石油工程巖石力學工程案例教學方案設計

譚 強 鄧金根 蔚寶華

（中國石油大學（北京）石油工程學院 北京 102249）

“巖石力學”是固體力學的一個分支，主要研究巖石在外界因素作用下的應力應變關系和穩(wěn)定或失穩(wěn)狀態(tài)，具有理論性和應用性較強、與實驗結(jié)合緊密等特點。在我國本科教育中，“巖石力學”課程也是土木工程、水利水電工程、石油工程等專業(yè)需要學習的基礎課程之一。對于石油工程專業(yè)，“巖石力學”課程除講授基本概念和基本原理之外，還介紹深部地層地應力的測量方法，油氣鉆完井過程中井眼周圍應力狀態(tài)，以及巖石力學在井壁穩(wěn)定、水力壓裂、套管損壞、油井出砂等方面的應用等內(nèi)容。

“石油工程巖石力學基礎”課程面向大三本科生，講授巖石力學的基本原理及其在石油工程中的應用。目前，僅以傳統(tǒng)的傳授書本知識為主的板書和PPT課堂教學模式已不能滿足應用型本科人才培養(yǎng)的需求。如果仍按照傳統(tǒng)的教學方式進行教學，容易出現(xiàn)學生對知識只能寬泛了解而掌握不牢的現(xiàn)象，也難以讓學生高效地接受知識。

目前，國內(nèi)工科院校正在普遍推行工程教育專業(yè)認證，旨在進一步提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，并實現(xiàn)工程教育的國際互認和工程師資格的國際互認。工程教育專業(yè)認證鼓勵培養(yǎng)應用型人才，在“培養(yǎng)目標”標準中要求既要遵循本科教育規(guī)律，又要體現(xiàn)學科特色和學術前沿；在“課程體系”標準中要求將傳統(tǒng)教學中的理論知識傳授與實踐能力培養(yǎng)融合到一起。因此，適時將實際工程案例引入石油工程巖石力學教學中，有助于學生了解石油工程現(xiàn)場實際情況，加深理解巖石力學基本原理，掌握巖石力學基本知識在石油工程中的應用方法，更好的達成符合工程教育專業(yè)認證標準的教學培養(yǎng)目標。

1 工程案例教學設計原則

案例教學法是一種理論與實踐相結(jié)合的教學方法，對培養(yǎng)學生的思維和創(chuàng)新能力具有積極的推動作用。工程案例教學的重點在案例的選擇和案例與理論知識的結(jié)合。選擇的案例應具有典型性，典型案例一般與課程重要知識點結(jié)合緊密，有助于學生對巖石力學重要知識的理解和掌握，同時能給學生留下較深刻的印象。

同時，案例應難易適中，不宜過于復雜。有學者建議工程案例教學中案例選擇由簡單開始，循序漸進，逐漸增加難度。對于本科生，由于接觸專業(yè)課時間不長，工程實踐經(jīng)驗尚不豐富，需要給予一段時間適應工程案例教學方法，因此不宜選用難度過高的復雜工程案例進行教學。

另外，案例應對學生有啟發(fā)性。合適的工程案例能夠吸引學生的學習興趣，啟發(fā)學生對理論知識進行深入思考，培養(yǎng)學生舉一反三、觸類旁通的能力，加深學生對知識的理解程度。而不適合的工程案例不僅起不到鞏固基礎知識的作用，反而有可能產(chǎn)生反作用，使學生對知識的學習產(chǎn)生心理抗拒。

最后，工程案例分析結(jié)論應具體、準確。石油工程的施工對象主要是深埋在地下的巖石，由于目前技術手段的限制，對地下巖層的認識還存在諸多不確定因素，這些不確定因素往往導致很多工程實踐問題具有多解性，或者部分問題的深層次機理尚無定論。在工程案例的選擇中，應避免選用分析過程和結(jié)果較為模糊的案例，否則可能引起學生產(chǎn)生誤解，影響對理論知識的消化吸收。

除工程案例選擇外，案例教學方法的設計也非常重要。案例教學從方法上可以分為演示型案例教學、討論型案例教學和角色型案例教學三類，其中討論型教學以教師和學生的互動為基礎，因此最適合在課堂上進行。優(yōu)秀的工程案例教學設計應能引導學生主動思考問題，可采用工程案例導入、分組研討、關鍵問題講解、課后鞏固練習的方式，使學生明確課程所學知識內(nèi)容在工程實中的作用，促進本科生對基礎知識點的掌握。在課程中導入案例的方式有案例設疑法、案例比較法、案例討論法、演示觀摩法等多種，針對“石油工程巖石力學”課程的特點，建議采用案例設疑或案例比較的方法導入工程案例，并結(jié)合重要知識點進行討論、講解。在教學中，應充分運用慕課、微課等方式提升學生在課堂的參與度，在研討過程中鞏固對知識點的理解。

2 石油工程巖石力學工程案例教學設計

基于本文提出的工程案例教學設計原則，篩選難易適中、與書本知識點結(jié)合緊密且分析過程和結(jié)論清晰的典型案例作為課堂教學工程案例。以石油工程巖石力學中“地應力”一章中的重要知識點地應力測量為例，講解地應力現(xiàn)場測量方法時，設計采用工程案例教學提高學生的學習興趣。

水壓致裂法是一種工程中測量深層地應力大小的主要方法，在石油工程相關的油田現(xiàn)場施工中，由于成本控制和生產(chǎn)安全等原因，一般不會專門采用該方法進行地應力測量。但鉆井過程中的地漏試驗和油氣井增產(chǎn)作業(yè)中的水力壓裂施工過程與水壓致裂法測量地應力較為相似，可以借助這些工程數(shù)據(jù)分析地應力大小。因此將地漏試驗數(shù)據(jù)和水力壓裂數(shù)據(jù)作為工程案例數(shù)據(jù)引入課堂教學，引導學生討論地應力大小的分析方法，加深對理論知識的理解。設計工程案例教學流程如下。

工程案例教學開始→水平地應力計算理論講解→引入工程案例→工程案例分析討論→工程案例講解→布置課后復習作業(yè)→工程案例結(jié)束

首先，給學生講解水平地應力力計算的基本原理，使學生初步認識和基本掌握水壓致裂法測量地應力的理論分析方法，以便后續(xù)在工程案例分析討論中進行應用。水壓致裂法測量地應力時理想的“時間-壓力”曲線如圖1所示，從曲線上可以讀取破裂壓力Pf、裂縫延伸壓力Pprop、裂縫閉合壓力Pc和重張壓力Pr。工程分析中一般認為裂縫閉合壓力與水平最小主應力相等，然后根據(jù)井眼周圍的應力分布，利用破裂壓力、重張壓力和閉合壓力計算水平最大主應力。

然后，在學生掌握水壓致裂法測量地應力數(shù)據(jù)分析方法的基礎上，通過案例設疑法和案例比較法引入工程案例。由于實際工程中的地漏試驗曲線和水力壓裂曲線受施工條件影響與理想水壓致裂地應力測量曲線有差異，因此在引入工程案例時通過設疑，引導學生思考工程曲線與理想曲線之間有哪些不同，為什么會產(chǎn)生這些不同。同時也將地漏試驗曲線與水力壓裂曲線進行對比，讓學生觀察這兩種工程曲線之間的差異。

圖1 水壓致裂法測量地應力的典型曲線

引入工程案例之后，組織學生就如何利用地漏試驗曲線和水力壓裂曲線評估地應力大小進行分組討論。分組討論教學將學習的主動權交給學生，有助于激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)自主學習能力和團隊協(xié)作能力，提高學生解決問題的能力，更符合當代大學生的心理特征。在分組討論過程中應注重調(diào)動學生的主觀能動性，盡可能讓學生由以往的被動聽課轉(zhuǎn)換為主動思考、學習。在同學們充分討論的基礎上，由教師進行總結(jié)講解，對討論內(nèi)容查漏補缺，并進一步強調(diào)工程實際與理論的緊密聯(lián)系。例如，由于大多數(shù)同學沒有在工程現(xiàn)場實習的經(jīng)歷，對現(xiàn)場施工工藝和步驟并不了解，需要教師進行補充講授，使工程案例教學的效果得到加強。

最后，在課堂教學后設計相關的課后作業(yè)。課后作業(yè)能夠讓學生鞏固課堂學習內(nèi)容，也可以讓教師了解學生對知識的掌握情況。因此，在課后作業(yè)中對地應力測量問題加以引申，提出問題：如何利用定向井的地漏試驗曲線和水力壓裂曲線分析地應力大小，督促學生在課堂學習的基礎上進一步深入思考，同時鍛煉學生的自我學習能力。至此，完整的工程案例教學結(jié)束。

3 結(jié)束語

對于大部分工科專業(yè)，在教學中引入工程案例有利于教學工作的順利、深入開展，有助于激發(fā)學生的學習興趣，使學生主動參與到教學過程中來，加深對理論知識的理解和對工程實際問題的認識。教學中選擇的工程案例應具有典型性，能夠啟發(fā)學生思考，難易適中且能呈現(xiàn)具體準確的分析結(jié)果。在工程案例教學程序設計中，要堅持理論聯(lián)系實際，鼓勵學生主動思考、積極討論，同時教師應對課堂討論中不清晰或有遺漏的地方進行補充講解，將知識點講深講透?？傊?，優(yōu)秀的工程案例教學設計使學生在學習中形成“理論知識—案例分析—應用研討—知識總結(jié)”的良性循環(huán)，有助于提高學生對理論知識的理解深度和利用理論解決實際工程問題的能力。