樊冬艷， 孫致學(xué)， 付帥師， 呂愛民， 杜殿發(fā), 谷建偉， 陳付真

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

基于仿真實驗平臺的滲流物理實驗對分課堂教學(xué)模式初探

樊冬艷， 孫致學(xué)， 付帥師， 呂愛民， 杜殿發(fā), 谷建偉， 陳付真

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

針對滲流物理實驗課堂現(xiàn)狀，以及部分實驗高溫高壓環(huán)境、抽象性強(qiáng)等特點，基于仿真實驗平臺和模塊化教學(xué)方式，本文提出了滲流物理實驗課程的對分課堂實施方案。首先，實驗內(nèi)容模塊化，把15項實驗分為6大模塊進(jìn)行系統(tǒng)講授，其次，基于仿真平臺安全和重復(fù)性等特點，學(xué)生利用一周時間進(jìn)行內(nèi)化吸收，最后，進(jìn)行課堂討論和分組實驗。結(jié)果表明，對分課堂提高了學(xué)生的積極性和參與度，理論和實驗教學(xué)效果有了明顯提升，同時對學(xué)生和教師也是一種大膽的嘗試和創(chuàng)新。

滲流物理實驗教學(xué)； 仿真平臺； 模塊化教學(xué)； 對分課堂

0 引 言

實踐作為檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)中扮演著舉足輕重的戰(zhàn)略地位[1-3]。滲流物理實驗[4-5]作為石油工程專業(yè)課程油層物理[6]和滲流力學(xué)[7]的延伸和拓展，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力，圍繞油藏巖石和流體的物理和滲流特征，依托國家級實驗教學(xué)示范中心——“石油工程實驗教學(xué)中心”，系統(tǒng)開設(shè)了15個實驗項目。針對在實驗教學(xué)過程中學(xué)生主動預(yù)習(xí)的積極性不高，機(jī)械地按部就班完成實驗操作，無法發(fā)揮和體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力等問題，提出了基于仿真實驗平臺滲流物理實驗對分課堂教學(xué)模式，并在實踐教學(xué)過程中受到了學(xué)生們的積極肯定，提高了學(xué)生自我學(xué)習(xí)的積極性，同時動手和獨立思考能力也有了很大的提升。

1 滲流物理實驗對分課堂的必要性

對分課堂教學(xué)模式(PAD模式)由張學(xué)新教授[8,9]根據(jù)國內(nèi)大學(xué)課堂現(xiàn)狀提出的，把教學(xué)在時間上分為講授、內(nèi)化吸收和討論3個步驟，把一半課堂時間分配給教師進(jìn)行講授，另一半分配給學(xué)生以討論的形式進(jìn)行相互式學(xué)習(xí)。孫致學(xué)老師[10]結(jié)合滲流物理實驗的特殊性，設(shè)計了滲流物理實驗仿真實驗平臺，具有開放重復(fù)性、仿真性和移動性等特點。針對滲流物理實驗采用基于仿真實驗平臺的對分課堂教學(xué)模式主要基于以下考慮：

(1) 滲流物理實驗課程是圍繞油氣層地下幾km的物理及滲流過程而設(shè)計的，因此，部分實驗必須在高溫高壓下進(jìn)行，溫度一般在40～60℃，壓力一般在20 MPa，故在實驗過程中具有一定的危險性，學(xué)生在沒有做預(yù)習(xí)和操作不當(dāng)?shù)那闆r下非常危險，所以在講解基本概念和原理后有個內(nèi)化吸收過程是非常有必要的。

(2) 實驗研究對象為地下的油氣資源，深埋在地下，看不見摸不著，因此涉及到的概念和機(jī)理具有一定的抽象性和復(fù)雜性；其次相關(guān)實驗儀器昂貴復(fù)雜，操作不規(guī)范容易使實驗儀器損壞，耽誤正常分組實驗和教學(xué)進(jìn)度。為此，在實戰(zhàn)操作之前，每位同學(xué)通過仿真實驗平臺進(jìn)行模擬實驗，深入理解理論難點和實驗關(guān)鍵操作方法，平臺的可視化、可修正和可重復(fù)等特征打破了時間和空間限制，通過仿真實驗平臺模擬后如圖1所示，再進(jìn)入實驗室進(jìn)行實戰(zhàn)操作，大大提高了學(xué)生們的實驗學(xué)習(xí)效果和積極性。

(a) 仿真實驗平臺

(b) 實驗室平臺

圖1 流體PVT高壓物性仿真實驗平臺與實驗室平臺對比

(3) 傳統(tǒng)的實驗課程主要分為老師講解和學(xué)生操作兩部分，沒有消化和討論過程，導(dǎo)致學(xué)生的主動性不強(qiáng)，且只是按照標(biāo)準(zhǔn)步驟指導(dǎo)學(xué)生機(jī)械完成實驗過程，調(diào)查表明學(xué)生實驗學(xué)習(xí)效果不理想，大部分學(xué)生往往是在對實驗原理和步驟不太理解的情況下完成操作，難以發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性，因此在討論后進(jìn)行科學(xué)實驗，學(xué)生更加主動和自信。

2 滲流物理實驗對分課堂的教學(xué)實施

為了對比和提高實驗教學(xué)效果，在2015～2016年度第二個學(xué)期首先針對石油工程卓越工程師班進(jìn)行試點教學(xué)，共2個班，每班30個學(xué)生，共60人。該實驗課程共24個學(xué)時，包含15個實驗，教學(xué)內(nèi)容豐富，采用模塊化教學(xué)方式[11]，把實驗項目分為6個模塊(① 油藏流體物性分析；② 巖石礦物組成分析；③ 巖心骨架和孔隙物性分析；④ 儲層滲透率分析；⑤ 特殊巖心物性分析；⑥ 水電模擬滲流實驗)，除第一堂和最后一堂2個學(xué)時，其他每個教學(xué)模塊4個學(xué)時。

2.1課程設(shè)計及安排

針對滲流物理實驗現(xiàn)狀，對分課堂主要分為教學(xué)模塊講授、基于仿真平臺的內(nèi)化吸收、討論與實驗。每3個人一組，每班10組，每次5組同時進(jìn)行實驗，具體實施步驟見圖2。

圖2 對分課堂實施步驟

由圖2可見，除了第一次是標(biāo)準(zhǔn)的2個學(xué)時，主要用于對分課堂模式的說明以及第一個實驗?zāi)K的理論講授，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行滲流物理仿真平臺的操作使用；其它為4個學(xué)時，主要包括：① 該實驗?zāi)K的理論回顧以及實驗具體細(xì)節(jié)討論，考察學(xué)生們是否已經(jīng)理解和明確實驗原理和過程，并發(fā)揮學(xué)生的積極主動性，其次強(qiáng)調(diào)實驗安全須知，確保學(xué)生們在正確安全的情況下完成實驗；② 進(jìn)行實驗操作，3人一組分工明確，確保實驗在有序和思路清晰的情況下完成；③ 上一個實驗?zāi)K相關(guān)實驗報告提交以及下一個模塊的理論講授。

2.2仿真實驗平臺設(shè)計

滲流物理仿真平臺是借助現(xiàn)代無線通信技術(shù)，豐富的網(wǎng)絡(luò)教育資源，以及隨處可見的手機(jī)應(yīng)用，實現(xiàn)移動學(xué)習(xí)，突破了時間和空間的限制，非常適用于對分課堂的內(nèi)化吸收過程。學(xué)生通過手機(jī)利用碎片化時間即可輕松實現(xiàn)高溫高壓實驗條件，同時通過滑動、旋轉(zhuǎn)、點擊等操作即可完成仿真實驗，且在設(shè)計過程中，每一步都附帶文字說明，讓學(xué)生在操作過程中理解實驗原理。仿真實驗平臺具有可重復(fù)性的特點，在前一次實驗操作失敗的情況下，可以重新開始，調(diào)動了學(xué)生的積極性，有助于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和實踐創(chuàng)新能力。

2.3反饋及考評方式

反饋主要是針對在上一組實驗操作中容易出現(xiàn)的問題，進(jìn)行重點說明，共同交流討論避免類似問題重復(fù)出現(xiàn)。實驗課程沒有最終考試，因此更加注重過程學(xué)習(xí)，其中6個實驗?zāi)K，每個實驗?zāi)K15分，包括仿真平臺模擬5分，實驗報告5分，實踐操作表現(xiàn)5分，還有10分為平時積極發(fā)言討論分值，共計100分。

3 對分課堂結(jié)合仿真平臺實驗教學(xué)的心得

對分課堂在張學(xué)新教授2014年提出后，相對傳統(tǒng)教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂，取舍折中，更加符合國內(nèi)大學(xué)的教學(xué)實際，在全國得到了迅速的推廣及應(yīng)用[12-16]，與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相比存在明顯的優(yōu)勢，但對分課堂的教學(xué)也對教師和學(xué)生提出了進(jìn)一步的要求和挑戰(zhàn)。

3.1與傳統(tǒng)實驗教學(xué)對比

首先，對分課堂學(xué)生相對傳統(tǒng)課堂更加積極，課堂氣氛更加熱烈，通過一周的內(nèi)化吸收，學(xué)生對實驗原理和操作過程已經(jīng)有了基本了解，所以在問題討論過程中，大家都有理可依，給了學(xué)生更好地溝通和展示機(jī)會，大大調(diào)動了學(xué)生的參與度；而傳統(tǒng)實驗教學(xué)，大部分學(xué)生在毫無任何準(zhǔn)備的情況下步入實驗室，講解完實驗操作步驟，也難以理解實驗原理。其次，對分課堂有利于教學(xué)相長，促進(jìn)師生感情，傳統(tǒng)教學(xué)只是老師講授實驗原理和步驟，然后學(xué)生按照標(biāo)準(zhǔn)步驟完成實驗過程，缺乏對分課堂的內(nèi)化吸收和交流反饋環(huán)節(jié)，而正是這兩個環(huán)節(jié)給了學(xué)生和教師進(jìn)一步溝通的機(jī)會，在學(xué)生疑問中教師也在成長，例如在利用落球法測量原油黏度實驗討論中，學(xué)生指出能否采用水來驗證實驗的準(zhǔn)確性，最后學(xué)生在測試水黏度的過程中再現(xiàn)了密度測量過程，體現(xiàn)了學(xué)生們的探索和創(chuàng)新思維，不再是驗證性的機(jī)械操作，促進(jìn)了師生交流。

3.2對分課堂教學(xué)的挑戰(zhàn)

對分課堂相對傳統(tǒng)課堂更加靈活，每個模塊4 h的課程時間，需要教師根據(jù)每個模塊的實驗內(nèi)容和形式，安排好講授和討論實驗的時間，而不用嚴(yán)格規(guī)定為1∶1的時間分配，因此教師需要夯實的理論基礎(chǔ)，強(qiáng)大的課堂駕馭能力和引導(dǎo)能力，對教師特別是經(jīng)驗不足的新教師是一個較大挑戰(zhàn)。

學(xué)生也必須從傳統(tǒng)課堂的被動學(xué)習(xí)中及時轉(zhuǎn)變，化被動為主動，基于實驗仿真平臺每個人都有內(nèi)化吸收的過程記錄，在討論階段個人經(jīng)驗問題共同分享，再分組實驗；在此過程中，需要學(xué)生們課下消化，課上思考交流，最后實踐證明，因此，每一模塊的實驗對學(xué)生都是一個理論到實踐的探索過程。

仿真實驗平臺的完善和維護(hù)對教師而言，是另一個較大而繁瑣的工作量，這部分勞動是課時以外的，且時間分散，目前學(xué)校還沒有統(tǒng)一維護(hù)人員。

4 結(jié) 語

本文闡述了對分課堂在滲流物理實驗教學(xué)過程中的應(yīng)用，根據(jù)目前存在的問題分析了對分課堂的必要性和實施過程，首先在理論講授后，基于實驗仿真平臺更有效地進(jìn)行內(nèi)化吸收，采用模塊化教學(xué)把滲流物理實驗劃分為6個模塊，每個模塊4個課時，更有效地實施討論和分組實驗，形成了一套集教學(xué)、學(xué)習(xí)、討論反饋、實驗為一體的對分課堂教學(xué)模式，且有利益于對學(xué)生進(jìn)行過程考核?；趯嶒灧抡嫫脚_的滲流物理實驗對分課堂，更加體現(xiàn)了高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)時代實驗教學(xué)改革的嘗試，調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，提高了學(xué)生參與度，同時教學(xué)相長，奠定和鍛煉了學(xué)生通過實驗求知探新的能力。

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PADClassTeachingResearchofFlowinPorousMediaandPetrophysicsExperimentsBasedonSimulationPlatform

FANDongyan,SUNZhixue,FUShuaishi,LüAiming,DUDianfa,GUJianwei，CHENFuzhen

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

According to the teaching status of the flow in porous media and petrophysics experiments, as well as high temperature and high pressure environment and strong abstraction in some experiments, the presentation-assimilation-discussion (“PAD”) mode of experiment teaching has been presented based on the simulation experimental platform and modularized teaching method. First of all, the experimental content is modularized, 15 experiments are divided into 6 modules. Secondly, students take one week to absorb experiment content using the simulation experimental platform, which is safe and repeatable. Finally, classroom discussions and group experiments are conducted. The results show that the PAD mode has improved the students’ enthusiasm and participation, and the effect of theory and experiment teaching has been improved obviously. Meanwhile, it is also a bold attempt and innovation for students and teachers.

experimental teaching of flow in porous media and petrophysics; simulation experimental platform; modularized teaching method; presentation-assimilation-discussion class

TE 348； G 434

A

1006-7167(2017)09-0153-03

2016-11-15

國家自然科學(xué)基金重大項目(51490654)；國家自然科學(xué)青年基金(51504277)；山東省教學(xué)改革項目(B2016M008)；中國石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項目(QN201504，QN201604)

樊冬艷(1985-)，女，江西南昌人，博士，講師，研究方向：油氣滲流理論的教學(xué)和研究。Tel.:18561302763; E-mail:fandongyan2010@126.com