問題式教學在石油工程專業課程的應用

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【摘要】石油工程專業基礎課程往往理論性很強，復雜的機理認識和數學模型的建立是其難點，學生在學習過程中最為懼怕的就是大量的理論模型，課堂授課也就容易單一和枯燥，甚至成為教師的獨角戲表演，授課效果大打折扣，針對這一問題，引入了問題式教學方法，用以提高學生的思辨意識，調動其主動思考，提高課堂的活躍氛圍。以石油工程中的核心專業基礎課《滲流力學》為例，進行了課程特點的剖析；分類設計了問題式內容，包括13個重要知識點問題和5個代表性分析方法問題，同時提出了分層次問題設計的方法，即逐層分為主問題、子問題、引導問題、即時問題、研討問題；以保證課程連續性和完整性為原則，進行了問題式教學應用的過程設計。該教學模式的設計為同類專業課程的問題式教學提供了參考。

【關鍵詞】問題式；專業課；教學模式；石油工程；PBL

0引言

石油工程專業性很強，技術理論知識復雜，專業基礎課程難度大，單一的講授法教學模式容易使學生在聽教過程中思維疲憊，注意力渙散，教學效果往往一般。隨著教育教學的改革與創新，多種教學模式的綜合應用大大提高了教學效果，具有代表性的主要有研討式、互動式、實踐式、啟發式、探究式、易位式、案例式、混合式、情景式、問題式，等等[1-3]，其中的問題式教學兼具了各種模式特點[4]。問題式教學（PBL：Problem-BasedLearning）是以增強問題意識和發現、分析、解決問題能力為目的的教學模式，它不同于目的在于傳授和掌握已有知識、并把其當成無可懷疑和不再發展的絕對真理的直線式教學[5]。以石油工程核心專業基礎課程滲流力學為例，進行問題式教學方法的應用探討。

1滲流力學的內容特點

滲流力學中，熟悉基本概念、清楚物理現象、理解滲流規律、掌握數學模型是4個難度逐級遞增的基本要求，其中數學模型的建立過程、求解過程及應用過程是最難的部分，也是學生害怕學習的部分。但是，滲流力學整體性很強，連續性很好，把握住基本的理論套路后很容易上手去理解數學模型的建立過程，最難的部分被攻陷，其他內容也就水到渠成。例如，在對某一油藏進行滲流理論分析時，其模型的建立過程為：（1）理想物理模型建立；（2）基本數學模型的建立（包括微分方程、內外邊界條件、初始條件及輔助方程等）；（3）對數學模型求解，可得到壓力分布或者飽和度分布；（4）對求得的解進行生產規律分析（包括壓力、產量、壓力梯度、滲流速度、滲流場圖等），可理解為滲流規律；（5）進一步把有價值的結論應用于現場實踐中去，即應用。理解這一過程可以先精通最簡單的穩定滲流中的平面單向流的理論分析方法，然后由此及彼地擴展到其他模型中去，這樣就把整個滲流力學內容貫穿起來。

2滲流力學問題式教學設計

問題式教學能夠激發學生的主動思考能力，也能夠活躍課堂氛圍，但許多事情需要有個限度，如果問題太多學生的積極性也會被削弱，因此，問題式設計突出重要知識點，引導代表性是分析方法，并進行分層問題設計。

2.1重要知識點問題設計

以滲流力學教學大綱所要求內容為原則，力爭為通俗易懂的語言對重要知識點進行問題設計，共13項。（1）地下儲層流體受哪些力的作用？（2）流體運動時如何建立壓力的連續性方程？（3）描述實際油藏的完整數學模型是由哪些部分組成的？（4）一維單向穩定滲流的數學分析過程是什么？（5）一口直井生產時附近的流動要素有什么特征？（6）穩定滲流的數學分析結果在實際油田中怎么應用？（7）多口井同時生產時地層壓力是怎么再平衡的？（8）應用什么方法去計算多井同時生產時的流量和地層壓力分布？（9）當一口井剛打開時井底壓力隨著時間是怎么變化的？（10）當一口井生產一段時間關井時井底壓力是怎么恢復的？（11）不穩定滲流的數學分析結果在實際油田中怎么應用？（12）水驅油時如何計算地層中含水飽和度的分布？（13）特殊流體、復雜地層、非常規儲層的滲流過程有哪些標志性差異？

2.2代表性分析方法的問題設計

對通用的定律、原理、數學分析方法、應用等，在問題設計的基礎上進行深入的分解和引導，例如，達西定律是描述產量和壓力的線性關系的普遍共識，其形式可以進一步分解為動力與阻力的關系、能量損耗的關系、運動速度的評價、運動的微分描述等，是非達西定律或現象的基礎，在數學模型的應用中是核心和紐帶，在滲流力學中是相當重要的知識點。對該定律的問題式設計為：達西定律在《滲流力學》中的戰略重要地位是什么？與此類似的問題式設計還有：（1）油藏問題的數學分析過程是怎么樣的？（2）多井同時生產時應用勢的疊加原理是怎么進行生產計算的？（3）不穩定滲流中的多井干擾問題與穩定滲流的一樣嗎？（4）水驅油時前緣含水飽和度和平均含水飽和度是怎么應用的？

2.3分層問題設計

以重要知識點問題和代表性分析方法問題為主問題，其下可以分層設計子問題、引導問題、即時問題、研討問題等。舉例如下：主問題：地下儲層流體受哪些力的作用？答案：水頭壓力、重力、黏滯力、慣性力、彈性力、毛細管力。子問題：巖石的彈性力是怎么表現的？答案：孔隙壓力降低，巖石骨架體積膨脹，孔隙體積縮小，擠壓流體流出巖石。引導問題：液體的彈性力又是怎么表現的？答案：孔隙壓力降低，液體體積膨脹，孔隙空間不夠被擠出巖石。即時問題：巖石和液體的彈性能量哪個更強？答案：液體的彈性能量更強，因為其相對于巖石的微可壓縮性要大，儲層的彈性能量更多。研討問題：油藏壓力降低時，油藏中都有哪些彈性力的釋放？答案：巖石、油、溶解氣、自由氣、共生水、邊底水。

3滲流力學問題式教學應用

問題式教學是激發學生的思辨精神活動和調動其主動思考的手段，不能完全代替講授的教學過程。因此，在問題式教學應用中按如下設計方案進行：直敘的課程章節內容在課堂授課時不做變動，知識點的簡介也采用平鋪直敘。當涉及重要知識點問題（13個）和代表性分析方法問題（5個）時，啟用問題式教學模式。問題式知識或者方法講解結束，仍回到直敘的授課過程。以滲流力學第2次課的內容為例說明這一過程。課程標題為：第一章滲流力學的基本定律和數學模型的建立，第一節流體的受力分析及油藏驅動類型知識點：（1）流體所處的地下環境；（2）幾種壓力的概念；（3）流體的受力分析；（4）驅油的能量；（5）油藏的驅動方式。知識點的前兩點采用普通的直敘教學方式，（3）、（4）、（5）遇到了重要知識點問題，由此可轉入主問題：地下儲層流體受哪些力的作用？由此展開問題式教學，第2次課則形成以此問題為主導的教學模式。當然，在問題式內容的設計上共有13+5=18個問題，滲流力學課堂授課共24次課，問題式教學占到了75%比例，體現了問題式教學模式的應用，同時也保證了課程的完整性。

4結語

（1）問題式教學模式融入了許多其他能夠把較為枯燥的滿堂灌給帶活的教學模式，對以理論和數學模型建立為主的專業基礎課很適用。（2）問題式教學不同于簡單的課堂一問一答，它更需要結合知識點精心地設計問題層次及教學實踐，只有更巧妙和生動地引入問題式設計才能充分發揮其效果。（3）問題式教學要避免失去課程體系的完整性和連續性，課程的章節直敘講授需要和問題式教學有機地結合起來。

【參考文獻】

[1]喬東生，叢培文，張崇偉，等.基于建構主義的《現代海洋開發》啟發式案例教學改革研究[J].高教學刊，2021（2）：141-144.

[2]潘長宏.淺談情景式教學的運用[J].科教文匯（中旬刊），2009（7）：95.

[3]許文學.“角色易位式”教學模式的探索與實踐[J].科技創新導報，2010（9）：253.

[4]高曉雁.問題式教學模式的創新與實施[J].中國高等教育，2008（24）：43-44.

[5]郝文武.問題式教學的價值和方式[J].課程.教材.教法，2009，29（9）：27-30.

作者：郭小哲  單位：中國石油大學（北京）石油工程學院