林伯韜　王振宇　侯冰

［摘 要］石油工程巖石力學(xué)是石油工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)應(yīng)用基礎(chǔ)課程，旨在學(xué)習(xí)巖石力學(xué)理論知識(shí)在石油工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。文章介紹了力學(xué)、巖石力學(xué)和石油工程巖石力學(xué)之間的學(xué)科聯(lián)系和課程背景，闡述了石油工程巖石力學(xué)課程的開(kāi)設(shè)情況，重點(diǎn)剖析了該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角色、內(nèi)容、設(shè)備、目的以及授課方式，并總結(jié)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備精密昂貴、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)教師缺乏是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的突出問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，文章提出加強(qiáng)本碩博一體化教學(xué)，融合線(xiàn)上、線(xiàn)下教學(xué)，建立線(xiàn)上虛擬實(shí)驗(yàn)室輔助教學(xué)等改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效手段。該研究成果能為解決類(lèi)似問(wèn)題提供一定的方法指導(dǎo)。

［關(guān)鍵詞］石油工程；巖石力學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；線(xiàn)上平臺(tái)；虛擬實(shí)驗(yàn)室

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.423 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）08-0056-03

力學(xué)是一門(mén)應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)性學(xué)科，工程力學(xué)、材料科學(xué)、土木工程、機(jī)械工程、冶金與礦業(yè)工程等眾多工科專(zhuān)業(yè)的核心課程都與其存在緊密聯(lián)系。巖石力學(xué)是力學(xué)的分支學(xué)科，該學(xué)科是一門(mén)運(yùn)用力學(xué)、地質(zhì)學(xué)的原理和方法來(lái)研究巖石的力學(xué)及相關(guān)現(xiàn)象的綜合性學(xué)科，主要研究各種力場(chǎng)作用下的巖石變形與破壞規(guī)律，具有理論性強(qiáng)、應(yīng)用性強(qiáng)、與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合緊密的特點(diǎn)。隨著石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，工程問(wèn)題變得愈加復(fù)雜，巖石力學(xué)的學(xué)習(xí)變得至關(guān)重要。在中美開(kāi)設(shè)石油工程專(zhuān)業(yè)的主要院校中，約三分之二的高校為本科生和研究生開(kāi)設(shè)了巖石力學(xué)課程[1]。

石油工程巖石力學(xué)是中國(guó)石油大學(xué)（北京）為石油工程專(zhuān)業(yè)的本科生及研究生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。石油工程巖石力學(xué)教學(xué)內(nèi)容廣泛，涵蓋了鉆井工程、完井工程、油藏工程、油氣田開(kāi)發(fā)、巖石物理、測(cè)井等多個(gè)與巖石力學(xué)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，例如深部地應(yīng)力預(yù)測(cè)及計(jì)算、油氣鉆完井過(guò)程中井周應(yīng)力狀態(tài)，以及巖石力學(xué)應(yīng)用于井壁穩(wěn)定、水力壓裂、套管損壞、油氣井出砂與防砂等方面遇到的工程問(wèn)題[2]。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，在工科專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)中的重要性極為突出[3-4]。中國(guó)石油大學(xué)（北京）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室是油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分室，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，逐步配備了雄厚的師資團(tuán)隊(duì)和先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在壓裂增產(chǎn)、井壁穩(wěn)定、儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)等領(lǐng)域形成了一定特色，取得了諸多科研成果。師資團(tuán)隊(duì)同時(shí)也是石油工程巖石力學(xué)課程的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，多年來(lái)通過(guò)科研反哺教學(xué)的方式形成了良性循環(huán)，增進(jìn)了學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)理論、方法、技術(shù)的理解，形成了具有一定特色的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案[5]。本文從該門(mén)課程的教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，總結(jié)了其實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決方案。

一、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

中國(guó)石油大學(xué)（北京）為石油工程專(zhuān)業(yè)本科大三年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)的石油工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)課程，共計(jì)2個(gè)學(xué)分，32個(gè)學(xué)時(shí)，其中理論部分28個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)部分4個(gè)學(xué)時(shí)；同時(shí)為研究生開(kāi)設(shè)的石油工程巖石力學(xué)課程，設(shè)置3個(gè)學(xué)分，共計(jì)48個(gè)學(xué)時(shí)，全部為理論學(xué)時(shí)。由于該類(lèi)課程涉及的實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備具有造價(jià)昂貴、占地面積大、操作復(fù)雜等特點(diǎn)，目前并未配備教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。因此，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依托中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的巖石力學(xué)分室開(kāi)展。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)最重要的是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，一方面讓學(xué)生參與到教學(xué)的各環(huán)節(jié)中，另一方面培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力[4-5]。從上述課程設(shè)置來(lái)看，目前僅有本科生實(shí)際參與了實(shí)驗(yàn)課程，研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅停留在理論學(xué)習(xí)層面上。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括三方面內(nèi)容：一是常規(guī)三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)與巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，二是大型真三軸水力壓裂室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)，三是巖石礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。由于場(chǎng)地和設(shè)備的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前采取的方式是：任課教師介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)備及講解實(shí)驗(yàn)方法、流程；同時(shí)，安排研究生利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備做科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并在中途穿插一些關(guān)于實(shí)驗(yàn)步驟的介紹；本科生集中在一旁觀摩實(shí)驗(yàn)，與教師、研究生進(jìn)行互動(dòng)問(wèn)答，并在課后根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備及內(nèi)容介紹

目前輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要設(shè)備包括：大尺寸真三軸巖石模擬試驗(yàn)機(jī)、巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)機(jī)、巖石斷裂韌性測(cè)量?jī)x、聲發(fā)射檢測(cè)裝置、高溫高壓巖石流變性、瞬態(tài)脈沖滲透率測(cè)試儀、頁(yè)巖膨脹儀、場(chǎng)發(fā)射掃描加聚焦離子束顯微鏡系統(tǒng)、微納米CT、微區(qū)礦物成分定量分析儀、掃描電子顯微鏡、巖石波速各向異性測(cè)試儀等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，能夠滿(mǎn)足所有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其實(shí)驗(yàn)課程、內(nèi)容、平臺(tái)、設(shè)備與具體用途如表1所示。

三、存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施

隨著時(shí)代的發(fā)展，巖石力學(xué)學(xué)科知識(shí)更新迭代的速度加快，特別是高溫高壓超深層鉆探、非常規(guī)和低滲儲(chǔ)層的改造等工程難題對(duì)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)提出了更高的要求[5]；同時(shí)，隨著大學(xué)教育的普及化，接受高等教育的學(xué)生人數(shù)逐年增加，傳統(tǒng)的巖石力學(xué)教學(xué)方式和設(shè)備已不能滿(mǎn)足本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。目前該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要存在以下三個(gè)突出問(wèn)題：

一是近年來(lái)高等教育大幅度擴(kuò)招使得許多高校實(shí)驗(yàn)教師數(shù)量明顯不足[6]，導(dǎo)致從事日常課程教學(xué)的教師需要通過(guò)兼職的方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的專(zhuān)業(yè)化程度難以保障。例如，筆者所在學(xué)校的石油工程巖石力學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)暫未配備專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教師，目前仍由任課教師承擔(dān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)工作，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，往往是三四十名本科生圍站在一臺(tái)設(shè)備旁聽(tīng)教師講解。而對(duì)于石油工程專(zhuān)業(yè)的研究生來(lái)說(shuō)，如果從未在本校上過(guò)石油工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)本科課程，且未曾從事過(guò)該領(lǐng)域的科學(xué)研究，學(xué)生就無(wú)法接觸到表1所列的實(shí)驗(yàn)，更不用說(shuō)了解其中的內(nèi)容了。

二是資金、場(chǎng)地和設(shè)備條件難以跟上巖石力學(xué)學(xué)科日新月異的發(fā)展速度。高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)旨在讓學(xué)生學(xué)會(huì)用實(shí)際問(wèn)題驗(yàn)證理論、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、讓學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力與獨(dú)立開(kāi)展科研工作的能力。大型巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的價(jià)格和維護(hù)費(fèi)較昂貴，操作要求極高，受制于高校資金、場(chǎng)地、條件和安全性等因素，實(shí)驗(yàn)設(shè)備暫時(shí)無(wú)法保證本科生開(kāi)展可上手操作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

三是課程設(shè)置劃分過(guò)細(xì)導(dǎo)致現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足課程的實(shí)驗(yàn)要求。目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏與石油工程實(shí)踐的融合；且由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為粗化，學(xué)生難以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與石油工程現(xiàn)場(chǎng)案例逐一對(duì)應(yīng)。

針對(duì)上述三個(gè)突出問(wèn)題，本文提出如下改進(jìn)措施：

第一，制訂本碩博一體化培養(yǎng)方案。借助高校平臺(tái)大力推進(jìn)本碩博一體化培養(yǎng)，調(diào)整課程培養(yǎng)方案，將該門(mén)課程重新命名為“石油工程巖石力學(xué)I”，為研究生開(kāi)設(shè)高階課程“石油工程巖石力學(xué)II”，分別調(diào)整本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求，針對(duì)本科生以實(shí)驗(yàn)演示為主，針對(duì)研究生結(jié)合其研究課題提供部分實(shí)驗(yàn)的操作機(jī)會(huì)；后者充當(dāng)助教角色，同時(shí)作為前者的實(shí)驗(yàn)演示者。

第二，融合實(shí)驗(yàn)的線(xiàn)上、線(xiàn)下教學(xué)。推進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程的線(xiàn)上平臺(tái)建設(shè)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中師生的溝通方式，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)理論、設(shè)備、步驟的掌握。具體措施包括在慕課中引入與巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的石油工程專(zhuān)業(yè)案例，建設(shè)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)及整理思考習(xí)題，開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)課程網(wǎng)頁(yè)、網(wǎng)絡(luò)微課，并且在每次線(xiàn)下實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，通過(guò)公眾號(hào)、微信群推送相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并介紹相關(guān)的石油工程問(wèn)題。

第三，建設(shè)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器和場(chǎng)景是解決實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)及資源受限問(wèn)題的有效途徑。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的沉浸性、交互性、多感知性，能讓學(xué)生通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)了解地層巖樣變形及破壞的力學(xué)過(guò)程[7]。筆者曾經(jīng)參觀過(guò)德國(guó)萊比錫大學(xué)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室擁有一套3D虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的軟件及裝置，參與人通過(guò)佩戴VR眼鏡可體驗(yàn)進(jìn)入深部地層中的地?zé)衢_(kāi)采井場(chǎng)景，沉浸式觀摩水力壓裂施工及裂縫擴(kuò)展全過(guò)程中的儲(chǔ)層巖石力學(xué)變形情況。

四、線(xiàn)上虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)

通過(guò)建立虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，可打破時(shí)間、空間的限制，節(jié)省了使用和維護(hù)大型精密儀器的成本，能合理管控實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放、共享、靈活、安全的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[8-10]。石油工程巖石力學(xué)課程的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)如下：首先，開(kāi)發(fā)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)頁(yè)，學(xué)生可以經(jīng)由學(xué)院主頁(yè)—教學(xué)主頁(yè)—虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)頁(yè)使用校內(nèi)賬號(hào)登錄。其次，制訂并實(shí)施虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的管理方案，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)管理、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、學(xué)生考查、量化評(píng)價(jià)及課后反饋[10]。再次，通過(guò)豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及劃分模塊，搭建石油工程巖石力學(xué)線(xiàn)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。根據(jù)表1，設(shè)置單軸、三軸抗壓實(shí)驗(yàn)、巴西劈裂實(shí)驗(yàn)、真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)、巖石礦物成分分析實(shí)驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)等五個(gè)模塊。最后，綜合應(yīng)用三維圖像建模技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)，制作可交互的實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)操作流程的人機(jī)交互，讓每個(gè)學(xué)生以第一人稱(chēng)扮演游戲角色完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)[11]。虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的整體流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

五、結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)介紹了石油工程巖石力學(xué)課程本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)科背景、課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、所需設(shè)備、存在問(wèn)題及改進(jìn)措施，認(rèn)為以石油工程為細(xì)分學(xué)科的巖石力學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)要求較高，現(xiàn)有的資金、場(chǎng)地、人員和設(shè)備條件難以滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)實(shí)踐教學(xué)的要求。解決這些問(wèn)題的途徑有：一是融合打通本科與研究生課程；二是開(kāi)辟實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)端第二課堂；三是建立石油工程巖石力學(xué)的線(xiàn)上虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用VR技術(shù)讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)中模擬操控設(shè)備，并制訂虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的管理方案。本文提出的改進(jìn)措施可有效彌補(bǔ)線(xiàn)下實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件的不足，并為存在類(lèi)似難題的其他實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程提供相應(yīng)的教學(xué)參考。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：劉鳳華］