曹晓春 花露露 焦昱璇

摘  要：基于新工科建设的要求，根据健康、安全与环境管理（HSE）全面引入石油工程所有课程的情况，钻井液及其设计的教学方式、课程目标以及对学生毕业能力、设计实践的要求均做了相应的改革。比较分析了线上教学与混合式教学效果，研究修订了新工科背景下混合式教学的教学大纲及效果评价指标体系，通过创新创业实践等活动全面培养和提高了学生的设计实践能力。

关键词：新工科;钻井液设计;混合式教学;教学评价

中图分类号：G640       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）S1-0082-04

Abstract： Based on the request of new engineering construction in Chinese universities， health， security and environmental management （HSE） has been introduced into all courses in Petroleum Engineering. Teaching methods and course goals were reformed as well as graduation capacity and designing practice for students majoring drilling fluids. Teaching effects of the existing blended teaching method were compared with those of online teaching methods in 2020. Teaching syllabus and effect evaluation index system were revised. The students' practice ability has been cultivated and enhanced by the way of innovation and entrepreneurship practice and other activities.

Keywords： new engineering; drilling fluid design; blended teaching; teaching evaluation

石油与天然气是我国重要的能源和战略资源，从1959年大庆油田“松基三井”产油开始，我国的石油天然气行业就为新中国的经济建设和能源安全提供了坚实的保障。然而，根据《BP世界能源统计年鉴》的最新统计，我国石油与天然气对外依存度分别为73%和41%;2021年我国后疫情时代的经济仍然持续向好，进一步刺激了能源需求，以至在全球碳排放總量的份额中占到30%以上。绿色安全生产及石油与天然气的大力度勘探开发均对石油工程的新工科建设提出了更高要求，所有专业课程均需要大篇幅引入健康、安全和环境管理（HSE）及经济评价。同时，为了强调学生的创新创业实践能力，在适当缩减理论教学学时的基础上，增加学生的工程设计实践学时。

一、线上教学与混合式教学效果的评价

石油工程是东北石油大学的主干专业，是全国重点学科，专业课的教学内容除了要考虑思政元素外，还要向清洁能源、新能源、非常规油气（如页岩油/气）等领域倾斜。所属的油气井工程也是国家重点学科，有国家级重点实验室。现在正面临着专业课程及设计实践环节的教学大纲、教案及教学内容的全方位改革。例如，钻井液工艺原理课程由48学时缩减为32学时，钻井工程设计则由短学期的实践活动调整为32学时的实践课程。

（一）线上教学

2020年上半年，我们利用直播和录播的形式，引导因新冠肺炎疫情而居家的大三学生（石油工程专业7个本科生班级）学习48学时的钻井液工艺原理课程。在本校的网络教学平台上，我们上传了自行精心录制的26个时长均约45分钟的教学视频，供学生进行学习。及时与学生进行互动，随时解答学生在线学习过程中遇到或提出的各种问题，使学习和理解能力较弱的学生及时跟上课程进度。理论学习结束后立即进行测验，检查学生的学习效果，并将测验结果计入学生的平时成绩，平时成绩与期末的考试成绩各占50%。结果发现，这种教学方法的效果非常好，学生最终的平均成绩超过80分。

至于实践环节，我们也在网络教学平台上传了10多个相应的工程设计教学视频。由于每个学生得到的基础设计资料各不相同，所设计的结果也各不相同，学生之间不能相互借鉴设计结果，必须依靠教师的指导进行设计并校核设计结果。为了使学生尽快高质量地完成设计任务，我们在提供录播视频的同时，还开通直播，带领学生理解设计的原理和方式方法，明白所需的计算公式和校核条件。在每一阶段的设计环节，我们都会一一举例说明，一步一步地将前面所学的原理、公式和校核方法运用到实例中。学生在同步学习实例设计后，很快就能完成相应的设计任务。最终，我们非常顺利而且高质量地完成了实践设计的教学任务。

（二）混合式教学效果

2021年上半年，我们以线下授课为主，同时利用网络教学平台进行了线上线下的混合式教学改革，并进一步优化了录播内容，以方便石油工程专业2018级200多名学生的专业课程的学习和设计。由于录播内容全面，设计示例详细，部分视频还面向了本校本专业的硕士研究生。

自2021年秋季学期开始，按照修订后的教学大纲和教学课时（32学时）的安排进行教学。现以该学期大三本科生正在学习的钻井液工艺原理课程为例，我们提前发布教学文件和学习内容，作为线下学习的辅助资料（如图1所示）。学生能够及时明确课程目标和学习任务，查找相关辅助教学资料。学生在课堂上不能及时理解和掌握的内容，可以通过课后观看视频进行自主学习和巩固。

在课程教学近半时，我们从自建题库中随机抽取难易程度不一、题型多样的试题，对学生的学习情况进行了期中检查。随机组题的随堂测试结果良好（如图2所示），学习效果明显优于以教师授课为主的单一线下授课模式，也优于以学生自主学习为主的单一线上授课模式。由于均是客观题，避免了教师对学生成绩的主观影响;当然，由于缺少了综合论述题，学生对专业知识的综合理解和运用能力可能会受到一定的影响。

二、教学大纲及效果评价指标体系

在新工科建设前，钻井液专业课是48学时，课程目标多达7个，对应的本科生毕业要求指标点更多。这就使得我们将大部分时间和精力用于为达到相应的指标点而进行的课程设计，理论教学时间偏多，而教学结果及考试结果的质量分析却并不乐观。例如，取2018级30名学生的考试试卷和平时作业作为样本，优、良、中、及格和不及格按6、7、7、6、4的比例抽取。根据各考核环节学生获得的平均分值，计算2018级学生课程培养目标达成情况，各考核环节学生达成度=学生获得平均分值/该环节分值，分目标达成度计算公式以笔试试题计算课程目标1过程为例，笔试课程目标1达成度=课程目标1的试题平均分/分目标试题总分，课程目标达成度计算公式=（期末考试权重×支撑该课程目标的试题平均分+作业权重×支撑该课程目标的测验平均分×支撑该课程目标的测验占分比例）/该课程目标总分值。统计结果见表1。

为了满足专业认证的持续改进要求，为了新时代新工科下的专业发展，我们对教学内容进行了适当精简，对教学大纲进行了全面修订。从2021-2022学年度开始，钻井液课程由旧版培养方案的48学时改为32学时，在教学内容的设置上也进行了相应的调整，删除了与其他专业课程重复的内容。本次修改将旧版课程大纲中要求的数学模型（如钻井液的流变性与钻井工程的关系）等石油工程复杂问题，转为本门课程和工程实践结合较为紧密的部分内容，在精简课程目标的同时，并不减少对毕业要求指标点的支撑。

本次修订还将保护油气储层及HSE的内容分化到常用钻井液体系及其配浆材料和处理剂的授课内容中，去除影响人体健康和生态环境的处理剂（例如，无机处理剂重铬酸钾对人体肺部有不良影响），强调其危害。同时还在授课内容中，追踪科技热点，及时引入新出现的环保且保护储层的生物高分子等新型材料和技术。

从教学进度过半的中期检查结果可见（图2），课程目标的考试成绩为良好以上，教学效果明显优于教改前。

三、鉆井液设计的创新创业实践

2020年，由于我们高质量地完成了线上的设计教学任务，接下来我们顺利申请到省级大学生创新创业的设计类实践项目。

本设计过程涉及许多理工科的基础知识（如机械力学、流体力学、物理化学、材料化学、环境化学和地质学等）。我们需要应用并且能够检索到的设计资料和数据很多，每年供学生设计所选用的资料也各不相同。为了避免重复性设计，我们建立了数据库。在进行工程设计时，通常采用等安全系数法，必须考虑一些重要的安全系数（如防止产生溢流导致井喷事故的抽汲压力系数，地层破裂压力安全系数等），但这些系数以及计算公式和设计示例多是参照上个世纪90年代出版的《钻井手册》所给出的国内外数据。该手册主要涉及的是常规油气田的开采，现已不能满足“双碳”形势下新能源和清洁能源等的设计要求。所以，虽然我们可以让学生在很短的时间内学会如何进行工程设计，但是，却很难在短短的32学时内让学生融合前几年学到的基础理论知识，搭好思维架构，从而提出很好的设计方案。

目前，石油天然气行业应用广泛的是大型工程设计软件，其安装和使用难度很大，学生学会使用的难度更大，而且程序难以升级。更为重要的是，有些方面的设计并不合理。例如，在钻井液设计方面的选择性很少，通常只能根据钻井所需要的水力参数进行设计，而很少考虑钻井液的塑性黏度和动切力等流变参数的影响。对于钻井液十大体系的选择也流于形式，学生在钻井工程设计时，由于时间和知识结构的限制，往往简单地选择邻井资料来替代。钻井工程设计软件也很少考虑钻井液体系的组成，学生对于十六大类钻井液处理剂也知之甚少。

为了更好地通过设计实践来促进教学，我们基于油气田钻井数据库和信息平台，将油气钻井工程中的相关数据（包括地层的地质资料及油气井的工程资料）进行归类采集，通过数据分析和人工智能等技术手段，结合python等高级计算机算法，实现井身结构等各阶段的工程设计（见图3）。将地层类型和井的类别与钻井液体系、性能及配方等各模块信息进行有机融合，以“互联网+”为抓手，可以对现场钻井参数的设计和维护进行实时监测和动态分析。

设计实践始于理论教学，新工科下的理论教学又锻炼和培养了广大师生的设计实践能力。我们指导的学生连续两届获得学校“互联网+”比赛的优秀奖，还获得了今年的“第十一届中国石油工程设计大赛”综合组全国三等奖的佳绩。

四、结束语

近年来，随着清洁能源和新能源等领域的钻井工程要求，以及计算机语言和软件的逐步普及，能源类高校非常希望能够突破诸多不利因素的制约，更好地实现资源共享，避免重复劳动，节约教学、设计和时间管理成本。利用先进的计算机及互联网技术，利用网络教学平台，可以更好地完成专业课的教学和工程设计实践。

新工科背景下，必须进一步提高学生的自主学习能力和设计实践能力，教师也要与学生一起做到教学相长，进一步提升自己的授课能力即教书育人能力。教师除了接受教育部的思政培训外，也接受现场专家的培训（如大庆油田井控专家对学校专业课教师的井控技术培训）。专业课教师将来还必须在规定时间段参与现场实践，真正做到理论与实践相结合，为国家培育出更多更好的卓越工程师。

参考文献：

[1]张亚，于飞，高伟.面向工程教育专业认证的专业课程教学改革探索与实践[J].高教学刊，2021（30）：50-53.

[2]成庆林，杨二龙，张继红，等.传统油气专业新工科人才培养模式的改革创新[J].高教学刊，2021（24）：160-163.

[3]王长瑞，田威，胡俊山，等.疫情背景下融合信息技术的冲压工艺学课程线上教学模式探索与实践[J].高教学刊，2021（30）：9-11+16.

[4]马云阔，尹玉雪. “新工科”背景下工科课程体系优化研究[J].工业和信息化教育，2020（2）：12-15.

[5]Cao X. C.， Kun K.， Li Y. Y. Study on the Necessity of China's Higher Education Reform[C]//EMSE2017，2017.

[6]曹晓春.石油工程专业课程建设和教改的研究[J].中国石油石化，2017（8）：7-8.

[7]裴小琴，夏春明，杜龙兵.MOOC视角下混合式教学效果评价体系研究[J].未来与发展，2015（11）：96-98+95.

[8]王琛，国兆亮.混合式学习实施效果的影响因素初探——基于质性研究的结果[J].北京航空航天大学学报（社会科学版），2014，27（5）：114-120.

[9]金一，王移芝，刘君亮.基于混合式学习的分层教学模式研究[J].现代教育技术，2013，23（1）：37-40+27.

[10]曹晓春，李士斌，闫铁，等.油气井工程“卓越工程师教育培养计划”初探[J].中国科教创新导刊，2012（34）：61.