付帥師， 王增寶， 李愛芬， 樊冬艷， 呂愛民， 耿 杰

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

0 引 言

實驗是認識自然科學(xué)規(guī)律的基本手段，實驗教學(xué)在21世紀人才培養(yǎng)中占有重要的戰(zhàn)略地位[1-3]。水電模擬滲流實驗基于水電相似原理，應(yīng)用直觀可操作的水電場在實驗室中模擬復(fù)雜抽象的滲流場，能夠真實地反映地下穩(wěn)定滲流場的滲流規(guī)律，模擬各種復(fù)雜的邊界條件和井網(wǎng)條件，用水電場參數(shù)來計算油水井產(chǎn)量(注入量)、等勢線分布、流線分布等。實驗結(jié)果還可用來檢驗數(shù)值模擬和滲流模型解析解的準確性，幫助學(xué)生掌握和理解各種不同形式油藏和生產(chǎn)井網(wǎng)條件下的不可壓縮流體穩(wěn)定滲流所涉及到的各種問題和知識。因此，水電模擬滲流實驗在滲流物理實驗和滲流力學(xué)的課程教學(xué)和實踐中具有重要的地位和意義[4-9]。

水電模擬滲流實驗?zāi)K主要包括水電模擬平面徑向穩(wěn)定滲流實驗以及在此基礎(chǔ)之上的水電模擬鏡像反映實驗，是滲流物理實驗課程中典型的“三性”實驗?zāi)K，對學(xué)生實踐操作和教師課堂教學(xué)有較高的要求。而傳統(tǒng)的講授式實驗教學(xué)方法在水電模擬滲流實驗的教學(xué)實踐中并沒有很好的教學(xué)效果，不能保證學(xué)生在理解復(fù)雜理論知識的同時明確清晰的實驗方案，導(dǎo)致部分學(xué)生在機械地依照講義重復(fù)試驗步驟，不利于發(fā)揮學(xué)生的探索能力和創(chuàng)造性思維。探究如何在有限學(xué)時的課堂實驗教學(xué)中提高學(xué)生的認知和實驗及理論探究水平，是提高實驗教學(xué)效果，凝練實驗教學(xué)方法的必經(jīng)之路[10-11]?？偨Y(jié)幾年來的水電模擬實驗教學(xué)效果和經(jīng)驗，依托我校石油工程國家級實驗教學(xué)示范中心和開放實驗室管理平臺，針對本實驗項目，進行了實驗方案和教學(xué)方法的改革與實踐，引入并改進了適應(yīng)此類綜合設(shè)計型實驗項目的翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學(xué)法[12-16]，有效保證了實驗教學(xué)的前展后拓效果，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)和實驗教學(xué)水平。

1 水電模擬滲流實驗改革方法

在水電模擬滲流實驗?zāi)K幾年來的教學(xué)實踐過程中，總結(jié)出實驗項目在授課和學(xué)生操作過程中容易出現(xiàn)的問題，經(jīng)過不斷的試驗和分析，提出了針對各種問題的改革方法，并應(yīng)用于后續(xù)的實驗教學(xué)中，取得了不錯的效果。

1.1 存在的問題

(1) 傳統(tǒng)的水電模擬實驗介質(zhì)是銅帶和硫酸銅溶液，分別模擬穩(wěn)定滲流時的邊界條件和流體介質(zhì)，但是在實驗實踐過程中，由于模擬油藏邊界所用的銅帶和銅片很難達到100%純度，其中含有的金屬雜質(zhì)會與硫酸銅溶液中的銅離子發(fā)生置換反應(yīng)，造成實驗過程中電導(dǎo)率的改變，并且置換反應(yīng)的發(fā)生加劇了銅帶的腐蝕，生成銅銹，大大降低了銅帶和銅制生產(chǎn)井和探針的導(dǎo)電性能，使實驗測得的電流和電壓存在較大的誤差，影響實驗的精準性。

(2) 在測量流場等勢線的實驗中，通常選用“連接電橋測電流法”，學(xué)生進行實驗時需逐步調(diào)整儀器電阻，以完成電橋的連接(見圖1、2)，調(diào)節(jié)時用試錯法比較費時，并且在學(xué)生實踐操作中經(jīng)常出現(xiàn)電路短路和燒壞電表等情況，影響了學(xué)生實驗的正常進行，所以有必要探索一種更便捷精確的測定流場中等勢線的新方法。

圖1 連接電橋法儀器圖

圖2 連接電橋測電流法原理圖

(3) 實驗中模擬生產(chǎn)井和測定電壓電流所用的探針都是用同樣規(guī)格的銅絲做成，會造成一定的實驗誤差。在固定模擬井時使用了平衡支架，對模擬場的測量范圍造成了影響，測定時探針在模擬場中的運動受到了限制，使得測定數(shù)據(jù)不夠完整，因此應(yīng)對模擬井固定裝置進行改進。

1.2 改變實驗流場介質(zhì) 增加流場穩(wěn)定性

為了解決傳統(tǒng)硫酸銅溶液和儀器的強腐蝕性特征，選取幾種不同的電解質(zhì)溶液(氯化鈉，硫酸鈉和氯化鎂等)，優(yōu)選穩(wěn)定防腐蝕、更適合學(xué)生實驗和操作的穩(wěn)定電解質(zhì)溶液體系。經(jīng)過多次實驗，選用了氯化鈉溶液作為新型電解質(zhì)溶液體系，實驗結(jié)果表明當實驗溫度不變時，在連續(xù)進行水電模擬實驗測試操作24 h后，溶液的電導(dǎo)率值基本不變。在20次課堂實驗教學(xué)過后，模擬邊界和生產(chǎn)井用的銅帶和探針表面沒有明顯腐蝕銅銹痕跡，因此用氯化鈉溶液作為新的電解質(zhì)溶液體系具有較高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，同時氯化鈉溶液為無色透明溶液，方便學(xué)生在實驗操作時觀察流場中模擬井和邊界的位置關(guān)系等。圖3所示為測得的氯化鈉溶液電導(dǎo)率關(guān)系圖版，方便學(xué)生配制溶液。

圖3 氯化鈉溶液電導(dǎo)率圖版

1.3 改進實驗測試流程 提高可操作性

連接電橋法操作復(fù)雜，且只能測定選定電壓下的等勢點位置，方法不夠直接，在保證實驗精度的基礎(chǔ)上，提出了“直接測電壓法”測定流場中等勢線分布和壓降漏斗曲線的新方法。直接測電壓法實驗流程如圖4所示。

圖4 直接測電壓法流場電勢測試流程圖

將改進的實驗方法應(yīng)用于實驗教學(xué)中，綜合分析14個班級100多組學(xué)生實驗情況，實驗成功率達到100%，以往測量電橋法的電表損壞率在10%左右，直接測量電壓法的儀表損壞率降低到了2%以下。并且新的實驗方法能夠很好地應(yīng)用于井筒附近壓降漏斗曲線的直接測試(水電模擬平面徑向穩(wěn)定滲流實驗)，以及滲流場中不同等勢線分布直接測試(水電模擬鏡像反映實驗)，實驗結(jié)果具有較高的精度，實驗方法快捷且具有很強的穩(wěn)定性和可操作性，在保證學(xué)生實驗數(shù)據(jù)精準完善的同時提高了實驗的效率，具有很好的實際應(yīng)用效果。

1.4 改革實驗測試線路 提高實驗精度

區(qū)分模擬井探針和測試探針，將測試探針換成只有模擬井直徑1/5的紫銅絲，在保證了測試探針良好電導(dǎo)率的同時，滿足了模擬井與真實井筒之間幾何相似系數(shù)的科學(xué)性，有效區(qū)分測試探針和模擬井規(guī)格尺寸，極大地減小了因探針尺寸過大對測試結(jié)果精度造成的誤差。同時，由于井筒附近壓降急劇，數(shù)據(jù)變化較大，超細探針在測量近井地帶的電位分布時具有很好的適用性，精確度高且容易精準控制位置分布。

去除固定模擬井的電解質(zhì)溶液池頂部平衡支架，采用池底單邊固定模擬生產(chǎn)井探針的形式，避免了池頂平衡支架對模擬場測量范圍造成的影響，測定時探針在模擬場中的運動不受儀器支架系統(tǒng)的限制，延展了測定數(shù)據(jù)范圍的寬廣度，使得學(xué)生能夠獲得更全面精確的模擬滲流場原始數(shù)據(jù)，便于實驗處理和誤差分析，讓學(xué)生對滲流場的認知更進一步。

1.5 引入設(shè)計性操作模塊 提升實驗創(chuàng)造性

水電模擬平面徑向穩(wěn)定滲流實驗的教學(xué)和必做實驗內(nèi)容中，模擬了圓形地層中間一口直井在穩(wěn)定生產(chǎn)時的滲流問題，要求學(xué)生掌握油井產(chǎn)量與生產(chǎn)壓差的關(guān)系以及油井附近壓力降落曲線的測試。由于模擬井探針和模擬邊界銅帶的限制，沒能提供出更具有多樣性的模擬對象。因此引入了自拼接式模擬井探針組件以及不同形狀生產(chǎn)邊界，用來模擬復(fù)雜井網(wǎng)系統(tǒng)、水平井、多分支井、方形邊界以及直線供給邊界等復(fù)雜滲流力學(xué)問題，讓學(xué)生在完成平面徑向穩(wěn)定滲流測試的同時，依照自己的興趣，發(fā)揮創(chuàng)造性，設(shè)計并測定復(fù)雜條件下的滲流場壓力分布問題。設(shè)計性模塊的引入極大地發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，增強了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提升了實驗教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計性特點。圖5為學(xué)生自行拼接設(shè)計的多樣性井型。

直井水平井多分支井方形邊界中心—口水平分支井

圖5 學(xué)生自行設(shè)計的多樣性井型

2 依托開放實驗平臺的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

關(guān)于水電模擬滲流實驗?zāi)K，傳統(tǒng)的教學(xué)方法為教師課堂講授，學(xué)生實驗操作，過程中學(xué)生與老師交流問題和解決方法，課后學(xué)生分析數(shù)據(jù)并撰寫實驗報告。由于本模塊實驗原理復(fù)雜，儀器操作步驟較多，講授式實驗教學(xué)法的總體效果并不好，部分學(xué)生反映不能透徹理解實驗原理，造成實驗操作過程中狀況頻出。

依托我校石油工程國家級實驗教學(xué)示范中心開放實驗室管理平臺，結(jié)合網(wǎng)上視頻學(xué)習(xí)系統(tǒng)以及實驗教學(xué)管理系統(tǒng)，引入了適用于水電模擬滲流實驗?zāi)K的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。主要教學(xué)流程如圖6所示。基于滲流物理實驗?zāi)K化教學(xué)的模式，針對水電模擬滲流實驗這一“三性”實驗?zāi)K，改變傳統(tǒng)結(jié)果傳授式的實驗教學(xué)方法，依托開放式實驗管理平臺的便捷溝通渠道，充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動性，做到課前保證學(xué)生理論學(xué)習(xí)的目的性和自主設(shè)計的創(chuàng)造性；課上翻轉(zhuǎn)課堂，保證教的針對性和學(xué)的成效性，在解疑答惑的基礎(chǔ)之上完成理論在實驗研究中的實踐和應(yīng)用；課后充分利用開放實驗平臺，完成實驗成果分析，報告批閱審查，問卷填寫調(diào)研，教學(xué)方法總結(jié)和效果分析。此外，針對模塊內(nèi)兩項實驗的教學(xué)，逐層遞進，從平面徑向穩(wěn)定滲流實驗的講授討論教學(xué)引申到鏡像反映實驗的討論式教學(xué)，從復(fù)雜理論的深入學(xué)習(xí)和講授到理論的延伸和實踐，經(jīng)過學(xué)習(xí)-翻轉(zhuǎn)課堂-學(xué)習(xí)-再翻轉(zhuǎn)的四學(xué)時兩次實驗的“遞進式翻轉(zhuǎn)課堂”模塊教學(xué)，最大程度的發(fā)揮了教與學(xué)的針對性，從結(jié)果傳授式的傳統(tǒng)教學(xué)真正轉(zhuǎn)變成過程經(jīng)歷式的教學(xué)模式，通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，讓學(xué)生深刻探究和學(xué)習(xí)水電模擬滲流的理論和實驗知識。

圖6 水電模擬滲流實驗?zāi)K翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法

3 革新后的教學(xué)效果分析

3.1 實驗升級 突顯創(chuàng)新設(shè)計性

經(jīng)過對水電模擬滲流實驗?zāi)K兩部分實驗內(nèi)容改革，實驗設(shè)備改進，實驗方案更新，以及實驗教學(xué)方法的革新，突顯了本實驗項目的創(chuàng)新設(shè)計性，大大提高了學(xué)生對該實驗?zāi)K的學(xué)習(xí)興趣和主動參與度。通過問卷調(diào)查，對400份數(shù)據(jù)樣本進行分析，在50%以上的學(xué)生眼中，水電模擬滲流實驗是比較兼重理論和實踐的重點實驗項目(見圖7)；而57%的學(xué)生認為，本實驗項目真正發(fā)揮了設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗本該有的教學(xué)效果(見圖8)；90%以上的學(xué)生表示自己對水電模擬創(chuàng)新設(shè)計性實驗?zāi)K有興趣或有較高興趣(見圖9)。

圖7 水電模擬實驗難易程度調(diào)查圖8 水電模擬實驗創(chuàng)新設(shè)計性程度調(diào)查

圖9 創(chuàng)新設(shè)計性模塊實驗興趣度調(diào)查

3.2 翻轉(zhuǎn)課堂 突破傳統(tǒng)局限性

通過引入針對本實驗的遞進式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，打破了以往講授式實驗教學(xué)法的局限性，讓學(xué)生通過認真自學(xué)設(shè)計和課堂翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)實踐，真正掌握復(fù)雜的水電模擬理論知識，并將理論知識充分應(yīng)用于實驗測試探索中，做到通過相似原理用直觀水電場的表象數(shù)據(jù)反求復(fù)雜滲流場的理論特征，以討論為學(xué)，以教為學(xué)，以探索為學(xué)，將有限課堂時間內(nèi)的教與學(xué)的效果最大化。圖10為學(xué)生對翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法的認可程度調(diào)查，一半以上的學(xué)生認為本方法具有很好的效果，這也印證了靈活多變以及針對課程特點的適應(yīng)性強的教學(xué)方法在日常課堂和實驗教學(xué)中的重要性。

圖10 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法學(xué)生認可度調(diào)查

4 結(jié) 語

通過總結(jié)水電模擬滲流實驗教學(xué)中的經(jīng)驗和實驗開展過程中的不足，升級實驗流場介質(zhì)，改進實驗測試流程和儀器設(shè)備部件，很大程度上提高了實驗的穩(wěn)定性、精確性和可操作性。引入設(shè)計性實驗?zāi)K，提升了實驗的創(chuàng)新設(shè)計性和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，徹底突破了傳統(tǒng)教學(xué)方法在水電模擬滲流實驗教學(xué)中的弊端和局限，取得了很好的成效。水電模擬滲流實驗仍然是滲流力學(xué)和滲流物理實驗教學(xué)中的重要理論和實踐組成部分，努力變革固有實驗內(nèi)容和研究更有效的實驗教學(xué)方法，是提高教學(xué)效果以及學(xué)生理論和實踐知識水平的必經(jīng)道路。