论石油工程实践教学对学生创新能力的培养_罗天雨.pdf

创新创业教育高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 13 期论石油工程实践教学对学生创新能力的培养罗天雨，于浩龙，林国锋，余骏杨，肖兴全（广东石油化工学院，广东 茂名 525000）高校大学生的科技创新教育工作极其重要。通过调研发现，高校大学生创新意识淡薄、创新理念缺失和创新实践能力不足等均对科技创新教育的推动产生了较大的阻碍1。因此，创新思维的培养，不仅是对理论课程的要求，也是对实践课程的要求。石油工程专业涉及油气资源的钻探、开发，涵盖钻井工程、油藏工程和采油工程等专业方向，属于运用多学科理论、方法、技术与装备开发油气资源的工程技术领域2。石油工程专业的实践教学3是石油工程专业学生培养方案的重要组成部分，对于学生创新能力的培养起到重要的支撑作用。这类课程包括软件教学、认识实习与生产实习、素拓课程、实验课程、综合性训练课程、课程设计与毕业设计。这类课程在施教过程中，要着重对学生创新能力进行培养4，以达到实践教学的目的。一石油工程实践教学中学生创新能力的培养（一）软件教学对学生创新能力的培养软件应用能力是现代学生工作能力的重要体现，是石油工程专业学生所需要具备的应用能力，比如石油工程专业方面的数值模拟软件、试井软件、压裂软件、腐蚀、力学计算和井筒计算软件等的应用。首先为了训练学生的软件应用能力，学校要筹集资金，购置配套齐全的专业性软件。在学生软件应用能力培养方面，熟练应用是创新的基础，也是学生创新能力的体现。由于大部分软件是英文版的，应用模块较多，应用起来步骤较多，摘要：目前高等院校对大学生的质疑、批判和创新能力的培养严重不足，因此培养本科生的创新能力非常必要。石油工程专业实践课程也要培养青年学生的创新精神、创新理念。总体而言，石油工程专业实践课程包括软件教学、认识实习与生产实习、素拓课程、实验课程、综合性训练课程和课程设计与毕业设计等。通过分析，提出以下通过实践教学来培养学生创新思维的手段及途径：工程软件学习方面，立足于熟练应用软件；认识实习与生产实习过程中，锻炼学生的观察能力和发散性思维能力；素拓课程要用头脑风暴法训练学生的思维；实验课要求学生自主设计实验目的、实验流程；石油工程大赛需要学生自己动手、发挥创造性；课程设计与毕业设计应研究石油工业界热点问题，要讲究各学科的融合，要重视原创性等，这样才能培养创新型的石油工程高级人才。关键词：石油工程；实践教学；创新能力；发散思维；头脑风暴中图分类号：G640文献标志码：A文章编号：2096-000X（2023）13-0059-05Abstract:At present,colleges and universities are seriously deficient in cultivating students ability to question,criticize andinnovate.Therefore,it is very necessary to cultivate the innovation ability of undergraduates.The practical courses of petroleumengineering specialty should also cultivate the innovative spirit and concept of young students.In general,the practical courses ofpetroleum engineering specialty include software teaching,cognition practice and production practice,quality development course,experiment course,comprehensive training course,course design and graduation design,etc.Through analysis,this paper puts forwardthe following means and ways to cultivate students innovative thinking through practical teaching:in the aspect of engineering softwarelearning,we should focus on the skilled application of software.In the process of cognition practice and production practice,studentsobservation ability and divergent thinking ability should be trained.The quality development course should train students thinking bybrainstorming.The experiment class should require students to design the purpose and process of the experiment independently.Thepetroleum engineering competition course requires students to do their own work and bring their creativity into playing.Curriculumdesign and graduation design should study hot issues in the petroleum industry,pay attention to the integration of various disciplines,and attach importance to originality.Only in this way can we cultivate innovative senior talents in petroleum engineering.Keywords:petroleum engineering;practical teaching;innovation ability;divergent thinking;brainstorm基金项目：广东省高等教育教学研究和改革项目“基于创新能力培养的石油工程教学方式方法改革研究与实践”（234391）；广东石油化工学院校级项目“石油工程专业双体系人才培养模式改革试点”（234458）第一作者简介：罗天雨（1971-），男，汉族，河南方城人，博士，副教授。研究方向为采油工程教学。DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2023.13.01559-2023 年 13 期创新创业教育高 教 学 刊Journal of Higher Education需要培训时间及培训技巧。专业教师要先进行软件应用演示，再结合案例进行逐个模块的讲授、应用和训练，直到学生能够熟练操作为止。教师要讲清楚软件的难点、优点和特点，比如油藏数值模拟软件，通常分为主模型、数模前处理和数模后处理。其主模型是数模的模拟器，即计算部分，这是最重要的部分也是最难掌握的部分。其可以细分为黑油模拟器、组分模拟器等。数模前处理是一些为主模拟器做数据准备的模块，比如准备油田的构造模型、属性模型，流体的 PVT 参数，岩石的相渗曲线和毛管压力参数及油田的生产数据等。数模后处理是显示模拟计算结果及进行结果分析。以 Eclipse 软件为例，Eclipse100 是对黑油模型进行计算。前处理模块有 Flogrid、PVTi、SCAL、Schedule 和 VFPi 等。后处理模块有Eclipse Office 和 FLOVIZ，进行计算曲线和三维场数据显示和分析。对于压裂数值模拟来说，FracPT 软件的 G函数分析、近井摩擦阻力分析和压力拟合等为重点、难点；Stimplan 软件的测井数据处理、压力拟合和多簇裂缝模拟等为重点。基于上述训练过程，才能培养学生的创新应用能力。（二）认识实习与生产实习石油工程专业的认识实习、生产实习对学生增强职业的认同感、增加职业技能有很大促进作用。为了更好地培养学生的能力，在实习过程中要锻炼学生的观察能力、综合思考能力和理解能力。观察能力即对生产环境、周围事物的洞察能力4。针对特种场合的实习，教师要提前准备一些问题，以开启学生智慧，提高学生的观察能力、综合思考能力和理解能力，进一步深化观察能力，并发现新的问题。在特定场合，以发散性思维为主要特色，提出多方面的问题。比如，学生在岩芯库实习时，在参观一排排的岩芯柱（图 1）的同时，要思考下列问题：如何从岩芯柱得到地应力的方向及大小？为什么有的岩芯柱是碎的？如何从岩芯看出含油量？不同岩性的岩芯有何区别？如何从岩芯看储层的孔隙度、渗透率？在参观油田实验室时，学生要思考实验工作对油气田开发的重要作用。比如，油气田开发需要哪些化学剂？酸化压裂工作需要安排哪些实验？注水、三次采油和钻井工作需要做哪些实验？该实验室的实验水平、技术指标如何？通过对上述问题的思考与讨论，将油气田开发与实验工作结合起来，有助于理解实验工作的重要性，从而提高学生的实验技能。在参观工具库时（图 2），学生要思考各种工具是用于钻井、压裂及注水，还是采油？用于分段压裂的工具有哪些？封隔器是如何命名的？怎么座封的，怎么解封的？封隔器如何固定？先进的封隔器有哪些？特殊场合比如高温高压、腐蚀场合如何选择封隔器？带着这些问题去参观学习，通过系统介绍、查阅资料和实物对比等能建立很好的工程设计意识，能够较好地掌握井下工具的设计应用方法。工具库里面的各种工具与学生的专业课都有联系，教师要引导学生将各种工具与专业课联系起来，比如钻井工艺、采油工艺、钻采机械、提高采收率和酸化压裂技术等，这样才能巩固所学的课本知识，加深对工艺技术的认识，加深对知识的理解。为保证参观实习的效果，避免学生走马观花，学无所获，教师要将上述问题，以作业的形式留给学生并监督完成。比如将上述问题以思考题的形式发给学生，让学生完成后在课堂上进行汇报，教师逐一进行点评，对错误的答案给予纠正，对不足的答案进行提升。这个后期评估过程将有助于学生掌握知识，巩固所学。（三）素质拓展课程中的创新训练素拓课程需要加强师生的互动，提高学生的参与性，吸引学生自己动手，以学生获得解决问题的能力为图1岩芯图片图2参观井下工具60-创新创业教育高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 13 期最终目的。对于石油工程类学生而言，这类素拓课程包括酸化压裂技术、非常规油气藏勘探开发技术、油气藏地震解释技术、测井解释技术和线性代数在油气田中的应用和钻采机械等。在整个授课过程中，针对某些专题，可采用翻转课堂，结合目标问题导向的授课模式。此时教师从授课的主角变成导演，学生从听众变成演员。具体来说，对于某个章节内容，为了让学生透彻掌握，深入理解，教师要把讲台让给学生，学生自己动手，广泛调研，查询资料，吸收、梳理、理解和掌握国内外先进成果，通过研读获得深入的认识，最终完成技术方案的设计，制作成汇报多媒体，并亲自汇报，在课堂上分享个人的成果。这个过程能让学生得到全方位的锻炼。为了配合完成学习过程，结合培养目标（知识目标、能力目标），教师要把课程内容转化成四类问题，即基础性问题、综合性问题、应用性问题和创新性问题；问题要围绕授课主题，以应用型、创新型等高阶问题为主；四类问题要有一定的题量，保证训练成效；教师要提前将问题发给学生，让大家查询资料，开启思维，充分发挥创新性，提出更多的解决方法，并在问题解决环节进行阐述讨论。当学生完成多媒体汇报之后，在教师的引导与组织下，立即进入问题解决环节。该环节强调师生之间的问题互动，学生之间的互动，互动以问题的解决为目的。考核成绩要以学生的课堂表现为主要依据。教师要设计一些奖励环节，及时鼓励表现优秀的同学，以形成创新的氛围及习惯。这种训练方式有助于让大家都能够参与教学活动，提升学生的应用能力。在问题解决环节，教师要有目的地对学生的思维能力进行训练，比如采用头脑风暴法5-6，其是一种通过会议形式，让所有参加者在自由愉快、畅所欲言的气氛中，自由交换想法或点子，可对某个问题进行辩论。为了保持敏锐，锻炼我们的大脑是很重要的。我们思考得越少，大脑就会变得越迟钝。在培养创造性思维的方法中，头脑风暴法是一种最常用的激励群体创新方法，其能够在较短时间内，通过简单形式，产生出大量体现创新精神的新观点。为了解决问题，教师要引导学生进行思维训练，包括逆向思维、发散性思维和聚合型思维等7。比如，在酸化压裂技术课上，讲到水平井分段压裂技术时，教师可提出下列问题：采用何种工艺才能让段内各簇裂缝长度一致？在课堂上，教师引导启发学生，采用头脑风暴方法，先深入分析多条裂缝不能够均衡发育的原因，通过原因分析，针对性地提出相应的解决方法。为了让水平井压裂时各簇裂缝发育一致，可以采用射孔限流设计方法（图 3），通过优化缝间距离减少应力干扰，投注暂堵剂及暂堵绳进行暂堵压裂等，均在一定程度上有助于各簇裂缝的均衡延展。通过这种深入的、热烈的和专门的讨论，在讨论过程中，教师及时给予学生鼓励，有助于学生更深刻地理解分段压裂工艺技术。对于思维活跃、善于在某些问题方面进行深入思考的学生，教师可以引导其进行外观设计、工具设计和工艺设计，并鼓励学生进行发明创造，形成新的技术设计或产品，进行实用新型专利或发明专利的制作。曾经有学生通过素拓课程教育，发表了应用神经网络技术预测油气井产能的文章，发明并制造了新型插秧机，设计了新型的上楼机、自行车和多功能跑步机等，显现出思维训练的丰硕成果。（a）非限流裂缝发育情况（b）限流压裂裂缝发育情况图3非限流与限流压裂裂缝发育情况对比-3 100-3 200-3 300-3 4001 2501 3001 3501 4001 450-300-200-1001002000-3 100-3 200-3 300-3 4001 2501 3001 3501 4001 450-300-200-1001002000-300-200-100100200001234567线宽/mm线宽/mm0123456761-2023 年 13 期创新创业教育高 教 学 刊Journal of Higher Education（四）实验课程对学生创新能力的训练传统实验教学方式以讲授为主。实验开始之前，实验教师详细介绍实验原理、实验步骤及流程，学生无须思考这些实验流程的设计理由，仅仅按部就班地按照实验步骤进行操作，就会顺利完成实验。这样的实验教学模式严重降低了学生对实验的兴趣，不利于学生工程实践能力和创新能力的培养8。相反，学生自己提出实验设计方案和仪器改进思路，对自己感兴趣的问题进行深入的研究和探索，实验积极性能够大幅度提高，也锻炼了创新能力。目前，除了课内实验设备，学校一般还有大量闲置的科研性实验设备，可以鼓励学生利用这些设备，进行自主性、探索性和创新性的实验。在这个过程中，学生自主设计实验目的及实验流程进行实验，分析实验结果，得到结果验证。比如支撑剂导流能力测试仪，能够测试支撑剂在不同围压下的导流能力。当不同颗粒大小的支撑剂混合在一起时，其导流能力会降低；当支撑剂混合方式不同时，比如上下混合、前后混合和彻底混掺等，支撑剂导流能力也会有所不同。学生可预先进行实验规划，并预计实验结果，然后设计实验流程，进行验证。也许会出现预料不到的实验结果，此时需要学生进行深入的分析，从而得到新颖的结论，以指导现场的应用。由于知识的局限性，这类探索性实验需要教师引领、指导，也需要学生查阅大量文献进行汇总分析等。（五）石油工程设计大赛对学生能力的培养中国石油工程设计大赛是石油类院校的顶级赛事，能够充分地训练学生解决现场工程问题的能力，是一项综合性的训练课程。大赛旨在追求卓越，目的是打造高素质石油人才，锻炼和提升学生解决复杂工程问题的能力，培养适应社会发展需要的科技创新型、工程实践型和团队协作型的卓越石油工程师。大赛广泛涉及石油类专业研究的各个领域，尤其是石油工程的设计和管理，并将在原有的勘探、开发、钻井和储运技术的基础上增加更多的创新元素。中国石油工程设计大赛赛题往往来源于现场难点问题，一般是多个难点交汇在一起，要求采用的技术复杂、先进且合理。一般仅给出地质条件及工程设计方案的大致方向，其他任何提示也没有，这给方案设计者留下了广阔的发挥空间。指导教师作为指导者，组建比赛队伍的同时，更多的精力要放在方案编制的规划方面。教师要将整个方案设计分解成若干个组成部分，每个组成部分由若干个次级的解决方案组成。这些解决方案涵盖了最新的研究成果，有一定的难度及创新性，没有现成的资料供参考，需要学生自己动手思考问题、解决问题。其途径包括充分调研国内外文献资料、阅读外文、建立模型、推导公式、模拟计算、验算验证和借鉴移植等，在这个过程中，参赛者需要充分开动脑筋，发挥创新性，大胆设计，创新设想，自证自圆，编制合理、先进和实用的工程方案，解决油田现场问题。笔者多次带领学生参加中国石油工程设计大赛，获得了多个全国二等奖，在采油气工艺方案编制方面有以下几点认识：学生需要掌握几款最新的软件才能适应中国石油工程设计大赛，比如 Meyer 三维压裂软件、Stimplan 三维压裂软件、酸压软件、地应力解释软件、Eclipse 数值模拟软件、Wellflow 井筒流动软件和腐蚀软件等，掌握这些软件可以提升学生创新能力；要采用最新的技术，才能更好地解决现场问题，比如压裂改造方面的可溶性桥塞技术、暂堵绳暂堵技术、纤维缝内暂堵技术、新型压裂液技术和新型测试技术等，这些都需要学生在老师的带领下，追踪检索最新的石油工程技术，并与现场问题密切结合，提出合理的解决方案；学生要勇于建立一些新的模型，才能解决新的技术难题，比如某年的石油工程大赛，需要计算体积压裂水平井的产能，里面涉及新模型的建立与模拟计算，笔者鼓励几个基础较好的学生，投入较多的精力进行推导，得到了新的计算模型，学生因此也发表了文章，得到了很好的锻炼；鼓励学生提出新型的设计思路，保护学生的新颖思路。学生思维活跃，不受传统设计思路控制与约束，在设计过程中，容易冒出新奇的想法。此时教师要鼓励学生，在提出新的解决方案的同时，要提供切实的依据，并完善技术思路。这就要求学生去查阅资料、丰富思路和完善工艺技术，从而极大地锻炼了学生解决问题的能力、综合应用知识的能力。（六）课程设计与毕业设计对学生创新能力的训练课程设计与毕业设计是对学生综合应用能力进行训练，对于培养学生解决问题的能力具有重要意义。为了更好地培养学生解决现场问题的能力，应选择石油工业界热点问题进行研究。热点问题一般也是当前比较重要的问题，学生通过在设计实践操作中开阔眼界、接触社会及了解国情，做到理论与实践有效结合，提前感知社会压力，看到自己与市场需求之间存在的差距和问题。提前发现问题并及时纠正，对将来工作和生活中自信心的提升起到很大推动作用，同时完善的人格将有助于创新能力的发挥9。比如石油工程专业采油工程的课程设计，以前将机抽系统的设计作为重点，但是随着技术的进步及现场工作面临问题的不断涌现，该行业的热点问题不断变迁，因此课程设计也要与时俱进，需要选择目前石油开采面临的难点、热点问题开展研究。比如非常规油气藏页岩62-创新创业教育高 教 学 刊Journal of Higher Education2023 年 13 期5 教育部关于印发 高等学校“十三五”科学和技术发展规划 的通知 EB/OL.（2016-11-24）.http：/ 郑炜君，王顶明，曹红波.国际化背景下的研究生教育课程体系与师资建设第二届研究生教育国际论坛综述J.学位与研究生教育，2017（11）：72-77.7 马雪红，王维枫，阮宏华.研究生培养国际化模式及评价指标体系J.高教学刊，2021，7（29）：17-20，24.8 钱礼光，张小晟，邢华斌，等.加强研究生国际交流与合作的创新与实践以浙江大学化工学科为例J.化工高等教育，2020，37（4）：15-20.9 朱浩，余仁伟，刘琳，等.培养高水平国际化研究生导师队伍的思考与探索J.教育教学论坛，2019（25）：1-2.10 齐晓颖，刘海峰.“双一流”高校建设中研究生导师队伍优化路径探究J.高教学刊，2018（23）：150-153.11 陈妮，李跃明，杨利娜.探索“双一流”背景下研究生国际化培养体系构建基于西安交通大学航天航空学院的管理实践J.科教文汇（中旬刊），2021（7）：8-11.12 丁云鹏，郭晓琴，马彦波，等.工科研究生国际化培养的问题及对策分析J.管理工程师，2020，25（1）：75-80.13 周琼，徐俊.“双一流”学科建设背景下地方高校研究生教育国际化研究J.长春大学学报，2021，31（4）：63-67.14 王添翼.“双一流”建设背景下推进研究生课程建设国际化的思考与探索J.高教学刊，2018（3）：16-18.15 罗尧成，束义明.我国高校研究生教育国际化：现状分析及对策建议J.学位与研究生教育，2009（11）：58-63.油、页岩气的体积压裂工艺，分段分簇问题，降阻压裂液、暂堵压裂等。课程设计与毕业设计题目的选取，要注重各学科的交叉融合。比如钻井机械比能是钻井方面常用的一个参数，用于优选钻头、判断钻头泥包，以及确定磨损、钻压是否合理等。但是近年来，该参数用于采油工程的压裂工艺方面进行分段分簇，指导压裂设计，选取机械比能在采油工程方面的应用作为课题，这就是多学科交叉的一个典型例子。同时，学生进行毕业设计与课程设计时，要重视原创性问题。目前，本科毕业设计论文程序化的写作流程、大量借鉴移植的写作模式，对学生的创新性有所抑制10-11。比如毕业论文所涉及的各个学术方向，前人已经做了大量的工作，有大量文献资料可以参考。有些学生偷懒，其做法是大幅度参考别人的研究成果，并在降重率上做工作，这种操作模式不利于学生培养质量的提高。应强调创新性的研究工作，并注重原创性，强调个人贡献。指导教师要提前规划出创新性的环节，有意留出这部分内容，供学生发挥提高，鼓励学生大胆创新，合理创新，比如数学模型的建立推导、实验方法的创新和工艺方法的创新等。二结束语石油工程实践课程由于其专业性较强，在实施过程中容易忽略对大学生创新能力的培养。创新思维的培养，不仅是对理论课程的要求，也是对实践课程的要求。在学生软件应用能力培养方面，熟练应用是创新的基础。在认识实习与生产实习课程中，要锻炼学生的观察能力和发散性思维能力。在素拓课进行过程中，教师要有目的地对学生的思维能力进行训练，比如采用头脑风暴法，结合逆向思维、发散性思维和聚合型思维等思维方法。这个过程能够在较短时间内，通过简单形式产生出大量体现创新精神的新观点。实验课要求学生自主设计实验目的和实验流程，对学生进行锻炼。全国石油工程大赛中，需要学生自己动手、充分开动脑筋、发挥创新性。课程设计与毕业设计应选择石油工业界热点问题进行研究，要讲究各课程的融合，要重视原创性问题等。参考文献：1 孙楠，王佳玉，杨靖铎.基于 OBE 理念驱动的高校大学生科技创新教育限制因子解析和评价研究J.黑龙江教育（理论与实践），2022（9）：69-72.2 王志华，杨二龙，张立刚，等.新工科视域下的石油与天然气工程类专业实践教学模式探究J.大学教育，2021（9）：24-26，34.3 肖前华，李继强，朱得利，等.石油工程专业卓越工程师实践教学改革J.重庆科技学院学报（社会科学版），2017（6）：120-122.4 黄国庆，王洪.大学生创新能力培养研究J.高教学刊，2022，8（20）：62-65.5 肖博达.头脑风暴法在全国大学生工程训练综合能力竞赛“无碳小车”项目中的应用J.科技创业月刊，2020，33（9）：81-83.6 李林科.“头脑风暴法”在医用 普通化学 中的教学研究J.决策探索（下），2020（9）：50-51.7 罗天雨，张鸿宇，郑一尘，等.“采油工程”课程教学中培养学生的创新思维探讨J.现代教育论坛，2022，5（2）：14-17.8 万军凤，王艳丽.石油工程专业实验教学模式改革及实践J.科教导刊（中旬刊），2019（11）：51-53.9 董洪亮，逄桂博.当代大学生人格完善与开拓创新精神的养成J.人才资源开发，2022（13）：75-76.10 曹峰，齐生芝.石油工程专业毕业论文写作模式改革初探J.陇东学院学报，2017，28（1）：131-133.11 武卫莉提高大学生毕业设计（论文）的教学质量研究J.实验技术与管理，2012，29（2）：153-154（上接58页）63-