林伯韜　王振宇　侯冰

［摘 要］石油工程巖石力學(xué)是石油工程專業(yè)的一門應(yīng)用基礎(chǔ)課程，旨在學(xué)習(xí)巖石力學(xué)理論知識在石油工程領(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)課程的開設(shè)情況，重點剖析了該課程實驗教學(xué)的角色、內(nèi)容、設(shè)備、目的以及授課方式，并總結(jié)了實驗教學(xué)存在的問題，認為實驗技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備精密昂貴、實驗場地和實驗教師缺乏是當(dāng)前實驗教學(xué)存在的突出問題。在此基礎(chǔ)上，文章提出加強本碩博一體化教學(xué)，融合線上、線下教學(xué)，建立線上虛擬實驗室輔助教學(xué)等改進實驗教學(xué)的有效手段。該研究成果能為解決類似問題提供一定的方法指導(dǎo)。

［關(guān)鍵詞］石油工程；巖石力學(xué)；實驗教學(xué)；線上平臺；虛擬實驗室

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）08-0056-03

力學(xué)是一門應(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、機械工程、冶金與礦業(yè)工程等眾多工科專業(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)科是一門運用力學(xué)、地質(zhì)學(xué)的原理和方法來研究巖石的力學(xué)及相關(guān)現(xiàn)象的綜合性學(xué)科，主要研究各種力場作用下的巖石變形與破壞規(guī)律，具有理論性強、應(yīng)用性強、與室內(nèi)實驗結(jié)合緊密的特點。隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，工程問題變得愈加復(fù)雜，巖石力學(xué)的學(xué)習(xí)變得至關(guān)重要。在中美開設(shè)石油工程專業(yè)的主要院校中，約三分之二的高校為本科生和研究生開設(shè)了巖石力學(xué)課程[1]。

石油工程巖石力學(xué)是中國石油大學(xué)（北京）為石油工程專業(yè)的本科生及研究生開設(shè)的一門專業(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、油氣田開發(fā)、巖石物理、測井等多個與巖石力學(xué)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，例如深部地應(yīng)力預(yù)測及計算、油氣鉆完井過程中井周應(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題[2]。

實驗教學(xué)是理論聯(lián)系實際的橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，在工科專業(yè)培養(yǎng)中的重要性極為突出[3-4]。中國石油大學(xué)（北京）巖石力學(xué)實驗室是油氣資源與探測國家重點實驗室分室，經(jīng)過多年發(fā)展，逐步配備了雄厚的師資團隊和先進的實驗設(shè)備，在壓裂增產(chǎn)、井壁穩(wěn)定、儲層地質(zhì)力學(xué)等領(lǐng)域形成了一定特色，取得了諸多科研成果。師資團隊同時也是石油工程巖石力學(xué)課程的教學(xué)團隊，多年來通過科研反哺教學(xué)的方式形成了良性循環(huán)，增進了學(xué)生對巖石力學(xué)理論、方法、技術(shù)的理解，形成了具有一定特色的實驗教學(xué)方案[5]。本文從該門課程的教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，總結(jié)了其實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中的問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。

一、課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀

中國石油大學(xué)（北京）為石油工程專業(yè)本科大三年級學(xué)生開設(shè)的石油工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)課程，共計2個學(xué)分，32個學(xué)時，其中理論部分28個學(xué)時，實驗部分4個學(xué)時；同時為研究生開設(shè)的石油工程巖石力學(xué)課程，設(shè)置3個學(xué)分，共計48個學(xué)時，全部為理論學(xué)時。由于該類課程涉及的實驗測試設(shè)備具有造價昂貴、占地面積大、操作復(fù)雜等特點，目前并未配備教學(xué)實驗室。因此，該課程的實驗教學(xué)主要依托中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室的巖石力學(xué)分室開展。

實驗教學(xué)最重要的是培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，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)生在實踐過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力[4-5]。從上述課程設(shè)置來看，目前僅有本科生實際參與了實驗課程，研究生的實驗教學(xué)僅停留在理論學(xué)習(xí)層面上?，F(xiàn)有的實驗教學(xué)主要包括三方面內(nèi)容：一是常規(guī)三軸巖石力學(xué)實驗與巴西劈裂實驗，二是大型真三軸水力壓裂室內(nèi)物理模擬實驗，三是巖石礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)實驗。由于場地和設(shè)備的限制，實驗教學(xué)目前采取的方式是：任課教師介紹實驗設(shè)備及講解實驗方法、流程；同時，安排研究生利用實驗設(shè)備做科學(xué)實驗，并在中途穿插一些關(guān)于實驗步驟的介紹；本科生集中在一旁觀摩實驗，與教師、研究生進行互動問答，并在課后根據(jù)巖石力學(xué)實驗數(shù)據(jù)撰寫實驗報告。

二、實驗教學(xué)設(shè)備及內(nèi)容介紹

目前輔助實驗教學(xué)的主要設(shè)備包括：大尺寸真三軸巖石模擬試驗機、巖石力學(xué)三軸試驗機、巖石斷裂韌性測量儀、聲發(fā)射檢測裝置、高溫高壓巖石流變性、瞬態(tài)脈沖滲透率測試儀、頁巖膨脹儀、場發(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試儀等先進實驗設(shè)備，能夠滿足所有的實驗教學(xué)，其實驗課程、內(nèi)容、平臺、設(shè)備與具體用途如表1所示。

三、存在的問題及改進措施

隨著時代的發(fā)展，巖石力學(xué)學(xué)科知識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)和低滲儲層的改造等工程難題對巖石力學(xué)實驗提出了更高的要求[5]；同時，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)備已不能滿足本科實驗教學(xué)的需要。目前該課程實驗教學(xué)主要存在以下三個突出問題：

一是近年來高等教育大幅度擴招使得許多高校實驗教師數(shù)量明顯不足[6]，導(dǎo)致從事日常課程教學(xué)的教師需要通過兼職的方式開展實驗教學(xué)，因此，實驗教學(xué)的專業(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)課程的實驗教學(xué)暫未配備專業(yè)的實驗教師，目前仍由任課教師承擔(dān)實驗教學(xué)指導(dǎo)工作，由于實驗設(shè)備不足，往往是三四十名本科生圍站在一臺設(shè)備旁聽教師講解。而對于石油工程專業(yè)的研究生來說，如果從未在本校上過石油工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)本科課程，且未曾從事過該領(lǐng)域的科學(xué)研究，學(xué)生就無法接觸到表1所列的實驗，更不用說了解其中的內(nèi)容了。

二是資金、場地和設(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。高校實驗教學(xué)旨在讓學(xué)生學(xué)會用實際問題驗證理論、培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、讓學(xué)生掌握基本的實驗技能，進而增強學(xué)生的創(chuàng)新思維能力與獨立開展科研工作的能力。大型巖石力學(xué)實驗設(shè)備的價格和維護費較昂貴，操作要求極高，受制于高校資金、場地、條件和安全性等因素，實驗設(shè)備暫時無法保證本科生開展可上手操作的實驗項目。

三是課程設(shè)置劃分過細導(dǎo)致現(xiàn)有的實驗教學(xué)學(xué)時無法滿足課程的實驗要求。目前，實驗教學(xué)缺乏與石油工程實踐的融合；且由于實驗學(xué)時較少，導(dǎo)致實驗內(nèi)容較為粗化，學(xué)生難以將實驗內(nèi)容與石油工程現(xiàn)場案例逐一對應(yīng)。

針對上述三個突出問題，本文提出如下改進措施：

第一，制訂本碩博一體化培養(yǎng)方案。借助高校平臺大力推進本碩博一體化培養(yǎng)，調(diào)整課程培養(yǎng)方案，將該門課程重新命名為“石油工程巖石力學(xué)I”，為研究生開設(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驗內(nèi)容及要求，針對本科生以實驗演示為主，針對研究生結(jié)合其研究課題提供部分實驗的操作機會；后者充當(dāng)助教角色，同時作為前者的實驗演示者。

第二，融合實驗的線上、線下教學(xué)。推進實驗課程的線上平臺建設(shè)，創(chuàng)新實驗教學(xué)中師生的溝通方式，加強學(xué)生對實驗理論、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)實驗相關(guān)的石油工程專業(yè)案例，建設(shè)巖石力學(xué)實驗案例庫及整理思考習(xí)題，開發(fā)實驗課程網(wǎng)頁、網(wǎng)絡(luò)微課，并且在每次線下實驗課結(jié)束后，通過公眾號、微信群推送相關(guān)的實驗內(nèi)容并介紹相關(guān)的石油工程問題。

第三，建設(shè)虛擬仿真教學(xué)實驗室。通過虛擬仿真實驗?zāi)M真實的實驗儀器和場景是解決實驗室經(jīng)費及資源受限問題的有效途徑。虛擬仿真實驗的沉浸性、交互性、多感知性，能讓學(xué)生通過模擬實驗了解地層巖樣變形及破壞的力學(xué)過程[7]。筆者曾經(jīng)參觀過德國萊比錫大學(xué)的巖石力學(xué)實驗室，該實驗室擁有一套3D虛擬現(xiàn)實場景的軟件及裝置，參與人通過佩戴VR眼鏡可體驗進入深部地層中的地?zé)衢_采井場景，沉浸式觀摩水力壓裂施工及裂縫擴展全過程中的儲層巖石力學(xué)變形情況。

四、線上虛擬仿真教學(xué)實驗室設(shè)計

通過建立虛擬仿真教學(xué)實驗室，可打破時間、空間的限制，節(jié)省了使用和維護大型精密儀器的成本，能合理管控實驗危險，實現(xiàn)開放、共享、靈活、安全的實驗教學(xué)[8-10]。石油工程巖石力學(xué)課程的虛擬仿真教學(xué)實驗室設(shè)計如下：首先，開發(fā)虛擬仿真教學(xué)實驗室的網(wǎng)頁，學(xué)生可以經(jīng)由學(xué)院主頁—教學(xué)主頁—虛擬仿真教學(xué)實驗室網(wǎng)頁使用校內(nèi)賬號登錄。其次，制訂并實施虛擬仿真教學(xué)實驗室的管理方案，實現(xiàn)網(wǎng)上開放式實驗管理、實驗指導(dǎo)、學(xué)生考查、量化評價及課后反饋[10]。再次，通過豐富實驗內(nèi)容及劃分模塊，搭建石油工程巖石力學(xué)線上實驗教學(xué)平臺。根據(jù)表1，設(shè)置單軸、三軸抗壓實驗、巴西劈裂實驗、真三軸壓裂實驗、巖石礦物成分分析實驗和微觀結(jié)構(gòu)實驗等五個模塊。最后，綜合應(yīng)用三維圖像建模技術(shù)、人機交互技術(shù)，制作可交互的實驗動畫場景，開展實驗操作流程的人機交互，讓每個學(xué)生以第一人稱扮演游戲角色完成各項實驗[11]。虛擬仿真教學(xué)實驗室的整體流程設(shè)計如圖1所示。

五、結(jié)語

本文系統(tǒng)介紹了石油工程巖石力學(xué)課程本科教學(xué)實驗的學(xué)科背景、課程設(shè)置、實驗內(nèi)容、所需設(shè)備、存在問題及改進措施，認為以石油工程為細分學(xué)科的巖石力學(xué)對實驗要求較高，現(xiàn)有的資金、場地、人員和設(shè)備條件難以滿足學(xué)生對實踐教學(xué)的要求。解決這些問題的途徑有：一是融合打通本科與研究生課程；二是開辟實驗教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)、手機端第二課堂；三是建立石油工程巖石力學(xué)的線上虛擬仿真教學(xué)實驗室，運用VR技術(shù)讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實中模擬操控設(shè)備，并制訂虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的管理方案。本文提出的改進措施可有效彌補線下實驗設(shè)備條件的不足，并為存在類似難題的其他實驗類課程提供相應(yīng)的教學(xué)參考。

［ 參 考 文 獻 ］

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［責(zé)任編輯：劉鳳華］