微课在油气工程岩石力学实验教学中的应用

韩忠英， 程远方， 黄小光

(中国石油大学(华东) a.石油工程学院； b.储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

微课在油气工程岩石力学实验教学中的应用

韩忠英a， 程远方a， 黄小光b

(中国石油大学(华东) a.石油工程学院； b.储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

为克服岩石力学实验教学中学生参与实验难度大、数值实验可视性不足的弊端，提出了将微课教学模式引入实验课堂的教学方法，并给出了油气工程岩石力学微课实验教学的设计原则。以制作常规岩石三轴压缩实验微课为例，指出录制岩石力学实验微课时应遵循直观性、优选性以及操作规范性原则。分析了微课实验教学模式的应用特征和优势，并探讨了微课模式在油气工程岩石力学实验教学的效果和存在问题。结果表明，油气工程岩石力学微课实验教学具有节省教学成本、真实性强、安全环保、易于激发学生积极性等优点，可为油气工程岩石力学实验教学提供了一条新思路。

微课; 岩石力学; 实验教学; 设计原则

0 引 言

微课是指将相关教学内容聚焦在某一个环节上，利用一段视频讲解某个知识点、重点内容、疑难问题或布置课后作业等的一种新时代下的教学模式。微课的短小精悍很好地解决了学习者的问题，把教材内容进行碎片化、情景化、重组整合，把复杂的教学内容制作成可融合于课堂的视频单元，有助于增加课堂效果[1-2]。微课作为信息化时代的一种新的教学形式，正逐步广泛应用于不同层次的各种课堂[3-5]。

自20世纪50年代岩石力学作为一门学科被认可以来，岩石力学已逐渐受到人们的重视。在相关工科高等院校的教学中，岩石力学这门课程已经由最初的选修课改成了现在的必修课，可见其基础性与重要性。油气工程岩石力学是适应于石油工程领域的一门特殊的岩石力学课程[6]。随着石油工业的发展，石油勘探开发环境日趋复杂，非常规能源逐步开采，对油气工程岩石力学提出了更高的挑战。油气工程岩石力学在石油高校石油工程专业中的受重视程度越来越高。实验教学是岩石力学教学中的一个重要环节，传统的岩石力学实验教学模式已经无法满足岩石力学快速发展的需要[7-10]，为此，本文通过分析现有岩石力学实验教学方法的研究现状，将微课实验教学模式引入到“岩石力学”课程教学中来。

1 岩石力学实验教学模式的现状

目前在工科类高等院校的岩石力学实验教学中，根据教学条件的不同，主要分为传统的实验室物理模拟实验教学和数值试验教学[11-15]。对油气工程岩石力学而言，一方面，实验室物理模拟实验教学虽然比较直观，但多数院校由于受到经济条件的限制，用于模拟实验的教学设备有限，很难达到每位同学都有机会动手参与实验的标准。比如岩石力学中的常规三轴压缩强度实验，是岩石力学基础实验之一，其实验设备伺服控制三轴试验机价格十分昂贵，至少需要几十甚至上百万美金，不可能做到人手一台进行操作，只能是多数人围着一台设备观看老师的演示实验，这样带来的后果是学生对实验的印象模糊，且很难有机会重复观摩，导致对实验现象和结果理解不深，从而影响整个课程效果。

另一方面，随着计算机时代的到来，越来越多的高校选择用数值实验教学的手段来弥补操作实验的不足[11,16]，由计算机软件模拟实验。比如在油气工程岩石力学中讲解岩石的抗压特性时，利用计算机软件模拟岩样在受压状态下破坏的全应力应变曲线，如图1所示，这样仅能使学生形成一个笼统认识，缺乏真实感，达不到实验教学的目的。

综上所述，目前岩石力学基础实验教学所采取的教学方法在一定程度上存在着各自的弊端，很难满足日益发展的岩石力学教学需要。“微时代”的到来可为岩石力学实验的发展提供一条新的思路。

2 油气工程岩石力学微课实验教学的设计原则

2.1 直观性原则

图1 岩石的应力-应变曲线图

微课模式短小精悍针对性强，利于观看者在较短的时间内直观地了解其基本内容。岩石不同于一般的金属材料，本身非均质性非常强，动手操作过程中可以真实地掌握岩石的这一特性。进行岩石力学实验时，为获得较准确的结果对每个处理环节的要求都比较高。制作岩石力学实验微课时，可将整个实验过程分成几个小片段进行设计。以制作常规岩石三轴压缩实验微课为例，整个过程可包括实验设备介绍，试样制备，试样安装，实验过程展示及实验结果处理等。

2.1.1 实验设备介绍

常规岩石三轴压缩实验的实验设备主要为微机控制电液伺服岩石力学三轴实验系统，如图2所示。

图2 微机控制电液伺服岩石力学三轴实验系统

微机控制电液伺服岩石力学三轴试验机是岩石力学领域研究岩石在多种环境下力学特性的先进试验设备，可以自动完成岩石三轴压缩实验。主体设备包括三轴实验架，高压釜，控制柜，计算机，以及围压泵等辅助系统。该设备主要用来测试岩石试样在不同围压下的力学特性。进行微课录制时可在介绍实物的同时，给出设备的主要技术参数，如最大轴向力2 MN，最大围压100 MPa等。总之，通过2～3 min的设备展示片段使观看者对实验设备的结构和功能有一个总体上的了解。

2.1.2 试样制备

标准的试样是岩石力学实验成败的关键因素之一。常规岩石三轴压缩实验的标准试样一般为直径25 mm、高50 mm的圆柱体岩心，且必须保持上下两个端面的光滑平行，如图3所示。岩石结构复杂，孔隙、裂缝及层理发育，部分岩石常温常压下脆性较强，获取标准岩心的难度大。微课中可通过3 min左右的片段介绍标准试样的制作过程，包括岩石的取心过程，以及标准试样的打磨过程等。

图3 标准岩心试样

2.1.3 试样安装

油气工程岩石力学的研究对象一般是指埋藏于地下几百米甚至几千米的岩石，所处地层压力较高。为研究地层条件下岩石的力学特性，需要在试样周围施加较高的压力，这就给试样的安装带来很大的挑战。关键点之一是试样的密封问题。另外还有传感器的安装问题等。微课中可通过边操作边讲解的办法介绍试样的密封问题，以及传感器的安装方法和原理等内容。最终将标准试样装配结果展示给大家，如图4所示。本环节的微课制作可控制在2 min之内。

图4 标准试样装配图

2.1.4 实验过程展示及结果处理

图5 实验过程展示图

通过微机控制电液伺服岩石力学三轴试验机进行实验，加载过程及结果均可在计算机上实时显示出来，如图5所示。可记录随轴向载荷的增加，试样的轴向和径向变形的变化情况，以及轴向载荷的变化情况等。实验结束时，相关实验数据可直接导出。因岩心本身的性质和加载速度的不同决定了这一环节的用时大约在5 min。

直观地了解了整个实验的操作过程及实验原理，实验结果的处理可以很轻松地回归到课堂上。课堂上通过与同学们的互动，共同完成实验结果的处理，可加深对岩石抗压特性的理解。

总之，岩石力学微课实验的设计要本着直观简洁的原则，将大约2 h的操作过程压缩到20 min以内完成，内容饱满不拖泥带水，直奔主题，并留有悬念，把结果处理回归到课堂上，进一步加深了学生们对各个知识点的理解。

2.2 优选性原则

岩石力学微课实验的设计与选题应以实用为主。优选课程的核心部分以及要求学生要掌握的重点、难点部分，例如岩石单轴抗压强度实验，常规三轴压缩强度实验，劈裂强度实验等，有针对性地进行设计选题，并尽可能地激发学生的积极性。

2.3 操作规范性原则

微课形式教学本身具有可重复性，可随时随地播放。作为一种辅助教学手段应具有一定的规范性。从基本操作方法，到语言讲解部分，都应严格按照标准进行。从某种意义上说，微课实验教学可以看作是教科书的一部分，因此它的操作必须规范。以常规岩石三轴压缩实验为例，岩心加工制作标准以及实验误差必须达到国标要求。

3 微课模式在油气工程岩石力学实验教学中的应用特征和优势

3.1 节省教学成本

油气工程岩石力学实验所涉及到的设备要么价格相当昂贵，要么比较精密，无法适应于公共教学平台，这也是目前乃至今后相当长一段时间内岩石力学实验尚不能广泛开放的根本原因。利用微课实验教学可有效地解决这一问题。微课模式的核心是有高质量的微视频。有条件的教师可多制作几个片段的操作视频拿到课堂上展示，这样既可保证教学质量，增加学生兴趣，又降低了教学成本。

3.2 实验真实性强

微课教学的实验视频是来自实验室内的实际操作，真实性强。岩石内部结构复杂，实验条件要求较高等因素导致岩石力学实验的成功率偏低。岩石力学实验过程中从取心到完成实验，各个环节都可能失败。开放性实验为获得较好的实验结果，一般避免使用难以顺利完成实验的岩石。比如脆性较强或者层理发育明显的岩石，很难获取标准岩心。这种失败的经验则可以通过微视频的形式带到课堂供大家讨论，大大增加了实验的真实性。

3.3 安全环保性教学

油气工程岩石力学的研究对象一般是处于高温高压状态下的岩石。一方面，岩石在制作成标准试样的过程中，需要对大块岩石取心，打磨。这一过程中不可避免产生大量的粉尘，多个学生同时进行实验会大大增加环境的污染程度。另一方面，高温高压的实验条件不仅对设备要求较高，而且无形中增加了安全隐患，操作稍有不当将可能造成人员伤害。因此，操作熟练的教师或实验人员通过亲自演示并以微视频的形式来展示整个实验过程，这样既避免了对环境的大量污染，又降低了安全隐患。

3.4 易于激发学生积极性

岩石力学的基本核心是探讨岩石的力学问题，在一系列“枯燥”的力学理论讲解之后，微课形式实验展示环节的引入，增加了课堂教学的灵活性。同时每一视频片段中带回课堂思考的问题，大大激发了学生参与讨论的积极性，从而能够更深刻地理解相关知识点。

4 油气工程岩石力学微课模式实验教学的效果和存在问题

4.1 油气工程岩石力学微课模式实验教学效果分析

“岩石力学”实验涉及到的细节多，要求高，概念相对抽象，对于力学基础比较弱的同学来说操作和理解起来都比较困难。在微课实验教学实施以前，多数同学围绕一台设备进行实验，而且一般是力学基础较好的同学进行操作，这样势必造成好的更好，差的更差两极分化严重。开展微课实验教学以来，课堂上形象化的实验展示，充分保证了每位同学都能真实的“参与”到整个实验过程中，兼顾了不同层次同学的需要，尤其是给懒于动手的同学增加了了解掌握实验原理及过程的机会，大大提高了实验教学效果。

4.2 油气工程岩石力学微课模式实验教学存在的问题

微课模式在油气工程岩石力学实验教学中的广泛应用，适应了数字化时代的要求，微视频与课堂讨论形式的结合，可充分调动学生的积极性。然而，油气井工程所涉及到的岩石受自身结构及地质环境等因素的影响，结构复杂，力学行为差异性较大。可以说，很难找到具有相同力学行为的两块岩心。这种差异性就增加了岩石力学实验结果的唯一性，这种唯一性通过几十分钟的实验是很难理解清楚的。微课形式实验教学只能是学习岩石力学实验过程、方法及对岩心力学性能的分析能力，达到基本教学目的。而对于真正想了解岩石力学特性的同学来说，还是需要亲自动手操作，实践中获取正解。

5 结 语

利用微课模式作为油气工程岩石力学实验教学辅助工具，解决了岩石力学实验教学过程中可操作性不强，直观性差的问题。巧妙地运用微视频来进行实验教学，既可以节省教学成本，增加实验的真实性，又可保证安全环保性教学，更易于激发学生的积极性，提高教学效果。当然，微课实验教学主要应用于硬件条件相对较弱的情况下，而对于实验经费充裕，设备较多的高校还是建议让学生亲自动手完成实验。

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Application of Micro-lecture in Experiment Teaching of Oil and Gas Engineering Rock Mechanics

HANZhongyinga,CHENGYuanfanga,HUANGXiaoguangb

(a. School of Petroleum Engineering, b. College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

Micro-lecture is introduced into the experiment teaching to overcome students’ difficulties to participate in the experiment of rock mechanics and visualize data indicated in the experiments. Principles for design of micro-lecture experiment teaching in the rock mechanics related to the oil and gas engineering are proposed. For example, in the pseudo-trial compression test of rock, the principles of direct observation, optimization and standard operation should be followed. On one hand, characteristics and advantages of the micro-lecture experiment teaching are analyzed, and on the other, challenges of applying the micro-lecture to the experiment teaching of rock mechanics related to the oil and gas engineering are also discussed. It is shown that the micro-lecture experiment teaching of oil and gas rock mechanics has its advantages: high experiment authenticity, low teaching cost, and environmental-friendly safety and high inspiration for students. And it can provide a new way of thinking for the oil and gas engineering rock mechanics experiment teaching.

micro-lecture; rock mechanics; experiment teaching; design principles

2016-03-17

国家自然科学基金项目(51504280);中央高校基本科研业务费专项资金资助(16CX02022A);中国石油大学(华东)校级实验教改项目(SY-B201422)

韩忠英(1979-)，女，山东乳山人，博士，讲师，主要从事油气井工程岩石力学相关的教学科研工作。

Tel.: 15269207505;E-mail: hanzhying@upc.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2017)02-0181-04