基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的能源特色高校專業(yè)實驗教學改革

熊健　劉向君　何海銘

摘? 要：巖石物理學基礎是油氣能源特色高?？辈榧夹g與工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎課之一，且實驗教學是該課程的重要實踐環(huán)節(jié)。針對巖石物理實驗教學的現狀，梳理和總結該課程實驗教學中存在的問題，提出增加實驗項目的綜合性和改進實驗報告模式等措施手段，提高學生的創(chuàng)新能力及分析問題、解決問題的能力，利于實現該課程的教學目標。

關鍵詞：巖石物理；綜合性實驗；實驗報告；創(chuàng)新能力；教學改革

中圖分類號：G640? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）18-0081-04

Abstract： Fundamentals of Rock Physics is one of the core professional basic courses of exploration technology and engineering in the universities with oil and gas energy characteristics， and experimental teaching is an important practical link of this course. In view of the current situation of rock physics experiment teaching， the problems existing in the experiment teaching of the course were combed and summarized in this paper， measures and means such as increasing the comprehensiveness of experimental items and improving the experimental report mode were put forward， improving the students' innovative ability and the ability to analyze and solve problems. And it is conducive to achieving the teaching objectives of the course.

Keywords： Rock Physics; comprehensive experiment; experimental report; innovative ability; teaching reform

隨著能源需求的增加，到2021年底，我國的原油對外依存度超過70%和天然氣對外依存度超過40%[1]，這嚴重制約了我國能源安全。隨著勘探開發(fā)技術的進步，非常規(guī)頁巖油氣資源因其儲量巨大受到越來越多的關注[2]。非常規(guī)頁巖油氣、天然氣水合物和地熱能等新能源勘探開發(fā)技術的突破，有利于提高能源的自給率，對保障國家能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。地球物理勘探方法是頁巖油氣、天然氣水合物、地熱等新能源實現高效開發(fā)的關鍵技術之一[3]，說明了勘查技術與工程專業(yè)承載著培養(yǎng)服務國家能源戰(zhàn)略的拔尖創(chuàng)新人才的重任。非常規(guī)頁巖油氣、天然氣水合物和地熱能等能源勘探開發(fā)的深入，對地球物理工作者提出了新的挑戰(zhàn)，從而對勘查專業(yè)學生的專業(yè)能力、創(chuàng)新能力等方面的培養(yǎng)提出了更高要求。巖石物理學基礎作為西南石油大學（以下簡稱“我?！保┛辈榧夹g與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程，是地質學、地球物理學的橋梁[4]，對于勘查技術與工程學科發(fā)展及人才培養(yǎng)有重要的作用。巖石物理學基礎涉及內容較多，包括巖石基本物性、巖石力學性質，以及電學、聲學、磁學和放射性等，是一門建立在以實驗為基礎，理論與實踐并重的結合性課程[4]，該課程除了理論教學，還包含25%學時的實驗教學，即實驗教學環(huán)節(jié)是該課程教學的重要組成部分。實驗教學相對于理論教學更具有直觀性、實踐性、綜合性和創(chuàng)新性[5-6]，是培養(yǎng)學生基本素質的重要教學環(huán)節(jié)[7]。因此，實驗教學是培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力的重要手段。本文對巖石物理學基礎課程實驗教學的現狀進行了梳理和總結，結合我校油氣能源的特色，圍繞該課程的實驗教學開展改革實踐，探索專業(yè)能力和創(chuàng)新能力融合培養(yǎng)的實驗教學方式，提高勘查技術與工程專業(yè)學生的綜合創(chuàng)新能力。

一? 巖石物理學基礎實驗教學現狀及改革措施

巖石物理學基礎涉及巖石基本物性、巖石力學、巖石電學、巖石聲學、巖石磁學和巖石放射性等內容，每個內容涉及知識點較多、實驗方法較多，反映了其是一門實驗性較強的學科。根據我校油氣能源特色的特點，以及考慮到教學內容、教學設備等因素，我校巖石物理實驗室建立了巖石孔隙度和滲透率、巖石聲波、巖石電阻率、巖石磁學性質和巖石熱學性質等實驗測定方法，其中前三項巖石物理性質為必修實驗項目，開設了“巖心孔隙度的測定”“巖心氣體滲透率的測定”“地層因素和電阻率增大系數實驗”和“聲波縱、橫波速度及衰減系數測定”等實驗項目；后兩項巖石物理性質為選修實驗項目，開設了“巖石導熱系數的測定”“巖石磁化率的測定”“巖石核磁共振實驗”和“巖石介電常數的測定”等實驗項目。巖石力學性質方面實驗的實驗設備對操作員要求較高，給學生安全帶來較大隱患，為此筆者及教學團隊開發(fā)了單軸/三軸壓縮實驗、巴西劈裂實驗、直剪實驗等力學實驗的動畫，可讓學生直觀觀看實驗過程，課堂上可增加教師與學生間互動，以探討形式啟迪學生，加深學生對實驗原理的理解。然而，該課程所開設實驗項目主要是驗證性實驗項目，缺少探究性或設計性實驗項目。為此，筆者及教學團隊對該課程的實驗教學改革進行了探索實踐，將科研意識融入實驗教學過程中，以選修實驗為例，初步建立了以任務驅動的實驗教學方法[8]，一定程度上激發(fā)了學生對實驗的興趣，加深了學生對實驗原理的理解，訓練了學生思考能力，提高了學生創(chuàng)新能力。然而針對必修實驗教學過程中探究性或設計性問題涉及較少，學生機械地模仿實驗操作過程，無法培養(yǎng)學生的思考能力，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，不利于培養(yǎng)學生達到新時代地球物理人才培養(yǎng)要求。為此，針對巖石物理學基礎課程開設的實驗項目，根據不同實驗項目特點，將“地層因素和電阻率增大系數實驗”和“聲波縱、橫波速度及衰減系數測定”實驗項目設計為綜合性實驗項目，增加探究性內容。

同時，巖石物理學基礎實驗教學中，學生撰寫實驗報告一般使用傳統(tǒng)實驗報告格式，其主要包括實驗名稱、實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗步驟、實驗數據及處理和注意事項等部分。然而，這種固定格式化的實驗報告，學生出現應付作業(yè)、敷衍了事、內容雷同，甚至篡改數據等多種不良現象，未能取得較好的教學效果[9]。傳統(tǒng)實驗報告的固定格式不需要學生做過多的思考，不利于激發(fā)學生的學習興趣，易造成學生不重視實驗報告，難以實現學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標，也難以滿足新時代地球物理人才培養(yǎng)的要求。為此，針對巖石物理學基礎課程開設的實驗項目，根據不同實驗項目特點，選擇不同實驗報告模式完成，在傳統(tǒng)實驗報告基礎上，引入討論式實驗報告和問答式實驗報告模式，其中“巖心氣體滲透率的測定”實驗項目仍采用傳統(tǒng)實驗報告模式；“巖心氣體滲透率的測定”實驗項目采用討論式實驗報告模式，其增加了實驗結果的討論；“地層因素和電阻率增大系數實驗”和“聲波縱、橫波速度及衰減系數測定”實驗項目采用問答式實驗報告模式，包括實驗名稱、實驗目的、實驗結果和問題討論等部分，形成了“傳統(tǒng)實驗報告-討論式實驗報告-問答式實驗報告”多種實驗報告模式。這樣可避免學生實驗報告的千篇一律，增強學生對實驗報告的重視程度，有助于學生加深巖石物理理論知識的理解，激發(fā)了學生對巖石物理實驗的興趣，培養(yǎng)了學生處理數據的能力，提高了學生分析和解決問題的能力，增強了實驗報告的個性和特點，進一步提高了學生的創(chuàng)新能力。

二? 實驗結果

基于巖石物理學基礎課程的實驗項目，結合問答式實驗報告撰寫特點，提出了巖石電阻率和聲波速度的綜合性實驗項目，增加各參數的影響因素探討，將科研意識融入實驗教學環(huán)節(jié)，引導學生根據實驗需求設計實驗方案，以此設計實驗步驟，并訓練學生Excel、origin等數據處理軟件的使用，培養(yǎng)學生數據處理能力，完成問答式實驗報告的撰寫。以學生實驗報告中問題討論為例進行簡要介紹。

（一）? 孔隙度的影響

孔隙度對砂巖巖石縱波速度和電阻率的影響如圖1所示。從圖1（a）中可看出，隨著孔隙度的增大，砂巖巖石縱波速度先緩慢下降后快速降低，這是因為巖石孔隙度越大，聲波在其內部發(fā)生各種反射、折射等現象越多，造成聲波在巖石內部的傳播距離越大，導致巖石聲波速度降低；相同孔隙度下，高圍壓和低圍壓對砂巖巖石縱波速度的影響程度存在一定差異，這與圍壓作用下砂巖巖石內部孔隙空間壓縮程度有關。從圖1（b）中可看出，隨著孔隙度的增大，砂巖巖石電阻率呈降低趨勢，這是因為巖石孔隙度越大，巖石孔隙空間越大，巖石的導電通道越大，造成巖石的導電性號，導致巖石電阻率降低。

（二）? 滲透率的影響

滲透率對砂巖巖石縱波速度和電阻率的影響如圖2所示。從圖2（a）中可看出，隨著滲透率的增大，砂巖巖石縱波速度先快速下降后緩慢降低，這是因為巖石滲透率越大，巖石中連通孔隙空間越大，聲波在其內部發(fā)生各種反射、折射等現象越多，造成聲波在巖石內部的傳播距離越大，導致巖石聲波速度降低；相同滲透率下，高圍壓和低圍壓對砂巖巖石縱波速度的影響程度存在一定差異，這與圍壓作用下砂巖巖石內部孔隙空間壓縮程度有關。從圖2（b）中可看出，隨著滲透率的增大，砂巖巖石電阻率先快速下降后緩慢降低，這是因為巖石滲透率越大，巖石連通孔隙空間越大，巖石的導電通道越大，造成巖石的導電性好，導致巖石電阻率降低。

（三）? 圍壓的影響

圍壓對砂巖縱波速度和電阻率的影響如圖3所示。從圖3（a）中可看出，隨著圍壓增大，砂巖縱波速度先快速增長后增加趨于平緩，這主要是因為圍壓增大，巖石將受到壓縮，巖石中孔隙空間將被壓縮，在巖樣內部傳播的聲波遇到的阻抗面減小，進而發(fā)生反射、折射、繞射等現象減少，造成聲波在巖樣中傳播路徑減少，導致巖樣中波速增大。從圖3（b）中可看出，隨著圍壓增大，砂巖電阻率呈增大的趨勢，且兩者間具有良好的線性相關性。這是因為圍壓的變化將引起巖石孔隙結構發(fā)生變化，圍壓增大造成巖石孔隙空間減小，其中部分孔喉和孔隙可能發(fā)生閉合，進而相應位置的水膜可能產生阻斷現象，導致巖石內部離子通道變少，從而表現為宏觀上的電阻率增高。

（四）? 含水飽和度的影響

含水飽和度對砂巖縱波速度和電阻率的影響如圖4所示。從圖4（a）中可看出，隨著含水飽和度增加，砂巖巖石縱波速度呈增大的趨勢，兩者間呈良好的線性相關性。這是因為聲波在流體介質中傳播速度大于氣體介質，孔隙中含水飽和度增加，降低了聲波在內部傳播的能力損耗，造成巖石聲波速度增大。從圖4（b）中可看出，隨著含水飽和度增加，砂巖巖石電阻率呈降低的趨勢，兩者間呈較好的指數關系。這是因為當巖心內部自由水含量增加時，內部離子交換作用更加強烈，導致巖樣更容易導電，電阻率相應降低，在圖中表現為顯著的頻散現象。含水飽和度進一步增大時，此時孔隙空間中大部分區(qū)域已充填蒸餾水，外部加壓的水繼而向孔喉、微裂縫、微孔隙或是大孔隙的剩余區(qū)域充填，而這些區(qū)域的離子交換作用對巖心電阻率有積極作用，并呈現出較明顯的頻散現象。

以上內容是學生基于理論教學中所掌握的知識的基礎上，根據問答所設計的巖石電學和巖石聲學綜合性實驗方案，基于實驗數據，可提高學生處理數據能力，進一步加深理解孔隙度、滲透率、圍壓和含水飽和度對巖石聲波速度和電阻率的影響。除此之外，還可通過數據分析進一步分析不同孔隙度大小，圍壓變化和含水飽和度變化，巖石電阻率和聲波速度的變化幅度，也可通過實驗數據的數學分析，得到四種影響因素對巖石電阻率和聲波速度的影響程度；也可結合頁巖油氣儲層、天然氣水合物儲層電阻率測量、聲波速度的測量設置為高階實驗任務，提高學生創(chuàng)新能力，也可通過不同角度進一步引導學生對實驗數據處理，從不同視角分析實驗結果，啟發(fā)學生獨立自主的思考，培養(yǎng)學生解決問題的能力，提高學生創(chuàng)新能力。

此外，基于孔隙度和含水飽和度對巖石電阻率的影響實驗結果，進一步通過數據分析可獲取研究區(qū)砂巖儲層的巖電參數（圖5），進一步驗證了阿爾奇方程。通過該實驗可讓學生進一步理解巖電實驗過程，以及阿爾奇公式原理，掌握阿爾奇公式中巖電參數是如何獲取的，這有利于提高巖石電學的教學目標。

三? 結束語

巖石物理學基礎課程是勘查技術與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，在勘查專業(yè)本科生的工程能力培養(yǎng)中有著重要作用，且實驗教學是巖石物理學基礎課程的重要實踐環(huán)節(jié)。通過對巖石物理學基礎課程的實驗教學改革，采取增加實驗項目的綜合性和改進實驗報告模式等措施，將科研意識融入實驗教學過程中，極大激發(fā)學生的學習興趣，啟發(fā)學生獨立自主的思考，加深對知識的理解，培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力，進而提高勘查專業(yè)學生的創(chuàng)新能力。當然，隨著新時代地球物理人才培養(yǎng)要求的提高，該課程的實驗教學改革應是不斷探索和實踐的，需要進一步的思考和完善。

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基金項目：教育部產學合作協同育人項目2023年批次立項項目“‘課程思政背景下地礦類高?！稁r石物理學基礎》課程教學改革與實踐”（230726475407287）；四川省2021—2023年高等教育人才培養(yǎng)質量和教學改革重點項目“創(chuàng)新驅動戰(zhàn)略背景下‘雙創(chuàng)元素深度融入專業(yè)基礎課程的教學改革與實踐”階段成果（JG2021-562）

第一作者簡介：熊?。?986-），男，漢族，湖北荊州人，博士，副研究員。研究方向為巖石物理等方面科研與教學。