“油氣地球化學(xué)”本科教學(xué)實踐中新理念的應(yīng)用探索
——“學(xué)科交叉”和“理論實踐結(jié)合”

魏 琳，侯讀杰，尹 嘉，程 熊

（中國地質(zhì)大學(xué)〔北京〕 能源學(xué)院，北京 100083）

一、“油氣地球化學(xué)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀

“油氣地球化學(xué)”是資源勘查工程專業(yè)本科重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課之一。課程不限于關(guān)注“油氣藏在哪里及如何尋找”，而是更強調(diào)如何用地球化學(xué)手段探究沉積物中的有機質(zhì)的形成、類型及化學(xué)組成，分析石油與天然氣資源怎樣形成、運移方式、充注及聚集，課程也是成為油氣勘探的三大理論（石油地質(zhì)、地球物理和油氣成藏）基礎(chǔ)之一[1，2]。

“油氣地球化學(xué)”課程內(nèi)容綜合性強，涉及地質(zhì)學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、沉積學(xué)和有機地球化學(xué)等多學(xué)科知識。油氣地球化學(xué)學(xué)科的技術(shù)手段應(yīng)用也非常廣泛，包括傳統(tǒng)油氣勘探以外的非常規(guī)油氣、環(huán)境和氣候、生物進化發(fā)展等幾大主要研究領(lǐng)域，皆為我國重點科研領(lǐng)域和經(jīng)濟發(fā)展的重要關(guān)聯(lián)學(xué)科[3]。綜合來說，油氣地球化學(xué)方法在石油地質(zhì)相關(guān)的氣候、環(huán)境、能源其他領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前本門課程的講述還是緊密圍繞有機質(zhì)形成演化、干酪根形成演化、石油與天然氣的化學(xué)特征等展開。由于“油氣地球化學(xué)”課程自身綜合性強的特點，單向的灌輸類教學(xué)就學(xué)生而言背誦信息過多。若持續(xù)施以傳統(tǒng)的教學(xué)方式，學(xué)生興趣和學(xué)習動力不足，也限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為了培養(yǎng)研究型思維和創(chuàng)造能力的高層次人才，學(xué)科改革亟須深刻明確的路線和方向。作為“油氣地球化學(xué)”課程的主講老師，筆者重點在課程內(nèi)容、實驗課方式和結(jié)課考核方法等方面進行了一些探索和實踐，在合理化的基礎(chǔ)上逐步對內(nèi)容進行調(diào)整和提高。

“油氣地球化學(xué)”課程又是一個實行改革非常好的課程對象，與其相關(guān)專業(yè)課程相比，油氣地球化學(xué)是應(yīng)用地球化學(xué)手段、解決油氣勘探問題，相關(guān)的思路、思維方法可應(yīng)用的領(lǐng)域是十分廣泛的。筆者建議課程下一步需調(diào)整和優(yōu)化傳統(tǒng)授課思路，特別是根據(jù)油氣學(xué)科的新創(chuàng)新方向調(diào)整授課的內(nèi)容和方法。實現(xiàn)這個目標要做好兩方面的整合：一是將地球化學(xué)授課知識與環(huán)境科學(xué)等相關(guān)學(xué)科應(yīng)用知識相融合，在“學(xué)科交叉”指導(dǎo)思想下，有限地補充和擴展應(yīng)用實踐，促進學(xué)生對專業(yè)課程的理解；二是整合地球化學(xué)課程，理論與實踐相結(jié)合，不僅僅局限于讓學(xué)生背誦和理解專業(yè)詞匯，而是能夠辯證性看待實驗數(shù)據(jù)，見微知著，學(xué)會思考和理解數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性、代表性和局限性。并能夠初步結(jié)合統(tǒng)計算法等知識，對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析等。

二、課程內(nèi)容的調(diào)整和科研思維的貫徹

（一）合理擴展課程緒論內(nèi)容和多學(xué)科應(yīng)用實例講解

在緒論中，除介紹傳統(tǒng)石油勘探情況、國內(nèi)外油氣田發(fā)現(xiàn)、油氣價格變動以外，增加介紹當前相關(guān)領(lǐng)域更廣闊更熱門的發(fā)展方向。比如，目前我們石油勘探的最新方向是深地和深海的勘探，深地方向包括松遼盆地、塔里木盆地和四川盆地對深層碳酸鹽巖和深層頁巖勘探取得的成績。深海項目中，“蛟龍?zhí)枴笔侵袊顝姶蟮臐撍髦唬饕撠熆茖W(xué)考察等內(nèi)容。中國的深空探測項目中，“毅力號”火星車探測火星的地貌和巖石特征，尋找生命的證據(jù)。在火星探測中，傳統(tǒng)沉積學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)手段對于揭秘火星尋找生命證據(jù)相關(guān)的溝渠地貌、含水礦物特征、大氣中甲烷等研究具有重要指示意義和貢獻。

在課程后面相應(yīng)內(nèi)容中增加地球化學(xué)相關(guān)技術(shù)和知識在多領(lǐng)域的應(yīng)用實例講解，比如在講到烴源巖生烴的時候，一般會提到金屬元素的催化生烴作用。金屬元素在地質(zhì)和其他相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，在古海洋學(xué)和古氣候?qū)W研究中，銅和鋅同位素對早期地球海洋氧化還原狀態(tài)、氣候條件和生產(chǎn)力有重要指示作用。為提升學(xué)生興趣，可增加生活相關(guān)領(lǐng)域?qū)嵗?，比如Zn元素在防曬護膚品中也有廣泛應(yīng)用，納米級氧化鋅、鈦、銅元素具有屏蔽紫外線的能力。在講到天然氣的組分研究中，除了傳統(tǒng)的甲烷碳、氫同位素區(qū)分天然氣來源的知識內(nèi)容，增加介紹繼傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素之后，“團簇”同位素是新的具潛力的革命性技術(shù)。

（二）教學(xué)的啟發(fā)、互動和辯證講解

目前課程的部分內(nèi)容需要重新整合，教學(xué)內(nèi)容不應(yīng)局限于介紹定義和概念，還需增加學(xué)生未來的雇主可能更加關(guān)心的問題，特別注意教學(xué)的啟發(fā)性，引發(fā)學(xué)生對知識的主動思考[4，5]。比如介紹碳同位素、油氣物化參數(shù)（密度、黏度、氣油比）時，不要僅限于概念介紹，要引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)據(jù)本身出發(fā)，講解實際油田實例中，真實的不同參數(shù)對于油氣充注和運移的指示意義、多解性和局限性。教師在講解巖石露頭的破碎和風化作用時，不要局限于詳細解剖巖石是如何破裂和風化，而是要探索這些裂縫是如何影響受污染地下水的運動。這些的分析和思考遠遠比簡單的背誦概念更重要。

（三）地球化學(xué)數(shù)據(jù)的見微知著，不要浮于表面，加深對課程的理解

見微知著是地球化學(xué)思維的根本和魅力，從局部的數(shù)據(jù)特點出發(fā)，結(jié)合整體地質(zhì)現(xiàn)象解釋，這種以小見大的思考方式，不僅有利于本科學(xué)生的知識和能力培養(yǎng)，更可以使學(xué)生對地球化學(xué)實驗和數(shù)據(jù)擁有充分的好奇和探究思考的熱情[6]。由于大三學(xué)生第一次接觸見微知著的思想，如果只照本宣科，很容易使問題浮于表面，難以讓學(xué)生理解并領(lǐng)會。比如在介紹烴類的碳、氫同位素概念時，舉出實際勘探盆地中不同油井的烴類同位素具體數(shù)值和差異，并帶領(lǐng)學(xué)生從地球化學(xué)的角度重點講解這些問題對解釋相關(guān)科學(xué)問題的應(yīng)用。之后，進一步結(jié)合實際地質(zhì)過程對液態(tài)烴的碳氫同位素值的多重控制作用，形象地展示見微知著的思想在分析基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)和宏觀地質(zhì)現(xiàn)象中的作用。結(jié)合其他領(lǐng)域講解見微知著思想的科學(xué)共通性，提升數(shù)據(jù)分析的地球化學(xué)思維，提高學(xué)生的理解能力。

（四）結(jié)合油氣地球化學(xué)的實例需求，增加統(tǒng)計學(xué)的知識內(nèi)容

大學(xué)生普遍有概率論和線性代數(shù)基礎(chǔ)，目前的科研實踐中，將數(shù)學(xué)和統(tǒng)計方法引入實例解決問題是非常重要的能力培養(yǎng)[7]。目前相關(guān)的能力培養(yǎng)還比較欠缺，導(dǎo)致學(xué)生分析問題時偏重表面化和簡單化。

統(tǒng)計學(xué)的基本方法原理包括相關(guān)性分析與回歸分析，聚類分析兩種基本類型，還包括灰關(guān)聯(lián)分析和模糊決策綜合評價等[7]。教師在講解基本原理時，首先介紹統(tǒng)計方法解決油氣勘探的實例，引發(fā)學(xué)生好奇心，通過統(tǒng)計方法的數(shù)學(xué)應(yīng)用和方法結(jié)合，根據(jù)不同地質(zhì)數(shù)據(jù)和問題采用相對應(yīng)的統(tǒng)計學(xué)方法，明確層層遞進分解的統(tǒng)計邏輯和計算步驟，結(jié)合數(shù)據(jù)的基本特點進行合理的解釋，最終達到讓學(xué)生利用所學(xué)到的多層次統(tǒng)計方法去更好地理解地球化學(xué)實測數(shù)據(jù)和地質(zhì)過程的目的。

三、“油氣地球化學(xué)”實驗課內(nèi)容的調(diào)整和改進

目前，我校“油氣地球化學(xué)”實驗課的主要教學(xué)內(nèi)容為化石燃料的有機質(zhì)中可溶有機物提取、分離、成分檢測等方面的教師演示和學(xué)生操作。這方面的教學(xué)內(nèi)容屬于我院石油地質(zhì)專業(yè)傳統(tǒng)的研究重點和基礎(chǔ)，但是目前我國學(xué)科發(fā)展不斷更新創(chuàng)新，往年較為固定單一的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)難以適應(yīng)并滿足“十四五”油氣領(lǐng)域的新的指導(dǎo)思想和“00后”學(xué)生的好奇心?？傮w來說，石油地質(zhì)學(xué)科的較新的方向已經(jīng)向深水深地深層勘探、非常規(guī)頁巖油氣、環(huán)境氣候交叉及納米科技應(yīng)用等方面變化。如果還局限于傳統(tǒng)基礎(chǔ)展示性的實驗，那么課程為學(xué)生傳達的方式過于單一、陳舊和基礎(chǔ)。實驗課的改革可以從以下三個方面入手。

（一）優(yōu)化實驗課程結(jié)構(gòu)

目前實驗課程主要以簡單的演示實驗和學(xué)生分組重復(fù)為主，學(xué)生對實驗自身的思考是十分有限的。此外，學(xué)生總體的化學(xué)知識較弱，大一時雖然有大學(xué)化學(xué)理論知識的學(xué)習，然而大部分學(xué)生既有的理論知識難以指導(dǎo)實驗。由于課程的時長和內(nèi)容設(shè)置是有限的，建議可以與學(xué)生本科需要完成的創(chuàng)新學(xué)分緊密結(jié)合，設(shè)立大學(xué)生創(chuàng)新項目的實驗實踐。學(xué)生在理解儀器的基本功能后，自主設(shè)計相關(guān)實驗，并完成相應(yīng)的結(jié)果解釋，即使沒有成功也可以反思原因。創(chuàng)新學(xué)分強調(diào)自我學(xué)習和自我補充，利用時長一年的項目讓學(xué)生通過自我學(xué)習和豐富的調(diào)研掌握扎實牢固基礎(chǔ)，可大大有益于提高地球化學(xué)實驗課的教學(xué)效果。

（二）充實和更新實驗教學(xué)內(nèi)容

把握科學(xué)前沿，大力鼓勵創(chuàng)新一直是我國指引科學(xué)進步的重要指導(dǎo)思想，也是高校教師選擇研究事業(yè)和方向時刻把握的軌跡方向[8-10]。在美國等高等教育發(fā)達的世界名校中，對于自主研發(fā)的實驗儀器的建設(shè)非常重視，實驗儀器的利用也鼓勵多學(xué)科交叉，儀器的獨創(chuàng)性和自主性是很多創(chuàng)新成果產(chǎn)生的基石。在“油氣地球化學(xué)”實驗課中，需要緊跟目前學(xué)科戰(zhàn)略熱點，教師自我提升和引入新的創(chuàng)新興趣點。例如，隨著油氣地球化學(xué)學(xué)科從傳統(tǒng)的石油地質(zhì)勘探轉(zhuǎn)向深層油氣和非常規(guī)油氣領(lǐng)域，我們對應(yīng)的實驗課程也應(yīng)考慮引入高溫高壓實驗條件下的特殊實驗現(xiàn)象和結(jié)果。

另外，油氣地球化學(xué)作為典型的交叉學(xué)科，其優(yōu)勢在于可以結(jié)合有機地球化學(xué)來解決油氣勘探開發(fā)等一切相關(guān)其他領(lǐng)域面臨的相似和相關(guān)問題[11]。比如，最常用的色質(zhì)譜（GC-MS），不僅限于對烴類分子的檢測，也是血液檢查、土壤和水環(huán)境的主要檢測方法。不同學(xué)科領(lǐng)域在方法和技術(shù)上的相通性充分給予了油氣地球化學(xué)和其他新興戰(zhàn)略領(lǐng)域，特別是環(huán)境氣候相關(guān)領(lǐng)域的適用條件。因此地球化學(xué)實驗教學(xué)，在作為最好的實踐教學(xué)中應(yīng)特別重視對學(xué)科交叉理解和開拓思維的培養(yǎng)。

（三）實驗的數(shù)據(jù)處理簡單教學(xué)

當前“油氣地球化學(xué)”課程的本科教學(xué)幾乎完全不包含實驗數(shù)據(jù)處理和分析的相關(guān)內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生升入研究生學(xué)習后，基本的數(shù)據(jù)處理和對實驗精度的理解非常薄弱，對實驗數(shù)據(jù)的解釋能力也不高。在目前逐年猛增的大學(xué)生讀研趨勢下，傳統(tǒng)培養(yǎng)方式難以適應(yīng)目前對研究生科研能力的較高要求[12]。因此，實驗教學(xué)的重點內(nèi)容可包括常用表示實驗教據(jù)的方法：列表法、圖解法及方程法，明確表示物理量之間的關(guān)系，揭示物理量之間的聯(lián)系，不同方法的要求和規(guī)則。增加對實驗數(shù)據(jù)相關(guān)性規(guī)律的總結(jié)，以及精度的分析，重復(fù)性的理解等。增加對各種誤差的概念理解，并區(qū)別它們之間的差異，同時明確其適用范圍。增加學(xué)生對于自主設(shè)計實驗中對照組和重復(fù)組設(shè)置的理解等。

四、考核內(nèi)容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的考試，變被動為主動

除了傳統(tǒng)的期末考試成績，提升日?？己藘?nèi)容所占的比例?？己藘?nèi)容可根據(jù)“多學(xué)科交叉”“理論聯(lián)系實際”“研究型學(xué)習”等思想對學(xué)生進行考查，主要目的是引導(dǎo)學(xué)生思考，開拓科研思維，提高解決實際問題的能力。

在考核內(nèi)容中，增加學(xué)生對多方法在交叉學(xué)科中的應(yīng)用匯報，每次課可利用5～10分鐘時間，讓學(xué)生增加不同方法解決多種問題的實例調(diào)研。例如，核磁共振MRI使水成像，觀察血管更加清晰，適用于檢查是否存在腦梗等腦血管疾??；核磁共振對頁巖孔徑分布的描述基于相似原理，介紹其對非常規(guī)油氣孔隙特征描述的優(yōu)點和局限性等內(nèi)容。

此外，在學(xué)生日常作業(yè)中，教師可以創(chuàng)作自選實例。在課堂上安排典型的2～3次的課堂討論，讓學(xué)生學(xué)會利用統(tǒng)計方法分析數(shù)據(jù)，得到合理的代表性地球化學(xué)和地質(zhì)問題。但需要強調(diào)統(tǒng)計方法為手段，而非主要的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

結(jié)語

針對國家“十四五”規(guī)劃對于油氣領(lǐng)域新的指導(dǎo)思想，結(jié)合新一代的大學(xué)生學(xué)習求知的特點，當前油氣化學(xué)學(xué)科發(fā)展需要跟深層深地項目、環(huán)境氣候、儀器分析、統(tǒng)計算法等學(xué)科緊密結(jié)合起來?！坝蜌獾厍蚧瘜W(xué)”課程改革的主要方向是改變課程的教學(xué)理念和教學(xué)環(huán)境，特別結(jié)合國家戰(zhàn)略方法，結(jié)合院系方式和課程時長實際承載能力的實際情況進行適當調(diào)整，培養(yǎng)出符合當今時代需求的創(chuàng)新型和知識型專業(yè)人才。

對于學(xué)生創(chuàng)新能力和自主學(xué)習能力的培養(yǎng)，除了本研究強調(diào)的授課方式和考核形式方面的貫徹之外，還應(yīng)將這種理念切實貫徹在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實驗課內(nèi)容和課程考核等方面。由于專業(yè)和課程不同，這種教學(xué)理念的實施策略可以有多種的具體方法。但總體上，時刻把握“學(xué)科交叉”和“理論實踐結(jié)合”理念，有利于“油氣地球化學(xué)”課程的建設(shè)與改革。