钻探设备国家一流课程建设与实践

赵大军　赵研　范晓鹏

摘  要：为提高钻探设备课程的教学质量、培养地质工程专业创新型人才，根据钻探设备课程的特点、大学生的知识结构与学习特点，通过优化课程内容体系、更新教育理念、改进教学方法、加强课程思政教育，以及加强线上线下教学资源建设，提高课程的教学质量，提高创新型人才的培养质量。钻探设备课程成为国家首批线上线下混合式一流本科课程。

关键词：钻探设备；OBE教育理念；PBL教学法；教学资源建设；一流课程

中图分类号：G642         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）07-0021-04

Abstract： The aim of this paper is to improve the teaching quality and cultivate geological drilling equipment engineering innovative talents. According to the characteristics of the drilling equipment course， college students' knowledge structure and learning characteristics， we optimize curriculum content system， renew education idea， improve teaching methods， strengthen the course ideological education and strengthen the construction of online teaching resources. The quality of the teaching of this course and the cultivation quality of innovative talents have been improved. Drilling Equipment course has become one of the first national online and offline hybrid first-class undergraduate courses.

Keywords： Drilling Equipment; OBE education philosophy; PBL teaching method; construction of teaching resources; first-class undergraduate course

鉆探设备课程是地质工程专业的主干专业课，主要介绍钻探施工过程中应用的钻机、泥浆泵、钻塔、动力机的结构、工作原理、工作特性及适用条件。钻探设备体积大、重量大、结构原理复杂、教学难点多，传统课堂讲授与实验教学模式难以保证课程的教学质量，不利于创造性思维的培养，不能满足新工科创新型人才培养的需求。课程是人才培养的核心要素[1]，为提高地质工程专业的人才培养质量，满足新工科人才培养要求，需创新研究钻探设备课程的教学方法。

一  根据钻探设备课程内容的构成规律，建立了符合学生认识客观规律的课程内容体系

钻探设备是以钻机为主导机械，根据钻机的性能参数选配泥浆泵、钻塔和动力机。钻机的结构原理、工作特性是钻探设备课程的主要内容。改变先介绍钻机结构原理再介绍典型钻机的课程内容体系，根据课程内容的构成规律，建立了符合大学生从感性认识到理论认识客观事物规律的课程内容体系，即先介绍典型钻机构造再介绍钻机结构原理与特性的课程体系，完善了钻探设备课程的理论基础，提高了学生对课程内容的理论认识高度。

课程内容中首先介绍XY-4型立轴式钻机、SPC-300H型转盘式钻机、G-3型动力头式钻机、CZ-22型冲击钻机和KQ型潜水钻机等典型钻机的结构、工作原理、工作特性及适用条件，使学生对钻机整体结构建立感性认识。再根据钻机的构成规律、部件类型、工作特性及设计原理，对钻机的摩擦离合器、变速箱、升降机、回转器、液压系统、给进机构和冲击机构等主要部件的结构进行横向综合比较分析，提高课程的理论水平，达到了“学生可分析评价钻机的举一反三的教学效果”，培养了科学研究思维。

二  基于OBE教育理念的钻探设备课程教学研究

OBE（outcome-based education，基于产出的教育） 是一种基于教学目标的教育模式，其理念是以学生为中心、以目标为导向。OBE教育理念由Spady等人于1981年提出，并成为美国、英国等西方国家教育改革的主要理念[2]。OBE教育理念下，学生有明确的学习目标和预期表现，可以按照各自的学习习惯达成目标，所有的学生均有机会获得成功；可适时修改、调整学习内容、学习方式与学习时间，增加学习机会；教师只负责引导、协助学生达成预期成果。以学生为中心的教育方式，将学生之间的竞争转变为自我竞争，提高学生的学习能力[3]。

（一）  基于OBE教育理念的钻探设备课程实施方案研究

根据OBE理念的反向设计原则，由地质工程专业的培养方案设定钻探设备课程预期要达到的教学目标，由教学目标反向设计课程的教学内容、教学过程和教学模式。基于OBE模式的钻探设备课程实施方案从课程设计、课程评价标准和方式，以及教学活动的实施三个方面进行了构建。

1  钻探设备课程设计

首先定位课程的培养目标，构建一个科学的满足地质工程专业需求和新工科创新性培养的钻探设备的课程设计。采用基于OBE教育理念的基础模块+实践模块+学生任选模块的模块化教学方式。学生可根据自己的兴趣爱好选择任选模块内容进行学习，任选模块内容为国内外先进钻机和泥浆泵的结构、工作原理及工作特性，代表钻探设备国际前沿技术，为培养学生创新意识和勇攀科学高峰精神打下基础。

2  课程评价标准和方式

OBE教育模式，注重的是教学目标和教学成果，教学过程可以多样化。但OBE教育模式的评价方式更应具有科学性和可操作性。改变“一卷定终身”的传统期末考试评价模式，采用理论课堂问答讨论测试、实验课堂测试、课后作业及网络学习讨论测试、期中与期末考试的多元化综合测试评价方式，课程的考核力度大、覆盖面广，学生更加注重课程的学习过程。

3  教学活动的实施

为保证OBE教育模式下学生的主体作用，确保高质量的教学成果，需要灵活多样的教学活动作保障。钻探设备课程实施了线上慕课教学、线下自学、线下真实实验、线上虚拟仿真实验和翻转课堂教学等多种教学活动。学生通过灵活多样的教学活动，自主学习课程内容，充分发挥了学生的主体作用。学生的学习能力、认识事物的能力、总结归纳能力均得到了锻炼和提升。

（二）  构建“线上教学+线下翻转课堂”的混合式教学模式

课程的线上线下教学有机结合是高校人才培养打造“金课”的有效途径之一，借助网络信息技术，推动钻探设备课堂教学革命。以现代教育技术与教育教学深度融合为突破口，构建了钻探设备课程“线上教学+线下翻转课堂”的混合式教学模式。

翻转课堂将传统课堂教师讲授知识的环节提前到课前学习，课堂上留给学生更多的讨论时间，为教师采用多元化的教学方法、培养学生自主學习能力提供了机会。翻转课堂教学采用生讲生评、案例点评、研讨辩论和平行互动等多种形式，教师全程把控和引导讨论学习过程。

三  基于PBL教学法的研究

PBL（problem-based learning）教学法是一种以学生为主体、以问题为导向的教育方式[4]，由美国神经病学教授 Barrows于1969年首创，并很快应用到欧洲各院校的环境化学、工程动力学及电化学等众多学科的教育领域。我国于1986年引进了PBL教学法，并在很多院校化学、生物学、语言文字、法律及教育等领域的课程中得到应用，取得良好的教学成果[5]。与常规教学方法相比，PBL教学法有利于调动学生学习的积极性、主动性、创造性，有利于培养学生的独立思考和多向思维能力，有利于学生灵活运用知识解决实际问题，有利于提高学生的语言表达能力，有利于培养创新型人才[6]。

（一）  PBL教学法问题的设置

PBL教学法的问题设置，是PBL教学法应用的关键[7]。PBL问题的难度应适宜，过难的问题学生会丧失信心、过于简单的问题又会失去探索兴趣。地质工程专业学生的基础知识扎实、专业方向口径宽，但由于专业训练不足，三维空间思维能力欠缺。学生在长期传统教学模式下，知识获取的盲目性大、阅读量低，知识认知片面。习惯网络短时间的碎片化学习。根据维果茨基的“最近发展区”原则设置了课程的PBL问题（共设置了45个），即在教师的启发引导下，学生通过自主努力学习，最终能够解决，收获最大的问题。

钻探设备课程PBL教学法问题的设置，注重以下3个方面的内容。①引出课程基本概念、基本原理的同时，注重问题的引申扩展。引申扩展的问题需结合前修的多门课程进行分析，提高了课程的挑战度。②问题与实际紧密联系，分析问题的同时提出解决措施，既提高了学生的学习兴趣，又提高了学生解决复杂问题的能力，提高了课程的高阶性。③与课程思政有机融合。通过辉煌的钻探设备发展史、“卡脖子”的钻探技术理论问题、我国钻探行业先进的典型人物案例及我国先进的钻机技术成果，深入挖掘了40个钻探设备课程思政元素，并有机融入了PBL教学问题中，以此激发学生的民族自豪感，激励学生为民族强盛而努力学习，提高学生的责任心，树立担当意识、职业道德修养。

（二）  线下课堂讨论与总结

线下课堂汇报可以检验学生的学习效果、提高学生的总结归纳能力、提高语言组织与表达能力，通过讨论与争论还可以提高思辩能力。课堂上，各学习小组选出代表汇报小组自主学习的成果，阐述各小组PBL问题的观点和见解。其他同学可提问并展开讨论。教师把控和引导讨论内容，对学生回答不出的问题或有争论的内容要及时给予解答或解释，最后对各小组进行点评，对讨论内容进行归纳总结。

在长期满堂灌的教育模式下，开始时，大学生不擅于线下课堂讨论，问题讨论不踊跃。为提高课堂讨论效果，我们采取了如下有效措施：①减少课堂讨论学生的人数，使人人参与讨论；②鼓励学生踊跃发表自己的观点，允许学生说错，但需要对学生的错误观点进行客观分析，说明原因，并给出正确的参考答案；③学生思维活跃、接受新鲜事物快、超前意识强，教师一般不轻易否定学生的观点；④讨论成绩计入期末总成绩。一般经过2～3次课堂讨论后，学生的积极性就会高涨起来。

四  钻探设备课程教学资源建设

基于OBE教育理念的PBL教学法，需要丰富的线上线下教学资源，学生才能通过自主学生与讨论，给出PBL问题的合理答案[8]。根据钻探设备部件的内部结构和工作原理的复杂性和抽象性，课程内容与实际联系紧密的特点，采用线上线下相结合的教学方法进行课程教学。线上教学，采用计算机虚拟仿真技术模拟展示设备部件内部结构和工作原理；线下教学，除课堂汇报和讨论外，采用实体实验平台与实验模型的方法进行真实实验教学，学生可动手操作设备、拆装部件，增强对钻探设备结构工作原理的感性认识。

（一）  线上教学资源建设

1  钻探设备课程MOOCs建设

MOOCs（Massive Open Online Courses）为大规模开放在线课程。借助MOOCs课程，学生的学习时间和地点自由，大大方便了学生的课程学习。综合考虑地质工程专业培养方案、课程特点、学生的知识结构和学习特点，将钻探设备课程内容碎片化成多个知识点，制作了总时长1 000余分钟的MOOCs教学视频。依托超星学习通、智慧树网络教学平台，配合授课视频进行线上教学。线上教学平台上配有45个PBL问题、15个作业题和8个互动题，根据课程的教学进度分批发放给学生。

2  设备部件结构原理虚拟仿真三维动画建设

为提高学生机械装配图的读图能力，提高三维空间的想象能力，针对钻探设备课程的教学难点，基于3DSMAX、unity3D计算机仿真软件，研制了钻探设备的冲击机构、振动机构、回转器和升降机等21个设备部件结构和工作原理的三维仿真动画，配合课堂教学，提高了课程的创新性。

3  立軸式钻机钻进VR实验系统建设

钻探设备结构尺寸大、重量大、功率大、运行维修费用高、实验成本高及安全风险大，为解决钻探设备课程的实验难题，提高学生动手能力，采用VR（Virtual Reality，虚拟现实）技术对钻探设备进行虚拟仿真实验。研制了典型的XY-4型立轴式钻机、BW-1型往复式泥浆泵及金刚石绳索取心钻进VR实验系统。通过该实验系统，学生可模拟操作XY-4型钻机的所有动作，模拟演示所有部件的内部结构、工作原理及拆装过程，可调节8级正转2级反转、调节各种工作参数。可操作及拆装BW-1型往复式泥浆泵，调节泵的流量和压力，可检测泵的排出流量与排出压力的关系曲线。可进行金刚石绳索取心钻进，模拟钻机、泵在不同钻进参数下的钻进过程。使学生更加深入地理解钻机、泥浆泵的结构、工作原理及工作特性，理解钻机的钻进过程。

4  新型设备工作视频

为充分展示国内外先进的钻探设备，与实际工程紧密结合，提高课程的创新性，钻探课程超星学习通网络学习平台上配置有10余个目前国内外先进的钻探设备结构及工作视频。主要包括KLEMM805锚杆钻机施工录像、英格尔EP200G绿色城勘履带钻机的行走及泥浆循环系统演示录像、陆海两用集成式钻机组装视频、紧凑型声波钻机施工视频，以及五缸单作用往复式泥浆泵工作原理视频等。这些新型设备的线上教学资源拓宽了学生的视野，增强了专业自信。

（二）  线下教学资源建设

遵循“能实不虚、虚实结合”原则，依托科研资源及教学研究成果，建设符合培养方案及教学大纲要求、符合教学规律的线下真实实验教学资源，以提高学生的实践能力、发现问题与解决问题能力、培养严谨的科学态度和吃苦耐劳的思想品质。

1  钻探设备主要部件拆装实验教具的建设

为提高学生的动手操作能力，增加钻探设备的感性认识，提高解决实际问题的能力，课程建设有XY-4型典型钻机的摩擦离合器、变速箱、分动箱、升降机、回转器及卡盘，BW250泥浆泵的动力端与液力端、LG200型螺杆泵的转子和定子、ISW100-200离心泵的叶轮与泵壳等实体可拆装部件，并配套部件装配图的挂图，实现图、物结合对照实验。学生通过自主拆卸、组装设备部件及测量和绘制零件图，大大提高了动手能力，加深了对钻探设备部件结构原理及工作特性的理解，同时提高了机械装配图的读图能力。

2  实验教学模型的研制

为解决钻探设备工作机构结构原理教学难度大的难点，研制了螺杆泵结构工作原理教学模型、超越离合器式冲击机构教学模型、振动钻机教学模型、曲柄连杆游梁式冲击钻机教学模型、偏心式冲击机构教学模型。学生通过动手操作实验教学模型，更好地理解了钻探设备主要工作机构的结构和工作原理，解决了课程的教学难点。

3  全液压钻机钻进实验系统的研制

为解决全液压钻机液压系统线路隐蔽、结构和工作原理复杂，学生难以很好理解的教学难题，研制了YZS-4型全液压钻机钻进实验系统[9]。学生可观察全液压钻机液压系统的管线布置、各执行元件的工作过程；手动及电动操纵液压系统，完成液压钻机的回转、给进、导杆、加减压钻进、提升钻杆、夹持及拧卸钻杆和起落钻塔等工作；可手动调节给进压力、给进速度、回转速度，观察相应部件的工作特点；可检测各工作部件液压系统的压力、流量、转速、给进速度和油温等工作参数，并分析各部件工作特性，加深对钻机液压系统结构和工作特性的理解。

4  升降机冲击钻进实验平台的研制

为解决升降机结构原理及自动冲击钻进技术的教学难题，研制了SZ-300型升降机冲击钻进实验平台[10]，学生可进行行星轮式升降机的提升、下降、悬挂、微动升降钻具的操作实验；水刹车控制钻具下降速度的操作实验；升降机手动及自动冲击钻进实验；冲击钻进参数（冲程、钻具下降速度与提升速度）测试实验。为冲击钻进的冲击功、钻进速度，升降机与水刹车的工作性能分析提供实验数据。

五  教学实践

通过2019—2023年的教学改革与实践，钻探设备课程的教学质量得到了大幅度提高。吉林大学地质工程专业培养的300余名大学生，取得了与课程内容相关的大量科学研究成果，完成了42项大学生创新性实验计划项目研究（其中国家级项目13项）及78篇毕业论文、获得相关专利21项、发表论文22篇。提高了钻探设备课程的高阶性。钻探设备课程被评为吉林省高等学校精品课程、吉林省精品在线开放课程、吉林省课程思政示范建设课程、国家首批线上线下混合式一流本科课程。

六  结束语

为提高钻探设备课程的教学质量，培养创新型人才，课程组通过更新教学理念、优化课程内容体系及教学方法、加强课程思政教育，建设丰富的线上线下教学资源，提高了地质工程专业本科生的培养质量。

1）根据课程内容和课程特点，基于以学生为中心的OBE教学理论、PBL教学法，充分利用网络教学资源，采用了线上线下混合式的教学模式，将课程思政融入PBL教学法中。提高了学生的学习主动性及自主学习能力；提高了人际交往能力和语言表达能力；提高了解决复杂工程问题的能力；提高了创新意识；提高了团结协作、刻苦钻研、勇攀科学高峰的思想品质。

2）根据学生的知识结构和学习特点，建设了钻探设备MOOCS线上开放课程、设备部件结构原理虚拟仿真三维动画、立轴式钻机VR实验系统、新型钻探设备工作视频等丰富的线上教学资源，保证了线上教学质量。

3）为提高学生的动手实践能力，提高探索与解决实际问题的能力，培养严谨的科学精神，建设了钻探设备12个拆装部件教具、5个实验教学模型、1台全液压钻机钻进实验系统、1台升降機冲击钻进实验平台等实体教学设施。解决了课程的教学难点，加深了学生对课程核心内容的理解，提高了动手实践能力和创新能力。

参考文献：

[1] 宦克为，韩雪艳，岳丹，等.国家级一流本科专业建设背景下的红外物理课程教学模式改革研究[J].高教学刊，2022（8）：39-42.

[2] 申天恩，申丽然.成果导向教育理念中的学习成果界定、测量与评估——美国的探索和实践[J].高教探索，2018，34（12）：49．

[3] 宋跃，陈想平，胡胜，等.基于OBE的课程评估实践与思考实验室研究与探索，2021，40（2）：215-217.

[4] 萧时诚，秦淑娟，张园.新型PBL教学法在CAD通识课中的应用[J].教育现代化，2018，5（23）：97-99.

[5] 陈润，琚生根，周刚，等.基于PBL教学法的计算机组成原理实验项目研究[J].实验科学与技术，2016，14（6）：154-158.

[6] 刘凌云，江静，王棚涛，等.PBL教学法在生物化学教学中的应用研究[J].中国现代教育装备，2014（11）：62-63，72.

[7] 王颖.维果茨基最近发展区理论及其应用研究[J].山东社会科学，2013（12）：180-183.

[8] 张磊，都健，王瑶，等.化工过程分析与合成国家级一流本科课程建设与应用[J].化工高等教育， 2022，39（2）：95-100.

[9] 赵大军，赵寰宇，李家晟，等.升降机冲击钻进实验平台的研制[J].实验技术与管理，2021，38（8）：82-85.

[10] 赵大军，吴金发，赵研，等.多功能液压钻机实验平台的研制[J].实验技术与管理，2021，38（4）：94-97，103.

基金项目：吉林省教学改革重点课题暨吉林大学本科教学改革研究重点项目“钻探设备课程PBL教学法研究”（2017XZD060）；吉林省高等教育教学改革研究课题暨吉林大学本科教学改革研究重点项目“基于OBE理念的钻探设备金课建设”（2019XYB212）；吉林大学本科教学改革研究重点项目“钻探设备系列课程研究性教学模式改革”（2021XZD043）；吉林大学本科教学改革研究项目“向产出的地质工程专业课程质量评价体系研究与实践”（2019XZD049）

第一作者简介：赵大军（1964-），男，汉族，山东蓬莱人，博士，教授，地质工程实践教学中心主任。研究方向为复杂地层钻探技术。