新工科背景下石油工程专业自主创新实验教学平台的构建

齐 宁，巴海君，陈德春，战永平，罗明良

（1.中国石油大学（华东） 石油工程学院，山东 青岛 266580；2.中国石油大学（华东） 教务处，山东 青岛 266580）

实验教学作为理论联系实际的桥梁，是本科教学的重要组成部分，是培养学生综合实践能力和创新精神的重要教学环节，对于工科专业尤为如此[1]。实验教学环节、综合设计环节以及实习教学环节构成了石油工程专业“三位一体”实践教学体系，而实验教学又贯穿整个本科培养过程，在人才培养过程中发挥着不可替代的作用。

进入21 世纪以来，油气勘探开发从陆地转向深海，从常规油气资源开发转向页岩油气、天然气水合物等非常规油气资源的开发，新形势下石油工程专业的建设与发展面临着巨大的挑战，油气格局的转变对石油工程专业的人才培养模式与体系提出了更高的要求。当前国际油价持续低迷，能源行业面临重大结构调整，在新工科形势下如何实现专业建设及人才培养的突破[2]，对于传统能源类优势工科专业而言，实验教学体系的改造升级是其中不可或缺的重要一环，这也是石油工程专业新工科建设改造升级的关键所在。在能源行业形势巨变和“一流”学科[3]、新工科建设[4-5]的背景下，实验教学体系的改造升级明显滞后[6]。为此，本文以人才培养质量提升为目标，对石油工程专业新工科实践教学体系的建设与升级路径进行探讨。

1 新工科人才培养模式对现有实验教学平台的新要求

石油工程专业是学校优势专业之一，是国家级特色专业、山东省品牌专业，也是教育部专业综合改革试点专业和教育部“卓越工程师教育培养计划”试点专业。从1953 年成立之初的石油钻井、石油开采两个专业，发展到1993 年钻井工程、采油工程和油藏工程三位一体的石油工程专业。2017 年9 月，我校石油与天然气工程入选教育部“一流”学科建设名单。2019年3 月，我校工程学科进入ESI 排名前1‰。

石油工程专业建设至今已形成了涵盖综合设计环节（课堂教学）、实验教学环节以及实习教学环节的“三位一体”教学体系，实现了本科生的工程设计、实验动手、劳动锻炼能力的训练与培养。但“一流”学科建设和新工科（新经济、新业态）对石油工程传统优势工科专业人才培养及本科生的工程实践背景和能力提出了更高的要求，不再拘泥于传统的“动手+劳动锻炼”为主的实践教学模式，更强调以“自主创新和智力实践”为人才工程能力培养目标的实践教学模式，突出实践教学内容中的工程决策、工程设计环节的认识与实践训练。

石油工程学院教学实验室依托石油工程国家级实验教学中心智能化、信息化管理系统平台，构建了集“开放式、分散式、预约式、自助式”于一体的实验教学模式，实现了从“教师教着做”到“学生自主学、自主做”的转变[7]，提升了学生实验自由度，充分调动了学生参与实验的积极性，有效培养了学生的工程实践能力。由于实验项目依存于理论课程，其实验内容相对固定、单一，实验测试手段较为原始、落后，学生的科技创新能力得不到有效锻炼，已经不适应新工科、新形势、新业态对人才的需求。因此，在新工科的背景下，秉承从实践走向实践的理念，开展学生自主创新实验实践教学改革势在必行。

2 石油工程专业自主创新实验教学平台的构建

石油工程专业自主创新实验教学平台的构建思路：以满足新工科建设为目标，对原有课程所涉及的教学实验进行升级改造；针对2017 版培养方案中的新开课程，调整并优化新开教学实验方案，建成模块化可升级式的教学实验平台；开展学生自主创新实验教学改革，形成面向新工科的开放式自主创新实验教学体系。

（1）原有教学实验平台的模块化升级改造。逐步构建分层次杠铃式双向实验教学体系，此体系有传统验证型实验（基础型实验、综合设计型实验）、研究创新型实验两条线，每条线上分多个层次，各层次之间逐层递进、有机统一。两条线之间内容相连、校企互动、深度融合。石油工程专业教学实验按油藏工程、钻井工程、采油工程、油田化学4 个模块建设，满足基础型实验、综合设计型实验、研究创新型实验不同层次的需求，逐层深化。这一体系不仅满足了不同年级、不同学生、不同阶段、不同培养目标的实验实训教学需要，而且通过产学研深度融合，很好地贯彻了理论联系实际、校企合作育人、教学科研生产互促互动的原则，为学生知识、能力与素质协调发展搭建了良好平台。

（2）自主创新实验教学平台的构建。自主创新实验课的开设目的是让本科生触及石油工程领域学科前沿，体会科研创新，激发探索求知欲望。以自主创新实验教学平台采油工程模块建设为例，采油工程教学模块原有实验包括垂直管流实验、抽油泵泵效实验和裂缝导流能力模拟实验，均属于传统验证型实验。在三大传统验证型实验的基础上，依托防砂创新实验室、压裂创新实验室、酸化创新实验室和储层新材料创新实验室等4 个专业特色科研实验室，面向全体本科生开设采油工程模块自主创新实验，主要包括防砂筛管与砾石层挡砂机理及性能评价实验（见图1）、可视平板裂缝支撑剂运移动态模拟实验（见图2）、碳酸盐岩酸岩反应动态模拟实验（见图3）、压裂酸化降阻剂减阻效果评价实验（见图4）。采油工程模块围绕致密/深层难动用储层改造设计自主创新实验，覆盖功能材料评价、水力压裂、酸化酸压以及井壁稳定等专业内容，具有学科交叉性、综合性、应用性以及前沿性[8]。这4 部分实验内容紧密衔接又自成体系，学生可自主选择和设计实验方案[9]，达到锻炼学生创新和工程实践能力的人才培养目的。

3 自主创新实验运行模式及教学效果

3.1 运行模式

石油工程实验教学平台的信息化建设，极大提升了实验教学的信息化和智能化管理水平[10]，实现了自主式、合作式、研究式的学习方式和开放式、分散式、预约式、自助式的实验模式。学生可以随时网上预约、自由选择实验项目、自主设计实验流程并自行完成整个实验，拓展了学生学习和实验的时空[11]，强化和提高了学生的创新能力和工程实践能力。新工科背景下石油工程专业实验教学改革模式见图5。

图1 防砂筛管与砾石层挡砂机理及性能评价实验

图2 可视平板裂缝支撑剂运移动态模拟实验

图3 碳酸盐岩酸岩反应动态模拟实验

图4 压裂酸化降阻剂减阻效果评价实验

图5 新工科背景下石油工程专业实验教学改革模式

3.2 考核办法

考核按照石油工程实验教学中心的统一部署要求进行，在此基础上加大实验过程质量监控。改变以前根据实验报告评定实验成绩的简单考核方式，将实验过程中学生操作实验仪器的规范性、实验步骤的准确性、学生参与程度等作为实验过程质量考核的指标。对每一项指标打分，汇总后作为实验成绩的一部分。

另外，将学生对实验数据的总结分析作为实验考核评定的一部分。学生完成实验后主要是完成实验报告中的计算部分，对于实验的总结以及对实验数据的分析涉及较少。实验数据分析也是学生实验实践能力的重要组成部分，因此需要考核学生对实验数据的总结分析能力。实验数据分析作为实验报告内容的重要组成，占比不低于报告总成绩的40%。

学生最终实验成绩由实验过程质量考核成绩和实验报告成绩组成，按各占50%比例计算最终实验成绩。

自主创新实验强调学生的研究创新，其考核办法区别于传统验证型实验。自主创新实验占用4 个学时。2 个学时的实验完成后，由实验教师安排2 个学时进行答辩交流，让不同组的学生体会各领域的新知识与新进展，答辩交流采用PPT 进行。实验老师每组随机抽取组员使用PPT 讲解并回答问题，要尽量考查到同组的每位学生，统一或分别评定成绩，该环节成绩计入实验过程质量考核成绩。实验及答辩交流两个环节应至少间隔3～5 天，以便于学生分组制作PPT。

3.3 教学效果

针对高温高压条件下部分实验环节难以开展、理论教学与生产实际脱节的问题，实验中心自主开发了“井控仿真模拟系统”“酸化压裂仿真模拟系统”[12]等多套仿真模拟系统，可使学生通过计算机控制系统，模拟生产实际条件，实际操控现场生产过程，真实体验和掌握重要的石油开发工艺过程，提高学生的工程实践能力。目前多套大型仿真模拟系统已被中国石油大学（北京）、东北石油大学、西南石油大学及中国地质大学等高校的实验教学及中石油、中石化等多家大型石油企业的职工培训机构采用。

石油工程专业实验教学改革模式得到了国内外高校的肯定和借鉴，两次在国家级实验教学示范中心建设会议上进行经验交流，起到了较好的辐射和示范作用。自主创新实验教学平台的构建与完善贯穿人才培养新要求，保持实验教学不断发展、不断创新，激发了学生的自主创新实验研究的热情，增强了学生的创新意识，提高了学生工程意识和解决问题的能力，人才培养质量不断提高。上级领导、校内外专家、用人单位对实验中心给予了高度评价，充分肯定了石油特色和产学研相结合的特色。中石油孙龙德院士、赫瑞-瓦特大学Ken Sorbie 教授和科罗拉多矿业学院Ramona Graves 教授等国内外专家认为：实验中心教学理念及模式先进，设备条件好，人才培养层次全，特色显著。用人单位评价认为“毕业生综合素质好，基础扎实，动手能力强，具有很强的工程实践能力和创新能力”。

4 结语

[1] 刘华东.高水平研究型大学视角下的本科教育[J].中国石油大学学报（社会科学版），2013,29(5): 154-160.

[2] 齐宁，陈德春，巴海君.石油工程专业新工科改造升级路径实践探索[J].高等理科教育，2019(4): 64-67,77.

[3] 周宏敏，熊文，陈伟，等.“双一流”背景下的一流学科平台建设思考[J].实验技术与管理，2018,35(3): 23-24,28.

[4] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017(3): 1-6.

[5] 李华，胡娜，游振声.新工科：形态、内涵与方向[J].高等工程教育研究，2017(4): 16-19,57.

[6] 陆先亮，徐明华，江一山，等.基于“新工科”的人才培养实验平台建设研究[J].实验技术与管理，2019,36(7): 12-14,19.

[7] 齐宁.当前高校推动研究性教学存在的问题与对策[J].教育与职业，2016(16): 51-53.

[8] 王忠辉，李艳红，范浩军.以培养新工科人才为目标的综合教学实验探索[J].实验技术与管理，2018,35(10): 177-180.

[9] 唐波，黄力，袁发庭，等.新工科建设下的专业课程实验教学模式改革[J].实验技术与管理，2019,36(5): 235-238.

[10] 任光辉，付威，吴金栋，等.面向新工科的高校实验平台建设模式研究[J].实验技术与管理，2018,35(11): 194-197.

[11] 杨嵩，朱先勇，于萍，等.新工科背景下流体动量方程实验教学探索与建设[J].实验室研究与探索，2019,38(6):206-209,268.

[12] 罗明良，温庆志，齐宁，等.基于学生创新能力培养的压裂酸化实验教学平台构建[J].实验技术与管理，2014,31(9): 77-80.