渗流物理实验模块化教学改革初探

付帅师， 李爱芬， 姚 军， 张俨彬， 张丽丽

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)



渗流物理实验模块化教学改革初探

付帅师， 李爱芬， 姚 军， 张俨彬， 张丽丽

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

根据渗流物理实验教学现状，引入模块化实验教学方法，通过可行性探究，将渗流物理实验项目进行模块划分，提出了模块化实验教学法的实施方案和途径。渗流物理实验模块化教学对教师教学和学生学习提出了更高的要求，同时加强了实验教学的综合性、设计性和创新性，实现了实验材料的连续性，加强各实验参数结果的关联对比性，充分锻炼学生通过实验手段对知识的探求能力。

渗流物理实验； 模块化； 教学改革

0 引 言

实验是认识自然科学规律的基本手段，实验教学在21世纪人才培养中占有重要的战略地位[1-5]。依托中国石油大学(华东)石油工程国家级实验教学示范中心，“渗流物理实验”是一门独立设课的专业实验课程，讲授油藏岩石、流体物性和储层渗流规律特征的重点专业实验知识，与专业基础课程油层物理和渗流力学所教授知识点联系紧密，对学生的理论和实践水平要求较高[6-10]。课程学时为24学时，包括15个实验项目，教学内容丰富，但部分实验项目之间联系不够紧密，学生学习主动性不强，上课过程中很多学生按照标准操作步骤机械化的操作仪器，课后公式化的处理实验数据，对其测试操作背后的实验原理理解不够充分，让探究性的实验过程变成机械化的验证过程，未能充分发挥实验教学所具有的创造性和创新性，使得学生对实验和理论知识的掌握不够深层透彻。

“模块化教学”[11-15]在课堂理论和实践教学中应用广泛，与传统的“线式教学”不同，模块化教学实践中，把课本内容中的按照先后顺序的点状知识进行归类整理，并按照教学内容划分教学模块，从模块问题的提出，到教学模块中要解决的关键问题，再到知识的学习和问题的解决，以及最终所学习知识的应用和拓展研究。将散落的知识点进一步分析总结，找出各中关联并在教学实践中将其连接成线，整合成面，整体推进教师教学和学生学习。

1 渗流物理实验模块化教学可行性探究

渗流物理实验课程以《渗流物理实验》(李爱芬主编)为主要教材，教材内容涵盖了油层物理实验中常用技术，储层流体岩石物性测试方法、原理、测试仪器和实用，流体渗流规律测试方法和仪器使用。课程开出的实验项目有：地层油的高压物性；液体粘度及流变性测定；岩石润湿性测定；岩石碳酸盐含量测定；页岩膨胀实验；粒度组成分析；岩石比面测定；岩石孔隙度测定；岩石油水饱和度测定；岩石渗透率测定；岩石毛管压力曲线测定；不可压缩流体单向稳定渗流实验；平面径向渗流实验；水电模拟实验；镜像反映实验。各实验项目的开设时间与理论课程学习内容同步，一般是先上理论课程，后进行实验教学。

1.1 教学模块划分和内容制定

分析各实验项目的实验内容和所涉及原理仪器，根据各实验的实验对象介质和所测实验物性参数，可将渗流物理实验课程中各个实验项目分成六个模块。

模块一：油藏流体物性分析，其中包括：地层油的高压物性、液体粘度及流变性测定。

模块二：岩石矿物组成分析，其中包括：页岩膨胀性、岩石碳酸盐含量测定、粒度组成分析。

模块三：岩心骨架和孔隙物性分析，其中包括：岩石比面测定；岩石孔隙度测定；岩石油水饱和度测定；

模块四：储层岩石渗透性分析，其中包括：岩石渗透率测定；不可压缩流体单向稳定渗流实验；平面径向渗流实验；

模块五：特殊岩心物性分析，其中包括：岩石毛管力曲线测定，岩石润湿性测定；

模块六：水电模拟渗流实验，其中包括：水电模拟实验；镜像反映实验。

补充说明：矿物组成分析、骨架和孔隙物性分析和渗透性分析都属于常规岩心分析的范畴，鉴于实验材料的区别以及学时安排的可行性，将常规物性分析细化成3个相对独立的实验模块。

1.2 学时安排和班级试点实施

以往渗流物理实验教学都是按照每节课2学时进行的，对于理论课堂教学，这是常用且有效的学时安排方式。相比而言，实验教学对学生的动手能力和探索能力要求更高，在实验过程中也更能锻炼学生的创新思维、动手能力和协作精神。2学时的时间安排，学生往往来不及真正搞清楚研究方法，而根据实验仪器说明进行机械性的操作，得出的结论往往是验证型结论，不能充分发挥实验的教学优势。与研究生科研实验不同，让本科生全天候研究一个实验内容是不切合实验课教学实际的。实验教学学时安排要充分考虑实验项目内容，难易程度和时间安排的合理性。

通过对所有实验项目的归类划分，考虑长学时实验教学的必要性和可行性，共将实验项目划分成六个模块，每个教学模块实验学时为4个学时。这种安排并不是机械性的将两次实验课学时相加合成为4学时的实验课，通过对实验项目的研究和教学内容的调整与改进，每个实验模块所做实验内容都有非常密切的关联，能够做到各模块实验原理相近相通，承前启后，所得实验结果也有较强的关联性、对比性和科学价值。

基于石油工程专业学生多分班多的教学实际，为提高教学质量和实验效果，首先针对卓越工程师班进行试点教学研究。卓越工程师班的学生课程安排与普通班级不同，理论课程进度较快，安排为试点教学班级，更能锻炼学生的学习能力和创造性思维。

1.3 模块教学可行性保障

渗流物理实验室具有充足的实验设备和实验材料；教学团队有具有高级职称的教授和实验教师等，教学经验丰富，教学方式多样；按照“模块研究内容提出—学生实验方法研究和流程设计—学生书写预习报告—模块内容讲授—分组模块实验—学生处理数据书写报告”的模式，将实验项目整合化，实验材料连续化，让学生对实验原理和内容的理解更为深刻，进一步提升学生的实验探索水平，团队协作能力，数据处理能力和时间安排掌控能力，加深学生理论和实践知识的掌握程度，提高“渗流物理实验”的教学水平和学生的学习能力。

2 模块化教学对教师和学生要求更高

模块化教学对教师教学和学生学习的能力要求更高：① 教师要对教学内容整体把握划分模块，对基础知识点的把握，细节的整合取舍，都需要教师具有较强的知识和授课水平。② 渗流物理实验模块化教学实行4学时的时间安排，课堂时间长，授课实验室不止一个房间，涉及多套实验仪器，对教师在教学实践中的知识传授讲解以及课堂掌控能力有更高的要求。③ 模块化学习将散落的知识点整合以后，要求学生具有更高的学习能力，包括对学习内容的整体把握和预习，实验方案的设计和实施，知识点的掌握和联想，创新思维的应用和培养等。

3 渗流物理实验模块化教学优势体现

3.1 加强实验教学的综合性、设计性和创新性

以测量原油黏度测定为例，以往的实验教学中，不少学生以机械的旋转黏度计操作得出黏温曲线，实验结果多为验证型结果，不能充分发挥实验教学的优势。而将流体物性分析单独作为一个实验模块，学生首先要知道地层流体物性参数有几项，然后研究各种物性参数的测量方法，设计各个物性参数测定的流程，分析实验室测定流体物性参数的可行性办法以及各种实验仪器的选择，学习不同实验仪器的测量原理及操作方法，原油黏度作为流体物性里一个重要的参数，可以使用落球黏度计、旋转黏度计和毛细管黏度计等方法来测定，但是各种测定方法又有各自的优势与差别。经过一系列的设计和试验操作，学生能够锻炼出科学研究中最重要的探索精神和创新思维，摆脱验证性的机械操作，提高实验教学的效果。

3.2 充分锻炼学生的实验探索精神

打破“先理论教学，后实验研究”的固定教学模式，让学生通过实验探究理论知识规律的得出，培养对学生从发现未知现象到探究现象变化的规律性再到提炼理论规律的科研习惯，真正通过实验教学提高学生的科学研究和探索能力。

以储层岩石渗透性分析模块为例，在之间的教学实践中，根据达西公式，用气测渗透率仪测定岩心的气体渗透率，实验中学生按照标准化的仪器操作过程，测定已有岩心的渗透率，主要加深了理论课程中达西公式的学习和掌握。经过对气测渗透率和不可压缩流体单、径向稳定渗流实验的模块化整合，课堂教学中，学生要首先确定用什么实验介质来模拟储层，包括填砂模型或岩心样品，研究不同实验条件对实验结果的影响，然后学习不同介质测定渗透率的方法以及公式计算，探索不同情况下实验过程的实施方法和数据处理方法，通过学生对宏观储层模拟实验和单个岩心样品实验的设计和操作，对比学习气测渗透率和液测渗透率的原理和方法，探索不同实验方法所得结果的差异性，从而锻炼学生的多线程思维方式和对不同科研实验方法的探索精神。

3.3 实现实验材料的连续性，加强各物性参数的关联对比性

以往的教学中，各物性参数如孔隙度、渗透率和比面是根据标准实验流程测定不同岩心的参数值，实验数据之间没有关联，无对比性。在模块化教学实践中，首先测定砂子的粒度组成，然后用已知粒度参数的砂子人工胶结制造岩心，各小组用各自的岩心进行孔隙度、渗透率、比面、毛管力曲线等的参数测定，实现了所测实验材料和实验结果的连续性，学生可以从实验结果中得到孔隙度、渗透率、比面和毛管力等参数之间的相关关系，对各物性参数进行对比，加强学生对各参数的理解和掌握。让学生亲自制做岩心并测试参数，增加了实验教学的趣味性和综合设计性，更加锻炼学生的动手和协作能力，也加强了学生实验的成就感。

3.4 增加选做型创新实验，培养学生科学研究能力

渗流物理实验与油层物理和渗流力学中的石油专业知识紧密相连，很多机理现象都需要通过实验方法探究，基于实验室建设的成效以及国家级实验教学示范中心平台的支持条件，以及石油工程学院独具的科研优势，有能力开出综合设计性的实验项目供学生选做，从而更进一步地提高学生的探索精神和科研能力。拟开出的选做实验项目有：油水两相相渗曲线测定；页岩气吸附解吸测试研究；油水毛管力曲线测定；表面活性剂提高采收率实验研究等。

4 结 语

论文阐述了渗流物理实验的教学现状和模块化教学法在实验教学中的应用，根据实际情况分析了渗流物理实验模块化教学的可行性，将渗流物理实验课程的15个实验项目进行归类，划分成各具特色的6个实验模块，以每个实验模块4个学时的时间安排组织课堂教学，并说明了模块教学方法的实施保障。模块化教学法在渗流物理实验教学中初次应用，对教师教学和学生学习提出了更高的要求。渗流物理实验模块化教学加强了实验教学的综合性、设计性和创新性，充分锻炼学生的实验探索精神，实现了实验材料的连续性，加强各物性参数的关联对比性，增设选做综合创新实验，充分锻炼学生通过实验手段对知识的探求能力。

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Modularized Teaching Reform in Experiments of Flow in Porous Media and Petrophysics

FUShuai-shi,LIAi-fen,YAOJun,ZHANGYan-bin,ZHANGLi-li

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

According to the current teaching situation of experiments of flow in porous media and petrophysics, the modularized experimental teaching method is introduced. Through the feasibility study, the experiments items are divided into modules and the embodiments and approaches of modularized teaching method are proposed. The modularized teaching reform in experiments of flow in porous media and petrophysics requires more for the teachers’ lecturing and students’ studying. Also, it improves the comprehensiveness, designability and creativity of the experimental teaching. The experiments materials are used successively and the experimental parameters results are much more correlated and comparative, thus exercising the students’ ability of exploration of knowledge through experiments.

experiments of flow in porous media and petrophysics； modularized； teaching reform

2014-10-22

国家自然科学基金项目(51234007)；山东省自然科学基金联合专项(ZR2014EL017)

付帅师(1989-)，男，山东汶上人，硕士，助理实验师。研究方向：渗流物理实验教学，低渗油田提高采收率和渗流机理研究。

Tel.：15318889466；E-mail：fushuaishi@upc.edu.cn

李爱芬(1962-)，女，山东安丘人，博士，教授，博士生导师。研究方向：油气渗流、提高采收率机理等方面的研究及教学工作。

Tel.：0532-86981163; E-mail：aifenli@upc.edu.cn

G 642.423

A

1006-7167(2015)10-0165-03