基于工程教育理念的综合性实验改革模式——以“岩石物理”实验课程为例

刘 丽，赵晓明 ，邱春宁，王志恒

西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500

基于工程教育理念的综合性实验改革模式
——以“岩石物理”实验课程为例

刘 丽，赵晓明 ，邱春宁，王志恒

西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500

当前，我国诸多高校存在实验设备陈旧及台套数不足、实验项目单一、实验内容简单和考核方式不够完善等问题，这使得高校教育重中之重的实验教学环节面临严峻挑战。为此，本文以“岩石物理”实验课程为主线，以工程教育理念为桥梁，提出了综合性实验改革措施，即购置配备足够的高精度新型仪器，更新综合性实验项目及实验内容，丰富综合实验考核方式及标准，并对综合性实验改革的成效进行分析，建立了基于工程教育理念的课程改革实践模式。

工程教育；综合实验；改革模式；岩石物理

engineering education; comprehensive experiment; reform model; rock physics

然而，当前许多高校实验环节教学面临严峻挑战，存在的主要问题包括：实验设备陈旧及台套数不足、实验项目单一、实验内容简单和考核方式不完善等。这些均影响了学生专业知识水平、专业实践能力及社会能力等综合素质的提高。

为此，本文以“岩石物理”实验课程为例，在制定基于工程教育理念的人才培养标准的基础上，提出了一系列综合性实验改革的措施，并对综合性实验改革的成效进行分析，构建了基于工程教育理念的实验课程改革实践模式。这对于实现培养出知识、能力和素质兼具的高等教育工程人才具有重要作用，对高校综合性实验课改革具有一定的借鉴意义。

一、基于工程教育理念的综合性实验人才培养标准

基于“学生中心”、“成果导向”和“持续改进”三大原则的工程教育理念，其核心思想为，教育过程是为实现学生特定学习产出，教育结构和课程是教学手段而非教学目的，将学生最终的表现作为教学成果，并依据此成果进行总结，促进专业“持续改进”，最终实现知识、能力和素质兼具的学习结果[5-6]。可见，教育的目标是围绕学生的培养，教学设计需要聚焦学生的能力培养，师资与教育资源需要满足学生学习效果的达成。

为此，基于对教师、学生、用人单位具体情况的分析，结合“岩石物理”学科特点及国内外发展趋势，论证了在实验教学环节应培养学生获得的知识、能力和素质，从专业知识水平、专业实践能力和社会能力三方面制定了学生的培养目标（表1）。在专业知识水平方面，培养学生能够综合运用岩石物理学基本理论、方法及基本技能，开展实验研究；在专业实践能力方面，培养学生掌握岩石物理学数据分析、数据处理的基本方法，具备逻辑思考能力；具备发现、分析和解决问题的能力；在社会能力方面，培养学生具备团队协作、人际交往能力，树立通过团队合作解决困难、提高认识、共同进步的理念。

表1 基于工程教育理念的“岩石物理”实验环节学生培养标准

二、综合性实验改革的具体措施

基于工程教育理念制定的“岩石物理”实验环节培养标准，提出了综合性实验改革具体措施，即：购置配备足够的高精度新型仪器，更新综合性实验项目及实验内容，丰富综合实验考核方式及标准。

1.购置配备足够的高精度新型仪器

同时又因为多样性的本质是适应的多样性，因此这一生命观念又可以解释多样性的来源。要建立这一生命观念，需要在“种群、基因频率、生物进化、生物多样性”等多个概念和事实之间建立联系，在联系、整合和分析中，逐步形成“选择与适应观”。

岩石作为一种特殊材料，具有很多的物理性质。岩石物理学作为专门研究岩石各种物理性质及其产生机制的一门学科[7-11]，学生学习的主要内容包括岩石的基本物理性质、岩石力学、岩石电学、岩石声学、岩石放射性和岩石磁性等方面。在“岩石物理”实验课环节，学生如果能够亲自动手测试这些重要的物理参数，可使理论与实践相结合，大大增加学生的直观认识，并进一步加强重要学习内容的掌握。

我校长期高度重视新型实验设备的配备，先后为“岩石物理”实验课程购置了20台/套QKYII型气体孔隙度测定仪、20台/套STY-II型气体渗透率测定仪及20台/套YDS-III型岩心电阻声波联测仪（图1）。这些新型实验仪器设备，其精度均达到了实验室测量标准。同时，足够的台套数又为每位同学亲自操作测量提供了保障。这不仅为学生进行课内综合性实验提供了有力的支撑，同时，也为学生参与岩石物理方向的开放实验提供了支持。

图1 “岩石物理”实验教学新购置的高精度仪器设备

2.更新综合性实验项目及实验内容

本次综合性实验改革，更新了综合性实验项目，综合性实验项目选择中主要遵循以下几个原则：（1）选择用不同的实验方法或联用方法；（2）选择具有学科特点又以培养应用型人才为目标的题目；（3）所涉及的操作尽量涵盖岩电实验的基本仪器和器材；（4）多学科交叉。依据上述原则，新设置的实验项目为：“岩心孔隙度的测定”、“岩心渗透率的测定”、“电阻率增大系数和地层因素实验”和“声波纵、横波速度及衰减系数测定”。

通过这些实验，学生可以综合应用岩石基本物理特性、岩石电学和岩石声学的知识，进行复杂的实验操作和实验设计。具体学习到的知识如图2所示。

3.丰富综合实验考核方式及标准

当前，大多实验考核仅采取以实验报告评定分数的方式，而这不能反映学生的实际动手情况，也无法起到督促和促进学生学习的目的。为此，本次综合性实验改革，笔者丰富了“岩石物理”综合性的实验课成绩评定方式和标准，从实验预习、实验操作及数据记录、数据处理及实验报告等多方面考量评定成绩，以考核促学习。

课前，要求学生对实验内容涉及的相关原理、实验内容等进行预习，在课上以教学互动的方式，进行提问考察。授课过程中，要求学生完成实验要求的各项内容，并考察：（1）实验操作是否正确、规范和熟练；（2）能否仔细观察和记录实验现象；（3）测量数据是否准确；（4）实验记录是否完整。课后，要求学生完成完整的实验报告，对课上记录的数据进行计算、处理和分析，对遇到和存在的问题进行记录，给出最终的实验结果，并写出自己的收获和认识。另外，对学生对待实验课的态度进行考察，依据具体情况进行打分。

三、综合性实验改革成效分析

通过对“岩石物理”综合性实验改革，使得学生更直观和深入的了解和掌握了相关的概念、理论及原理，实验课对理论教学的辅助和加深作用获得成效，为学生后续开展科研工作和现场工作奠定了良好的基础。具体改革成效如下。

1.提高了学生综合应用专业知识开展实验的能力

图2 “岩石物理”实验课程新增综合性实验项目及实验内容

综合性的实验项目，具有学科交叉应用的特点，每个参数的获取都需要选取相应的实验仪器设备配合来完成，学生在这一过程中，提高了综合应用专业知识开展实验的能力。

例如，“电阻率增大系数和地层因素”实验正是在重走阿尔奇先生建立著名的阿尔奇公式的过程。在实验中，需要学生边思考边实践，建立起电阻率增大系数和地层因素两个公式。该实验需要将综合的实验设备相组合，并基于不同的实验方法，才能最终获得实验结果。学生主要应用的实验设备及实验方法为：（1）应用天平和游标卡尺等仪器进行多次测量，采用称重法，获得岩心的孔隙度；（2）综合应用YDS-III型岩心电阻声波联测仪、天平、游标卡尺、加压泵和夹持器等仪器，采用多次驱替和称重法，获得岩心的含水饱和度；（3）综合应用YDS-III型岩心电阻声波联测仪、天平、游标卡尺、加压泵和夹持器等仪器，采用多次驱替和电阻测量，获得不同岩心含水饱和度的岩心电阻率。通过实验，学生能够将不同的实验仪器综合应用，对其今后开展更复杂的实验奠定基础。

2.增强了学生数据分析、数据处理和逻辑思考能力

在新增的四个综合性实验项目中，均对学生操作各类软件、实验数据处理和图件标准化等方面进行了严格要求，这锻炼了学生数据分析和处理能力，并进一步增强了学生逻辑思考水平。

例如，在“岩心渗透率的测定”实验中，学生在课上测量出的岩心尺寸、压力、流量、温度等数据，在课后要进行综合的数据处理，才能最终得出结果。其主要的处理过程包括：（1）通过数据处理软件，建立流量与压力梯度关系，判断流体的流动是否为线性流，方能应用达西定律进行等效液体渗透率的计算；（2）依据气体滑脱效应原理，建立气测渗透率和平均压力的关系曲线，通过拟合的公式，计算得出最终的等效液体渗透率。这些数据处理的过程，需要学生对整个实验的原理清楚掌握，同时在数据计算和处理中，应注意各个参数的单位选取，并做出符合石油行业标准的图件。通过实验的课后处理，很多同学反映他们的数据处理和逻辑分析能力有了较大的提高，对今后从事科研工作更有信心。

3. 培养了学生发现、分析和解决问题能力

在“岩石物理”实验教学中，引导学生对实验中存在和遇到的问题进行分析，同时通过小组讨论、个别抽查、提问发言等形式，启发学生发现问题，并锻炼他们自己分析问题和解决问题的能力。

例如，在“岩心渗透率的测定”实验中，学生在使用转子流量计读取流量时，发现流量数值出现异常，没有规律，这时需鼓励学生自己分析可能是哪些环节会出现问题。通过自身研判，多数学生能发现上述问题的关键原因，即“多个量程的流量计同时开启，或非测量量程的流量计未关闭严，造成气体分流，从而读数不正确”；在“电阻率增大系数和地层因素实验”实验中，由于岩心与两侧测量电极接触不良、仪器未归零等问题，可能会出现存在随着饱和度下降而电阻率并未增加的测量结果，遇到类似问题，均鼓励学生自己分析和思考，找出存在的问题，并最终得出准确测量结果。这些都大大培养了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，对学生日后科研和现场工作均具有重要的启蒙意义。

4.锻炼了学生团队协作、人际交往能力

综合性实验项目具有系统性强，实验复杂等特点，为此，在实验中强调学生实验任务分工，共同配合才能完成实验测量工作，这拓展和锻炼了学生团队合作能力。

例如，在“声波纵、横波速度及衰减系数测定”实验中，通过实验学生要配合共同使用岩心电阻声波联测仪、声波测量仪、岩心夹持器、加压泵等仪器设备，方能完成实验。在给岩心加围压环节，一名同学负责加压，另一名同学需要配合稳固加压设备，才能完成操作；在将岩心放入夹持器1进行声波特征测量时，一名同学需要拿住岩心，另一名同学旋转一侧的旋钮，才能将岩心稳固在夹持器上。这都要求学生在组内整体安排、分工合作，需要各成员之间的密切配合；在此基础上，学生们通过讨论和分析问题，共同面对实际问题与困难，这更激发了学生们的工作热情，树立了通过团队合作解决困难、提高认识、共同进步的理念。

四、基于工程教育理念的实验课程改革模式

在本次“岩石物理”实验课综合性实验改革实践的基础上，建立起了基于工程教育理念的综合性实验改革模式（图3）。

第一，应基于以学生为中心和成果导向思想，围绕学生的培养，对教师、学生、用人单位具体情况进行分析，拟定基于工程教育理念的人才培养标准。第二，针对学科特点找出当前存在的问题；立足存在的问题，依据制定出的人才培养标准，提出相应的改革措施，而每项措施又包括若干细则，如：购置新型仪器设备，要求仪器具备足够的数量及较高的精度；更新综合性实验项目及内容，要考虑到涵盖该学科特点的基本仪器，采用联测方法，并实现多学科交叉。第三，建立综合实验考核方式和标准，需要在实验预习、实验操作及记录、实验数据处理及实验报告和实验态度等方面进行考量。第四，在以上基础上对综合性实验改革的成效进行分析，与培养标准对比，评判是否达到了培养知识、能力和素质兼具的工程人才结果，对存在的不足进行质量的持续改进。

图3 基于工程教育理念的综合性实验改革模式

五、结论与建议

（1）在“岩石物理”综合性实验环节，应购置配备足够的高精度新型仪器、优选综合性实验项目及内容并制定综合考核学生成绩制度。足够的高精度新型设备是对学生课内综合性实验及课外开放实验的有力支撑；优选的综合性实验项目及内容，兼具学科特点及多学科交叉特征，为学生掌握重要的测量装置、分析手段和方法提供实践的平台；制定综合考核学生成绩制度，可全面、准确评估学生成绩，又为激发学生学习兴趣及内动力起到桥梁作用。

（2）高校综合性实验改革的基础是新型实验仪器的配备。构建新的综合性实验教学项目，首先应先建立新的实验教学平台，在软件、硬件和维修等方面均建立起能为教学服务的全方位体系，方能适应创新人才培养的实践体系，为学生实践和创新提供条件。

（3）高校综合性实验改革中，应依据学科特点，拟定基于工程教育理念的人才培养标准；然后，针对学科特点及当前存在的问题，提出相应的改革措施；在此基础上，对综合性实验改革的成效进行分析；与培养标准对比，评判是否达到了培养知识、能力和素质兼具的工程人才结果，对存在的不足进行质量的持续改进。

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G642

A

1006-9372（2017）02-0082-05

2016-12-20；

2017-03-28。

国家自然科学基金项目“泥岩底辟型微盆地中的深海浊积朵叶沉积系列构型模式及控制因素”（编号：41602145）；西南石油大学“校重点开放实验项目”（编号：KSZ16036） 资助。

刘丽，女，实验师，博士，主要从事开发地质及勘察技术与工程方向的教学和科研工作。

投稿网址： www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱：bjb3162@cugb.edu.cn

刘丽，赵晓明 ，邱春宁，等.基于工程教育理念的综合性实验改革模式-以“岩石物理”实验课程为例[J].中国地质教育，2017，26（2）：82-86.

Title:Discussion the Model of Comprehensive Experimental Reform Based on Engineering Education Idea: A Case Study of Rock Physics Experimental Course

Author(s)： LIU Li, ZHAO Xiao-ming, QIU Chun-ning, WANG Zhi-heng