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CDIO工程教育模式的油气渗流力学改革

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发布日期:2018-05-26 15:14

摘要:针对学生在学习油气渗流力学中表现出来的创新能力和学习能力不足以及油气渗流力学课程中存在的教学难,理解难等问题,结合CDIO教育理念和模式,从理论教学、实践培养、人际交往和社会融合诸方面进行探索,将课堂教育与课后自主学习相结合,改进教学环境,提高学生认知水平,进而构建油气渗流力学培养的新模式。

关键词:地下渗流力学;CDIO;教学改革

瑞典皇家工程学院、美国麻省理工学院等国际知名大学在20世纪90年代创立了“CDIO”工程教育理念——CDIO是Conceive(构思)、Design(设计)、Implement(实施)和Operate(运行)4个英文单词的缩写[1]。其核心理念是利用丰富的大学资源、学科齐全等优势,在专业核心课程教学中,结合产品从研发、设计、生产到运行过程中涉及到的相关经济、技术、企业和社会等一系列团队综合大项目,融入工程实际,训练和提高学生个人素养、基础知识、工程意识和团队精神[2-3]。渗流力学主要研究在多孔介质中流体的流动规律,不仅源自于流体力学,也与其他学科有不同程度的关联性,经常运用在工程技术方面,如石油天然气工程地下流体能源开发等。油气层有着极其复杂的内部空间结构和不规则的外部几何形态,油藏流体在内部分布特征和流动情况复杂多变,认识渗流的普遍规律、建立油气储层特征数学方程都需要渗流力学作为基础[4]。渗流力学教学目标是掌握各种驱动条件下地层流体所表现出不同运动规律,能够熟练计算产能,利用不稳定试井方法得出地层各个参数,为实际工程应用奠定坚实基础。渗流力学具有3个比较突出的特点:纷繁复杂的理论所表现出的基础性,能够在工程中得到实践的应用性,与其他多学科相关的前沿性。对学生来说,渗流力学研究对象为在多孔介质中流动的流体,研究目标为流体的流动规律。正是由于相对抽象的研究目标和对象,学生无法切实体验,任课教师难以用阐述。另外,假设条件繁杂、数学模型抽象、理论推导理解困难、教学过程乏味,大部分学生感到无从学起。加之要求学生有一定数学建模基础,但大部分学生并不了解数学建模,无法将实际生产与数学公式之间联系起来,无法形成高效、系统的学习方法。对教师来说,现代渗流力学是与多种基础学科相互渗透的交叉性学科[5],知识跨度范围大,由于不同专业学生所具备的背景知识有差别,难以掌控教学难度。高等工程教育改革迫在眉睫的问题是培养和提高创新性和实践性。为了解决这些问题,在课程教学中,将教师单方面教授知识转变为让学生涉及其中的研究活动,理论与实践相结合,挖掘学生潜力,培养创新性思维,提高探究性学习能力,学以致用。因此,需要利用“CDIO”工程教育理念对教学模式进行创新和改革,提高学生创新精神和实践能力,从而培养创新意识和CDIO工程能力[6]。“CDIO”工程教育模式不仅能够培养创新和实践能力,还整合了4种能力结构:理论层面知识体系,实践层面能力体系,人际交往技能体系,与社会融合技能体系。以培养这4种能力为目的,对渗流力学课程进行了探索和改革。教师主导基础理论知识,主要任务是将学生思路引向实际,学生结合储备知识具体分析实际问题,把基础理论与实践应用结合起来,客观生动地理解课程内容。尝试新的实践教学方法,整合实践教学内容,改变实践课程系统,建立基本职业技能培训与理论教学相辅相成的实践教学新理念,巩固学生基本技能,增强个人与团队协作,学生开发创新能力和职业素质培养齐头并进。

一、理论知识教学

将理论知识与学科发展新成果结合起来,通过各种教学手段,传递学生需要掌握的内容,引导严谨思考,增强创新意识。为了使理论教学客观生动,使用FLASH动画等现代教育手段(尤其是在势的叠加、水驱油理论、压降漏斗等较为抽象的章节),激起了学生的学习兴趣[7]。注意常规教学方法与现代教学技术手段相结合、理论与实际相结合、课堂与课后相结合及讲授与课堂讨论相结合,激发学生学习的主动性,使学生分析和解决问题能力得到提升。一是常规教学方法与现代技术手段结合。知识点存在难易,由简到繁讲解知识点,必然有相互联系密切的知识点,引导学生在大脑中建立树状图,由主干知识延伸到分支,分支越多,对于知识的掌握就越丰富。比如,在讲解达西渗流时,从一维线性流动推广为多维,从单相流推广为多相流,从平面一维线性流推广为径向流。总之,通过知识点间的相互联系和对比,使学生掌握新知识的同时复习旧知识[8]。在推导书本理论公式过程中,适当采用板书形式,使学生深刻记忆并且透彻理解公式中各个量的物理意义。对于工程案例,利用多媒体教学,采用课件形式不仅能够动态表现工程实施,还使数学建模理论浅显易懂,提升学习效果。二是理论与实际结合。针对课堂讲授较为枯燥,课程理论性较强的特点,在教学中将一些生活中的知识融入,使学生感到理论知识贴近生活,减少对课程的疏离感,激发学习兴趣。比如,可以通过营养液在植物内的流动来阐述“渗流”的概念。三是理论与实际研究结合。授课时将教师对“渗流力学”相关实际研究成果引入,将教师发表的有关论文作为延伸阅读,丰富和延拓课堂教学内容。通过教学案例,把前沿知识传递给学生,在提高课程教学质量的同时,使学生加深对学科的认识和理解。四是理论与现场应用结合。学生在渗流力学的课堂教学中,开始要学习基础概念和专业名词,如流量、压差;接着是掌握一系列规则和定律,并且理解概念间的关联性,如达西定律之中通过压差,可以联想到流量和渗透率这两个概念;最后是应用,即严格按照定律尝试解决问题,如计算油田产能。可以通过渗流力学公式预估产量,甚至可以设计产能。应将主要精力放在引导学生解决问题上,使学生在学习过程逐步产生兴趣,提高创新思维。五是课堂与课后结合。仅传授知识无法培养创新意识,要在教学过程中激发学生创新思维。鼓励学生参加全国石油工程知识竞赛和石油工程设计大赛,学生可以直接应用所学知识。在设计大赛中,要求将多门石油学科相结合,以培养卓越工程师为目标,充分发挥创新能力,设计作品,锻炼和提高专业素养和能力。另外,学校自行组织相关活动,促使学生参加,如西南石油大学组织了石油工程小知识竞答,并为优胜者颁发奖状。六是课堂讲授与讨论结合。结课时将学生分小组并进行课堂演讲,学生自主讨论如何分析与建立模型。具体学习步骤如下:联系工程实际问题和理论知识,抽象出渗流数学模型;通过数学模型,转换为理论计算;通过计算结果,进行分析,阐述问题本质与规律。

二、实践能力培养

在渗流力学课程实践教学方面,要求学生不仅有处理理论问题与工程实践技能,还要有知识创新与实验验证技能。联系所需人才要求和特点以及行业发展,将有关实际现场项目和知识系统结合,制订成实践教学内容。在学生项目设计过程中,掌握要求内容,丰富知识面,核心是CDIO工程教育理念,将构思、设计、实施、运行这四大环节融汇在实践教学中。在设计实践教学过程中,指导学生有条不紊地完成CDIO的四个环节,具体实践过程中,以工程和实验设计实现学生实践能力培养。(一)实验项目侧重训练学生实验基本技能、创新研究和综合设计能力,努力减小教学性实验与工程实践的差别。创建了“以基本实践教学为主体、创新能力提升和知识技能拓展为两翼”的工程实践创新机制。经过实验环节,提升学生对理论知识的认识。学生能够实际上手的是验证性实验,其大致分两类,一类是单向稳定渗流和径向稳定渗流实验,另一类是多井干扰渗流场模拟实验。比如,不可压缩流体单向稳定渗流实验和平面径向流,观察压降情况,并且验证达西定律。实验结果与现场相差较大,实际情况下油气储集和渗流通道中充满了缝隙,学生需要分析产生误差的原因。首先,分析实验设计部分,实验原理是否正确,实验步骤是否合理,是否契合实际情况,假设条件是否得当,是否考虑了流体流动状态、地层是否均质(非均质程度)、井间干扰的状况。其次,分析实验操作,基本的操作是否得当,是否产生了偶然误差。增开“渗流力学”虚拟实验,选择开设水电比拟实验研究,了解径向流、井间干扰和井段之间的相互作用;水力积分仪实验模拟地层条件,观察压力随时间的变化过程。通过多媒体、仿真和虚拟现实等技术手段创建模拟实验操作环境,实验者同样可以完成一系列实验项目,得到的结果与实际操作中所获得的结果相差不大。开放研究生渗流力学实验室,为申请科研课题和爱好科技创新的学生提供实验平台。通过专题讲座、导师论坛、配置专门指导教师等形式,帮助学生学会课题研究和科技创新方法,多渠道建设创新实践平台,为学生提供创新机会。组织和帮助学生设计实践教学,学生参与课题研究。将学生分成多个小组,教师提出一个大课题,学生以此为基础讨论小课题,经过调研、设计、试验、总结、成果展示等一系列过程完成课题研究。(二)软件应用将各类数学软件进引入课程学习,能够快捷计算、绘图、优化、处理数据。利用主打具有丰富工具包Matlab、主打符号计算的Maple和主打建模的Eclipse等软件对偏微分方程进行数值模拟、分析和仿真。例如,渗流力学中的各种符号计算以及数值计算,能够加深学生对渗流力学的熟悉程度,明白公式所代表的意义,提高分析以及解决问题能力。

三、人际交往能力培养

人际交往能力包括与个人、团体协作能力、沟通能力以及大局意识。基于“CDIO”教学模式的改革,能够培养学生团队合作、交流沟通、积极创新等品质。在教学过程中,将学生分为多个项目组,每组设立一个组长,组员与组员互相协作形成有效的团队。除此之外,学生走向社会,积极深入相关企业学习团队合作,逐渐培养团体协作精神、创新精神、工程精神、社会交往和实际运用能力等。对考核方式进行改革。改变过去陈旧的“教师对学生进行评价”模式,学生既担当项目参与者角色,也是评价者。通过这种模式,学生能够将自己的主观能动性发挥出来。结课时,要求每组学生分别从如何设计构思、如何操作运行、最后结论、项目总结和最终收获5个层面进行答辩。项目最终评分分为3部分:任课教师给每个小组评分,小组讨论互相评分,小组自评打分。3个方面的得分按照一定比例加权就是每个小组的最终得分。在这种小组协作互动型考核模式中,通过自评与互评,最大程度利用了教学资源以及最优化教学效果,学生能够不断相互学习与自我提升。

参考文

[1]CRAWLEYE,MALMQVISTJ,OSTLUNDS,etal.,Rethinkingengineeringeducation[J].TheCDIOApproach,2007:302.

[2]顾佩华,包能胜,康全礼,等.CDIO在中国(上)[J].高等工程教育研究,2012(3):24-40.

[3]胡文龙.创新时代的工程教育发展:挑战与应对—2016年“CDIO工程教育联盟成立会议”纪要[J].高等工程教育研究,2016(2):32-33.

[4]李晓平.地下油气渗流力学[M].北京:石油工业出版,2008:1-21.

[5]卞小强,李靖.基于MOOC的油气层渗流力学教学改革启示[J].石油教育,2015(3):94-98.

[6]杨学锋,曹树坤,陈乃建,等.基于CDIO的机械工程类学生创新能力培养的研究[J].中国现代教育装备,2015(15):77-79.

[7]陈军斌,黄海,张荣军.深化课程教学改革与实践建设特色鲜明的渗流力学省级精品课程[J].教育教学论坛,2011(12):107-109.

[8]陈军斌.“油气渗流力学”课程教学改革的研究与实践[J].石油教育,2016(3):32-35.

作者:卞小强 黄金辉 杨火海 单位:西南石油大学石油与天然气工程学院

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出版地:北京

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