国外高校如何提高岩石力学研究生实验装置的研发能力

侯 冰, 陈 冬

(中国石油大学(北京) 石油工程学院， 北京 102249)

世界大学实验室

国外高校如何提高岩石力学研究生实验装置的研发能力

侯 冰, 陈 冬

(中国石油大学(北京) 石油工程学院， 北京 102249)

世界顶尖级大学在开展实验教学时，鼓励学生在学习和操作实验装置的同时，思考现有实验装置的弊端，加强研究生主动设计和研发新装置以满足科研工作的需要，这与我国高校主要依赖采购实验仪器的情况差别较大。因此，需要逐渐改革实验教学方法，给研究生解释实验原理，结合机械、材料和计算机等综合知识，鼓励研究生动手操作，增强研究生主动思考和设计能力，提高研究生对实验装置的改造和研发能力。

石油工程； 岩石力学； 实验教学； 实验装置

纵观欧美发达国家的高等教育,十分重视实验室建设和实验教学工作,把实验室作为科研和教学的重要平台进行不断的创新。从我国高校众多创新发展资源来看,目前我国许多高校实验室具备了为大学生创新创业提供更加优质的服务与教学指导条件[1]。但是,针对工程学科的一些特殊实验仪器和装置的研发能力我们还远远落后欧美国家的高水平院校,这主要由于开展实验教学时,让学生观察为主,缺少动手操作；重点介绍实验功能,缺少对原理的学习和掌握；强调降低实验失败次数,缺少对问题的思考。不利于培养学生的想象力和创造性,因此需要针对研究生实验教学方法进行改革[2-4]。本文将介绍国外一些高校培养石油工程岩石力学专业培养研究生的方法供借鉴。

1 国外高校石油工程岩石力学实验装置研究状况

通过对国外高水平大学在石油工程系的岩石力学实验教学和研究工作时发现,我国石油高校在岩石力学领域的实验装置和仪器的先进程度并不亚于国外高水平院校,但研究生实验教学水平还远落后国外高水平院校,尤其是实验设备研发能力、实验研究方法、操作规范性、设备维护和安全性等方面差距较大。高校科研实验室是高等院校科研成果的重要基地,在高等院校的发展过程和创新型人才的培养方面有着极其重要的地位和作用,但从人才质量来看,国内研究生创新创造能力明显偏弱[5-6]。因此,通过调研与分析国外高水平院校的先进实验教学、研究的理念和方法,加强国内高校提高对研究生实验环节的重视程度,提高实验教学手段,增强研究生的动手操作和思考能力,形成更多的实验研究创新性成果，提高研究生的培养质量是我们的奋斗目标[7-8]。

1.1 美国俄克拉荷马大学

美国俄克拉荷马大学(University of Oklahoma)是美国的顶尖级公立大学,该校的石油工程系更是世界著名的石油院系,拥有超过20名教授,在美国相关专业院校中名列前茅。岩石力学实验(PMI)的学术负责人是Younane Abousleiman教授,他的团队聘任从贝克休斯公司退休的工程师为专职实验员,负责指导本科生岩石力学实验教学和研究生的实验研究工作。该校岩石力学实验室见图1。

图1 俄克拉荷马大学岩石力学实验室

研究生进入实验室前学习岩石力学实验原理和工程技术难点,与导师进行交流,遇到问题查阅书籍和文献资料,在开展实验时先要熟悉设备原理、相关辅助仪器的使用说明和技术流程,在进入实验室后需要掌握每一项实验环节,在实验员的指导下动手操作。开展岩石力学实验前需要对高压设备进行安全检查,高压液氮瓶等用链条固定好,保证实验室人员安全。整个实验结束后,导师与研究生一起讨论实验结果,让学生提出实验过程中存在的问题,也告知学生现场工程上遇到的新问题,然后大家共同研究是否需要改进仪器功能或加工辅助设备以满足实验要求。

岩石力学实验关注的对象是岩心,通过学生设计的刻度转盘,可以在实验前对岩心360°旋转拍照,保证让岩心表面特征全部展示,为后续研究保留图片数据，岩心转盘照片见图2。

图2 岩心转盘照片

1.2 澳大利亚新南威尔士大学

澳大利亚的新南威尔士大学(University of New South Wales)是澳大利亚的顶尖级公立大学,该校的石油工程系在国际上也是久负盛名,该校也十分重视岩石力学实验室的建设和教学工作。岩石力学实验室的多数实验装置都是教授和学生共同研发,实验装置安装后,在每个装置上都贴出原理图,方便学生操作时掌握设备原理，该校岩石力学实验室及设备见图3。

图3 新南威尔士大学岩石力学实验室及设备原理照片

该校的岩石渗透率测试仪器也是通过采购实验零件,由学生自行加工夹持器缸筒,自行组装,然后让相关检测人员进行安全测试后再开展实验研究,完全可以满足高温高压条件下的实际储层特点测试研究的要求。岩石渗透率测试设备及其原理线路见图4。

图4 岩石渗透率测试设备及原理图

2 研究生岩石力学实验装置研发能力的培养方法

石油工程岩石力学是石油工程的专业基础课程,岩石力学实验教学是石油工程科学最基本的教学手段之一,在实践教学中起着至关重要的作用[9]。石油工程岩石力学实验涵盖钻井工程、完井工程、油藏工程、油气田开发、岩石物理、测井等多门课程的教学内容。如果岩石力学实验室相关实验装置只是围绕上述课程的基础研究进行仪器采购,开展实验时主要是通过教师讲解实验操作、安全规范和流程,然后让学生按教材要求进行操作和测试相关参数,这样不利于学生对石油工程岩石力学实验理论和方法的综合掌握,没有充分激发学生对实验现象和问题的思考,尤其是难以提高学生对岩石力学实验装置的改造和研发能力。因此,在高校里应对研究生加强研发岩石力学实验装置的能力的培养,解决研究生科研水平不高、动手能力不强的问题，解决毕业生就业结构性的矛盾。

岩石力学实验装置研发是培养研究生综合创新能力的重要体现。它可以在传授知识、开发智力、训练技能、组织能力、创造能力、科学实验素质、思想品德教育等方面的培养发挥有目共睹的作用[10-12]。培养研究生研发岩石力学实验装置的过程要重点围绕3个方面的内容，见图5。工程研究需求是目标,课程体系培养是重点,实验装置设计是保障。

图5 研发岩石力学实验装置的培养模式

针对工程需求,要围绕现场实际问题进行调研,与现场工程师开展技术交流,结合施工难点设计实验方案,论证开发该实验装置的可行性,形成设备研发思路和对需求的解决方案。鼓励学生对相关学科交叉学习,例如石油工程学院的研究生可以选择机械学院的主干课程,旁听重要章节,调研研究文献,加强自学能力；对于实验室内的小尺度研究需要建立相似准则以满足现场尺度要求。针对实验装置如何设计,要求学生学习机械制图和设计,了解钢材选型,查找相关配件采购地点,到加工车间与工人实时交流,沟通仪器设备组合安装存在哪些问题,保证设备运行的可靠性。

3 国外高校经验的启示

我国在“十一五”和“十二五”期间,高校石油工程岩石力学专业采购了许多国外先进的仪器设备,从发展趋势看还有很大的发展空间,未来实验室针对这些先进的仪器设备的研发是学校转型改革的重要途径。通过对研究生的能力培养,提高创造创新能力,以此作为学校实验室改革的突破口,为进一步深化教学改革奠定基础。国外的经验对我们的启示是:

(1) 我国油气资源丰富,很多领域有待开发，例如,高温高压超深层的钻探、非常规储层的复杂构造特征和低渗透储层的改造等工程难点给岩石力学仪器设备的研发提出了更高要求,这需要培养能够自主研发相应岩石力学实验装置的创新性人才,才能实现我国油气资源的高效开发。

(2) 我国高校面临新的转型,研究型高校的实验室建设尤为重要,为发挥实验室在科技创新中的作用,

这需要培养研究生自主设计和改造实验装置的综合能力,提高我国石油工程岩石力学的创新研发能力。

(3) 实验装置的研发是掌握多个学科交叉能力的体现,高校应该鼓励学生在校期间进行相关重点学科的交叉选课,选择感兴趣和有实践性的课程,培养学生的综合创新能力。

References)

[1] 邓文婷. 激发大学生创新创业背景下高校实验室功效再造[J]. 高教探索,2016(1):95-98.

[2] 荣华伟,钱小明,钱静珠. 关于高校实验室开放管理的探索与实践[J]. 实验技术与管理,2014,31(12):233-236.

[3] 张颖,赵二刚,张红宾. 高校实验室安全教育培训模式探析[J]. 实验室科学,2015,18(3):185-188.

[4] 黄明奎. 岩石力学课程数值实验教学探索[J]. 高等建筑教育, 2009,18(4):129-132.

[5] 吴文华,施镇江,朱娟娟，等. 智能管理系统在高校实验室管理中的应用[J]. 实验室研究与探索,2014,33(11):259-264.

[6] 李洋. 高校实验室协同创新平台共建与共享刍议[J]. 实验室研究与探索,2014,33(11):297-300.

[7] 张来斌. 深入实施国际化战略 加快高水平大学建设[J]. 世界教育信息,2013(5):49-55.

[8] 张来斌. 面向中国石油工业 探索国际化人才培养体系[J]. 大学(学术版), 2012(9):53-58.

[9] 吴姜. 岩石力学实验教学改革探讨[J]. 长春教育学院学报,2012,28(8):102-103.

[10] 凌辉，张媛.一流学科建设需要一流实验室作为支撑[J].实验技术与管理,2014,31(3):217-219.

[11] 武晓峰,高晓杰.高校实验室建设发展报告(2014)[M].北京:清华大学出版社,2014.

[12] 刘晓颖,刘尧.大学生实习如何落到实处[J].教育与职业,2014(16):34-38.

How to improve geomechanics graduate students’ R&D ability for experimental device in foreign universities

Hou Bing, Chen Dong

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102200, China)

Regarding the experimental teaching, the world top universities not only encourage their students to learn and operate the experimental devices, but also think about the disadvantages of such devices, and try to stimulate their graduate students’ initiative to develop new devices to meet the needs of scientific research, which shows a big difference about the China's colleges and universities that mainly rely on the purchase of experimental instruments. Therefore, the reform on experimental teaching methods should be carried out gradually, which includes explaining the experimental principle to students, combining the comprehensive knowledge about machinery, materials, knowledge, etc., to encourage the graduate students to do hands-on work, enhance their initiative thinking and designing ability, and improve their ability to transform and develop experimental devices.

petroleum engineering; geomechanics; experimental teaching; experimental device

G643

: A

: 1002-4956(2017)09-0268-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.069

2017-03-21

中国石油大学(北京)青年骨干教师教改项目“‘石油工程岩石力学’实验教学改革”

侯冰(1979—),男,辽宁北镇，工学博士,副研究员,硕士生导师,主要从事石油工程岩石力学领域的研究.

E-mail:binghou@vip.163.com