基础”课程教学现状

根据西南石油大学勘查技术与工程专业的本科培养目标和“岩石物理学基础”教学大纲，该课程了主要分为理论教学和实验教学两个部分，其中理论教学学时占75%，共有36学时。岩石物理学基础这门课教学内容覆盖广，主要可分为客观物理属性和“场”物理属性，主要包括岩石基本物性、力学性质、电学性质、声学性质、磁学性质、热学性质、放射性等，具有知识点烦琐且分散、专业术语多、基本概念多等特点。岩石物理学基础这门课涉及多个学科，章节之间相对较独立，每章都是其他专业一门基础课程且学时多，如“岩石力学”是西南石油大学城市地下空间工程专业的专业基础课，其学时长为48学时，而“岩石物理学基础”课程课时相对较少，教学内容多，是该课程教学所面临的问题。传统教学方法以教师为中心，教师讲授知识为主，在有限的教学时间内，教学内容较多，教师只能以“满堂灌”“填鸭式”形式直接将知识点传授给学生，以提高讲课进度和顺利完成教学内容，造成部分学生在短时间难以消化吸收相关知识，且一些重要的基本概念也并未理解与掌握。由于每位学生基础不一样以及理解能力和认知能力的差异，造成学生对课堂上知识的理解和掌握程度存在明显不同，且“岩石物理学基础”的内容中章与章之间并不像一般课程一样，章节内容循序渐进，由简入繁，由易入难，而是该课程内容涉及不同学科的知识，不同学生对不同学科知识的基础和掌握程度不同，也会造成学生对不同章节知识的理解和掌握存在差异，严重影响课堂教学效果。这种现象形成恶性循环后就造成学生在课堂上注意力不够集中、上课不认真听、玩手机、同学间相互交流，进而造成学生对这门课程掌握程度差，甚至对这个专业失去兴趣。这主要与学生被动接受知识，因理论性强而未真正对知识进行理解与思考，也与未充分调动学生的积极性和主动性有关。

“岩石物理学基础”这门课的教学目标不仅仅是让勘查专业学生接受知识，理解和掌握基本概念和基本理论，其教学目标更注重培养勘查专业学生的创新能力以及分析和解决复杂问题能力的能力，即综合应用地质学、物理学、岩石力学等多学科知识分析岩石物理现象的能力，设计和运用岩石物理实验方法获取油气资源评价及地层其他性质评价所需参数的能力。这对学生的自主学习能力和独立思考能力提出了更高的要求，而传统教学模式往往造成学生依赖老师，通过背诵方式记下相关知识，并没有进行独立思考。同时，该课程基本概念与基本理论与工程紧密相关，课堂教学过程中未强调具体岩石物理参数在工程实际中的应用价值，部分学生即使掌握相关知识基本概念和基本理论，也难以综合应用所学知识分析和解决复杂的工程问题，从而不能较好培养学生的工程能力和综合应用能力，导致这部分学生在面对实际问题时缺乏解决实际问题的能力。因此，“岩石物理学基础”课程教学过程中应与工程问题结合，加大学生独立思考能力的培养，突出岩石物理参数在工程实际中的应用价值，培养学生的工程理念，提升学生解决实际工程问题的能力。

2“岩石物理学基础”课程案例教学法的素材整理

案例教学方法通过适当的案例对教学内容进行讲解，加深学生对岩石物理学相关内容的掌握和理解。勘查技术与工程专业学生未来就业过程中需解决复杂的地球物理问题，这些问题的解决不仅需要具备专业知识，还需具有创新能力，而工程案例不仅能激发学生对专业知识学习的兴趣，而且能培养学生分析问题、解决问题的能力。案例教学的目标主要是启发学生对教学内容的主动思考、讨论和探索，并引导学生的发散性思维，分析所学理论在科研、生产中的实际应用。因此，为了将案例教学方法成功应用于“岩石物理学基础”课程，首先需要梳理并整理与该课程教学内容相关的案例库，以自制动画、网络图片/视频、实验录像、科研成果等形式制作和收集案例素材，案例形式包括图片、动画、视频、文字材料（实际工程案例）等。案例教学过程中根据教学内容和教学目标选择合适案例，且案例应具有代表性、真实性、专业特色、思维启发性等特点。需要注意的是，本科生因专业知识的局限性且接触专业课时间较短，对整个专业体系未形成一个完整的轮廓，不宜选用过于复杂的案例进行教学，也不宜选用过于简单的案例进行教学，以免造成学生失去兴趣。

案例不能直接应用于实际课程教学，还需要进行案例教学设计，在各个章节中建立具有代表性的案例库。在“岩石物理学基础”课程教学中，根据教学内容、教学目的、案例内容等，可将案例分为演示型案例、讨论型案例和应用型案例等。

①演示型案例：在教学过程中为说明某一概念、模型、原理或实际问题，主要以图片、动画、视频等形式展示给学生，穿插在教学内容中，直接进行讲解，弥补一些在现有教学条件下无法开展的岩石物理参数的实验测试，以便学生更加直观、清晰、明确地理解和掌握，比如岩石不同的尺度结构、三维数字岩心、达西实验、高压流体相态实验、岩石润湿性、岩石孔隙中油水流动、饱和度测定、高压压汞原理、岩石单轴压缩实验、直剪实验、巴西劈裂实验、不同矿物的电阻率、地热发电、放射性危害等动画或视频。根据教学内容，在教学设计过程中加入相关案例材料，在教学讲解过程中进行直观演示，让学生同步接受基本概念或基本理论和案例，让学生直观感受参数如何获取，以加深学生对相关知识点的理解和掌握。

②讨论型案例：在教学过程中为了引出某一概念、理论或加强学生对重难点的掌握和理解，主要以图片、动画、视频、文字材料等形式展示给学生，对重难点问题进行论述分析，增加教师与学生间的互动，以探讨的形式启迪学生，也补充一些勘查专业以外的学科知识，有利于扩宽学生知识面，比如岩石润湿性对油水分布的影响引出岩石润湿性对油气藏开发的影响、储层渗透率随有效应力降低对油气井生产的影响、不同深度油气藏的流体性质引出油气水高压物性、不同直径玻璃管毛细现象引出毛细管力、不同地质构造图引出地层岩石受到的力作用形式、井眼缩径引出岩石蠕变特性、不同流体类型对岩石强度的影响引出地层出砂或井壁失稳或降低破裂压力、不同介质中声波波场差异引出声波无损检测、不同矿物电阻率差异引出勘查矿产资源等。通过讨论型案例教学，增加了教师和学生间的互动，案例材料引起了学生的兴趣，以问题形式启发、引导学生思考，激发学生的创新意识，让学生明白所学知识是与工程问题紧密结合的，从而培养学生认识问题、分析问题和解决问题等综合能力。

③应用型案例：在教学过程中为了巩固学生对重难点的理解和掌握以及培养学生的工程理念，以视频、文字材料等形式将经典理论、技术成果等工程案例分享给学生，引导学生提出问题、分析问题、解决问题，加深对所学知识的理解，提高了学生利用所学知识解决工程问题的意识和能力，也有利于拓宽学生知识面，如不同强度准则工程应用（基于压裂施工曲线的地应力大小的反算）、岩石声波速度应用（基于声波测井资料地层压力计算）、岩石电阻率应用（基于电阻率测井资料地层含水饱和度计算）等。应用型案例主要作为课后作业让学生通过查阅资料，经过自己的思考而逐渐解决问题，也可与教师一起讨论，在教师的引导下逐渐解决问题。通过应用型案例教学，引导学生独立思考，加深学生对相关知识在工程实际中应用的理解，培养学生的工程理念，增强知识的综合应用能力和创新能力。

3“岩石物理学基础”案例教学的课堂实施

教学过程中导入案例有多种方式，主要包括案例设疑法、案例比较法、案例讨论法、演示观摩法等[11-12]。针对“岩石物理学基础”的课程特点，以自制动画、网络图片/视频、实验录像、科研成果等形式，整理编制了多种类型与教学内容相匹配的案例，采用案例设疑或案例讨论方法导入案例，与教学内容结合进行教学设计，将传统教学和案例教学融合，两者间形成互补，进而提升該课程的教学效果。

“岩石物理学基础”涉及多个学科知识，教学内容较多，基本概念大概有120多个，教学过程中一般直接讲解基本概念，但部分基本概念不够具体、较抽象，造成部分学生对这些概念理解不够透彻，影响了对其他知识的掌握程度。在基本概念讲解过程中可插入演示型案例进行辅助教学，如引入岩石薄片、三维数字岩心、荷叶上水珠、海绵城市路面、高含凝析油凝析气相态视频、岩石正断层、走滑断层、逆断层动图、纵横波动画等案例让学生更直观、更清晰的认识，并加深对岩石孔隙及其特征、润湿性、渗透率、高压物性、地应力状态类型、声波等基础概念的理解。岩石物理学是一门实验性学科，岩石物理参数都有实验室测定方法，教学过程中在阐述岩石物理参数的基本概念和影响因素后，介绍该参数实验室测定方法，该课程安排有4次实验项目（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），这些实验加深了学生对相关知识的理解和掌握。基于现有教学条件和课时的限制，我们制作动画、收集或录制实验视频作为教学过程的辅助，让学生对实验过程有一个整体认识，增强对相关知识的理解，如引入岩石达西定律实验、岩石单轴/三轴压缩实验、岩石剪切实验、岩石巴西劈裂实验等案例让学生更直观地感受实验过程，并对通过实验如何获取岩石相对渗透率及其曲线、岩石抗压强度、剪切强度、抗张强度以及弹性参数有整体认识，对相关知识点有更深刻的理解。

案例除了可作为例证加深学生对相关知识的理解和掌握外，还可通过讨论型案例抛出具体问题，启发引导学生思考并一起讨论，逐步讲述该案例映射的主要理论知识点，逐渐进入本堂课主题。比如：讲解岩石渗透率影响因素中埋深的影响时，引入科研成果认识，随着有效应力加载，岩样裂缝渗透率先快速下降后平缓下降，在应力加载过程中，岩样裂缝渗透率的变化存在拐点，在油井生产动态过程中，井底压力随着时间呈现降低趋势，且油井产量与压差间的关系也随着时间出现明显拐点，这与岩样裂缝渗透率随有效应力变化有关，井底压力下降越大，地层压力下降越大，有效应力增加越大，造成裂缝渗透率发生变化，进而影响到油井生产动态，这可让勘查专业学生增加对油气井生产动态方面知识的额外了解。通过此案例教学，不仅扩宽了学生的知识面，还增强了学生利用所学知识分析工程实际问题的能力。讲解不同结构对岩石声学性质的影响时，引入基质介质、孔洞介质、裂缝介质的声波波场计算结果动画，通过不同介质中声波波场差异，引导学生思考不同介质中声波传播特征的差异机制是什么？分析并发现声波在不同介质中传播时发生绕射、反射、折射等现象，造成声波在不同介质中的声波传播特征差异，进一步引导学生思考为什么声波可用于无损检测？通过此案例教学除了加深了学生对岩石声波传播特征的理解和掌握外，还扩宽了学生知识面，也增强了学生利用所学知识解决工程问题的能力。案例教学应与传统教学相融合，案例教学是为了更好地提高传统教学效果，在课时紧张的情况下，也不宜抛弃传统教学方法，应将案例贯穿于教学内容中，提高讲课效率，提升教学效果。

4结语

“岩石物理学基础”课程是勘查技术与工程专业的一门专业基础课，在勘查专业本科生工程能力培养中有着重要作用。该课程教学过程中应用大量难度适宜的案例辅助教学，有助于勘查专业学生加强理论与实践的结合，极大激发学生学习兴趣，启发学生独立思考，让学生利用相关知识在工程案例中进行实践，将该课程的重难点理解透彻，真正理解和掌握所学知识，培养学生的综合应用能力和创新能力，提升解决复杂工程问题的能力。

基金项目：四川省2021―2023年高等教育人才培养质量和教学改革重点项目“创新驱动战略背景下‘双创元素深度融入专业基础课程的教学改革与实践”（JG2021-562）。

参考文献

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