问题式教学在石油工程专业课程的应用

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【摘要】石油工程专业基础课程往往理论性很强，复杂的机理认识和数学模型的建立是其难点，学生在学习过程中最为惧怕的就是大量的理论模型，课堂授课也就容易单一和枯燥，甚至成为教师的独角戏表演，授课效果大打折扣，针对这一问题，引入了问题式教学方法，用以提高学生的思辨意识，调动其主动思考，提高课堂的活跃氛围。以石油工程中的核心专业基础课《渗流力学》为例，进行了课程特点的剖析；分类设计了问题式内容，包括13个重要知识点问题和5个代表性分析方法问题，同时提出了分层次问题设计的方法，即逐层分为主问题、子问题、引导问题、即时问题、研讨问题；以保证课程连续性和完整性为原则，进行了问题式教学应用的过程设计。该教学模式的设计为同类专业课程的问题式教学提供了参考。

【关键词】问题式；专业课；教学模式；石油工程；PBL

0引言

石油工程专业性很强，技术理论知识复杂，专业基础课程难度大，单一的讲授法教学模式容易使学生在听教过程中思维疲惫，注意力涣散，教学效果往往一般。随着教育教学的改革与创新，多种教学模式的综合应用大大提高了教学效果，具有代表性的主要有研讨式、互动式、实践式、启发式、探究式、易位式、案例式、混合式、情景式、问题式，等等[1-3]，其中的问题式教学兼具了各种模式特点[4]。问题式教学（PBL：Problem-BasedLearning）是以增强问题意识和发现、分析、解决问题能力为目的的教学模式，它不同于目的在于传授和掌握已有知识、并把其当成无可怀疑和不再发展的绝对真理的直线式教学[5]。以石油工程核心专业基础课程渗流力学为例，进行问题式教学方法的应用探讨。

1渗流力学的内容特点

渗流力学中，熟悉基本概念、清楚物理现象、理解渗流规律、掌握数学模型是4个难度逐级递增的基本要求，其中数学模型的建立过程、求解过程及应用过程是最难的部分，也是学生害怕学习的部分。但是，渗流力学整体性很强，连续性很好，把握住基本的理论套路后很容易上手去理解数学模型的建立过程，最难的部分被攻陷，其他内容也就水到渠成。例如，在对某一油藏进行渗流理论分析时，其模型的建立过程为：（1）理想物理模型建立；（2）基本数学模型的建立（包括微分方程、内外边界条件、初始条件及辅助方程等）；（3）对数学模型求解，可得到压力分布或者饱和度分布；（4）对求得的解进行生产规律分析（包括压力、产量、压力梯度、渗流速度、渗流场图等），可理解为渗流规律；（5）进一步把有价值的结论应用于现场实践中去，即应用。理解这一过程可以先精通最简单的稳定渗流中的平面单向流的理论分析方法，然后由此及彼地扩展到其他模型中去，这样就把整个渗流力学内容贯穿起来。

2渗流力学问题式教学设计

问题式教学能够激发学生的主动思考能力，也能够活跃课堂氛围，但许多事情需要有个限度，如果问题太多学生的积极性也会被削弱，因此，问题式设计突出重要知识点，引导代表性是分析方法，并进行分层问题设计。

2.1重要知识点问题设计

以渗流力学教学大纲所要求内容为原则，力争为通俗易懂的语言对重要知识点进行问题设计，共13项。（1）地下储层流体受哪些力的作用？（2）流体运动时如何建立压力的连续性方程？（3）描述实际油藏的完整数学模型是由哪些部分组成的？（4）一维单向稳定渗流的数学分析过程是什么？（5）一口直井生产时附近的流动要素有什么特征？（6）稳定渗流的数学分析结果在实际油田中怎么应用？（7）多口井同时生产时地层压力是怎么再平衡的？（8）应用什么方法去计算多井同时生产时的流量和地层压力分布？（9）当一口井刚打开时井底压力随着时间是怎么变化的？（10）当一口井生产一段时间关井时井底压力是怎么恢复的？（11）不稳定渗流的数学分析结果在实际油田中怎么应用？（12）水驱油时如何计算地层中含水饱和度的分布？（13）特殊流体、复杂地层、非常规储层的渗流过程有哪些标志性差异？

2.2代表性分析方法的问题设计

对通用的定律、原理、数学分析方法、应用等，在问题设计的基础上进行深入的分解和引导，例如，达西定律是描述产量和压力的线性关系的普遍共识，其形式可以进一步分解为动力与阻力的关系、能量损耗的关系、运动速度的评价、运动的微分描述等，是非达西定律或现象的基础，在数学模型的应用中是核心和纽带，在渗流力学中是相当重要的知识点。对该定律的问题式设计为：达西定律在《渗流力学》中的战略重要地位是什么？与此类似的问题式设计还有：（1）油藏问题的数学分析过程是怎么样的？（2）多井同时生产时应用势的叠加原理是怎么进行生产计算的？（3）不稳定渗流中的多井干扰问题与稳定渗流的一样吗？（4）水驱油时前缘含水饱和度和平均含水饱和度是怎么应用的？

2.3分层问题设计

以重要知识点问题和代表性分析方法问题为主问题，其下可以分层设计子问题、引导问题、即时问题、研讨问题等。举例如下：主问题：地下储层流体受哪些力的作用？答案：水头压力、重力、黏滞力、惯性力、弹性力、毛细管力。子问题：岩石的弹性力是怎么表现的？答案：孔隙压力降低，岩石骨架体积膨胀，孔隙体积缩小，挤压流体流出岩石。引导问题：液体的弹性力又是怎么表现的？答案：孔隙压力降低，液体体积膨胀，孔隙空间不够被挤出岩石。即时问题：岩石和液体的弹性能量哪个更强？答案：液体的弹性能量更强，因为其相对于岩石的微可压缩性要大，储层的弹性能量更多。研讨问题：油藏压力降低时，油藏中都有哪些弹性力的释放？答案：岩石、油、溶解气、自由气、共生水、边底水。

3渗流力学问题式教学应用

问题式教学是激发学生的思辨精神活动和调动其主动思考的手段，不能完全代替讲授的教学过程。因此，在问题式教学应用中按如下设计方案进行：直叙的课程章节内容在课堂授课时不做变动，知识点的简介也采用平铺直叙。当涉及重要知识点问题（13个）和代表性分析方法问题（5个）时，启用问题式教学模式。问题式知识或者方法讲解结束，仍回到直叙的授课过程。以渗流力学第2次课的内容为例说明这一过程。课程标题为：第一章渗流力学的基本定律和数学模型的建立，第一节流体的受力分析及油藏驱动类型知识点：（1）流体所处的地下环境；（2）几种压力的概念；（3）流体的受力分析；（4）驱油的能量；（5）油藏的驱动方式。知识点的前两点采用普通的直叙教学方式，（3）、（4）、（5）遇到了重要知识点问题，由此可转入主问题：地下储层流体受哪些力的作用？由此展开问题式教学，第2次课则形成以此问题为主导的教学模式。当然，在问题式内容的设计上共有13+5=18个问题，渗流力学课堂授课共24次课，问题式教学占到了75%比例，体现了问题式教学模式的应用，同时也保证了课程的完整性。

4结语

（1）问题式教学模式融入了许多其他能够把较为枯燥的满堂灌给带活的教学模式，对以理论和数学模型建立为主的专业基础课很适用。（2）问题式教学不同于简单的课堂一问一答，它更需要结合知识点精心地设计问题层次及教学实践，只有更巧妙和生动地引入问题式设计才能充分发挥其效果。（3）问题式教学要避免失去课程体系的完整性和连续性，课程的章节直叙讲授需要和问题式教学有机地结合起来。

【参考文献】

[1]乔东生，丛培文，张崇伟，等.基于建构主义的《现代海洋开发》启发式案例教学改革研究[J].高教学刊，2021（2）：141-144.

[2]潘长宏.浅谈情景式教学的运用[J].科教文汇（中旬刊），2009（7）：95.

[3]许文学.“角色易位式”教学模式的探索与实践[J].科技创新导报，2010（9）：253.

[4]高晓雁.问题式教学模式的创新与实施[J].中国高等教育，2008（24）：43-44.

[5]郝文武.问题式教学的价值和方式[J].课程.教材.教法，2009，29（9）：27-30.

作者：郭小哲  单位：中国石油大学（北京）石油工程学院