基于问题导向的案例教学法在油田化学类课程中的教学实践

杨丽丽，蒋官澄

（中国石油大学（北京）/石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

2020年1月21日，科技部等五部门印发了关于《加强“从0到1”基础研究工作方案》的通知，目的在于如何推动基础性研究作为创新源头和引领的作用，以此解决我国基础研究缺少“从0到1”的原创性成果漏洞。努力推动科教融合、围绕重大科技任务加强科研育人[1]。

油田化学类课程作为油气井工程、油气田开发工程和海洋油气工程中必不可少的重要子领域，在现代石油高等教育中重要性不断提升。依据自身学科特点来讲，油田化学类课程作为专门以应用为主的工程技术学科，依靠化学方法解决油田作业中出现的问题，其即具备系统的油气田化学知识体系，又具备传统石油领域的行业前瞻性。对于石油与天然气工程专业的大学生来说，油田化学类课程不仅能培养学生的专业性，也能培养前瞻性的研究思维，为今后的研究及生产应用奠定了极其重要的基础。就学科内容而言，本课程是一类承前启后的技术基础课，是在学生相关石油本科专业课程之后承接的综合课程[2-5]。该课程一方面承接了油田化学课程的知识系统性和专业性，又突出了以行业最新进展来探讨今后研究与应用的主要方向，再加上课程知识量大、课时短，若仅依靠传统的黑板式授课方式，易出现部分内容讲解模糊，学生难以领悟，以及学生产生枯燥、厌学等情绪。为了提高课堂质量，并且尽可能充分调动学生的积极性及学习兴趣，加强学生自我调研学习、互动探讨、思维研究和创新能力的培养，以及增强学生对当前领域研究进展的研判能力，本文探讨如何将基于问题导向的案例教学法引入油田化学类课程教学中，从而在传统的研究生教学方法中创新，达到师生有效互动、课堂质量提高的效果。

基于问题导向的案例教学法是以建构主义为理论基础，教学过程与传统的教师为中心相反，转变为授课教师主导，学生为中心，倡导学生发挥主观能动性，以更加开放的思维参与课程调研、学习和讨论，在相互合作的基础上主动以专业知识与实际问题结合的方式进行探究，这无疑结合了课堂内与外、理论与应用的多重教学模式[6]。基于问题为导向即在授课过程中穿插和引入各种实际发生的问题，师生共同围绕提出问题、分析问题、解决问题的模式进行探讨；案例教学法为教师在讲授过程中借用油田实际生产案例设置一定的教学情景，使学生在感受具体案例的基础上，根据出现的问题进行分析并能够依据专业所学提出适宜的解决方法，案例的选择则侧重于实用性、先进性、典型性、启发性，以及实践性。以问题为导向的案例教学法的目的在于培养研究生能够运用所学理论解决现实生产发生的问题，使“脑与手”充分结合，逐渐形成一套技能与技巧的应用方式。将上述两种形式构建结合成一种有力手段，即将“基于问题导向的案例教学法”应用于教学活动，油田化学类课程课堂效果必将大幅度提升[7-9]。换句话说，学生在案例的研讨中依据相应出现的问题提出适宜的解决方法，那么就说明学生在课程中学得的相关理论已经比较成熟，而且还可以应用于实际案例。

一 基于问题导向的案例教学法在油田化学类课程中的实践应用

（一）超分子化学在油气田中的作用原理与应用

超分子化学是在传统化学的基础上不断研究出现的，是研究基于分子之间的弱相互作用，进而形成具有某种特定功能的分子聚集体的一个化学分支。自此概念在20世纪80年代末提出之后，通过历代学者的不断研究，在某些研究领域已经将超分子取代分子成为功能的最小基本单位。超分子化学的研究已经成为21世纪具有广泛高新技术研究价值的新源头，在油气田化学领域其也发挥着巨大的作用。学生需要根据书籍、文献数据库等途径对超分子相关研究进行调研，掌握超分子化学的基本制备方法，梳理知识框架，以及目前较为先进的应用案例，在发布之后，有一位同学A选择了此项案例，并根据自己的方式进行汇报，该同学本科即为石油专业，所以有一定的专业基础。

在超分子应用相关章节课堂开始之前，选择该案例的同学A进行汇报，其不仅对超分子化学的概念进行详细的阐述，并向大家介绍了超分子的分子构筑基元、分子间弱相互作用超分子体系的分子识别与组装等结构特点。最后学生A展示了超分子化学在油气田中调剖堵水、稠油开采中的应用。例如，若使用超分子金属配位交联凝胶堵漏剂配制的一定浓度的可流动性溶液在与某种刚性堵漏架颗粒互相作用下，可以在漏失层通过胶结介质形成牢固的整体，具有粘度、弹力和强度足够大的特点，可以保证在一段可控时间内，在适宜温度下，形成较高流动阻力，能够有效抵抗外来力，进而堵住漏层。

学生汇报结束之后，进入自由讨论交流时间，对汇报PPT中的某些疑问进行探讨交流。汇报学生调研充足，对其他同学的疑问能够进行简单的解答。学生在讨论时，对超分子化学概念与普通化学分子概念存在困惑。因为一部分学生化学基础相对薄弱，在讨论时的争论点在于超分子的作用机制及力的相互作用。

在整个汇报加讨论流程中，可以看出学生A在课下花费了充足的精力去进行调研，能够将超分子在调剖堵水、稠油开采中的一些内容有条理地、清晰地展示出来，且能与其他同学进行探讨交流、答疑解惑。因为该同学的研究方向属于油气田开发领域，因此其调研对超分子在钻井中的应用较少，学生A汇报的时间相对较长、PPT也相对条理。不同于其他专业的学生，其应在现研究方向的基础之上，不断对专业知识以及其余相关知识进行涉猎查询，不断拓展，完善自身的理论知识体系。

（二）仿生学在油气田中的作用原理与应用

在近现代不断地对仿生的研究中，已经将仿生应用于多种领域。但是仿生学目前还没有一个统一、清晰、严格的定义。很多石油专业同学对仿生学的应用缺少了解，但仿生学在石油领域已经应用较长时间，尤其是在油气田化学领域。通过对海洋贻贝分泌物、蚯蚓分泌物、人类血液循环等的研究，发明了多种仿生系列材料，为“安全、高效、经济、环保”的钻探工程提供了有力的保证。学生需对仿生学的基本原理、主要方法和主要技术进行调研展示，但不限于这些问题。在案例发布之后，学生B选择了此案例，因学生B之前接触油气田化学较少，在通过微信聊天一对一交流中，授课教师为其提供了一个大体的调研方向，并在国外期刊上寻找研究实例。

学生B首先展示了仿生学的现代广义定义，即学习、模拟生物、生活和生境，制造包含自然或人造生命及其组件的人工制品。即仿生学是学习、模拟大自然，在制造的人工制品中实现回归自然的仿生发展理念和发展模式的科学。并指出仿生学的油气田化学领域的研究是传统技术、高技术、新技术与仿生学的有机结合，以及仿生学基本原理主要包括需求性原理、模本原理、相似性原理、可实现性原理和比较优化原理。后向大家介绍了通过模仿贻贝黏附蛋白分子结构，研发出的具有黏附特性的水溶性聚合物仿生材料——仿生固壁剂，以及模拟王莲叶片通过多节点连接成高强度、高韧度、空间受力均匀的叶脉网格结构，并结合贝壳的多层复合结构与组成，可变形纤维丝网、高强度凝胶与刚性颗粒构成的仿生停钻承压堵漏新材料。

其他同学在讨论时对仿生学产生了极大的新鲜感，并以其他领域的仿生技术应用进行比较分析，大多数学生对仿生的认知仍处于机械领域，例如仿生机械臂、仿生机器人等。其实仿生在化学领域已经开始形成一套独有的体系，并在各行业中发挥着重要的作用。

仿生学在油气田化学领域的研究对学生来讲有极大的新鲜感，因为这是身边事物与自己研究方向的有效结合，大大提高学生的学习兴趣。因为仿生学概念没有一个确定的范围，因此学生B的汇报中有一些偏题，但不影响学生去理解与应用仿生知识。学生B在汇报其应用实例时表达也十分的清晰，但在讨论时对涉及超低油气层伤害仿生钻井液技术等应对力较差。因对该技术第一次调研，但也已经有明显的理论知识掌握与应用了解，而且能够依据专业知识对其在油气田中的应用进行了补充解释。

（三）智能材料在油气田中的作用原理与应用

智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术材料发展的重要方向之一。目前，智能材料已经作为堵漏材料、调剖剂、固壁剂等研究并应用于油气田化学领域。智能材料的研究和大规模的应用无疑是多种行业的一次重大技术革命。在本案例的研讨中，学生需要掌握智能材料的基本定义、组成及制备方法，并调研目前先进的智能材料在油气田化学领域与的应用案例。在本次案例发布之后，学生C选择此案例，但是由于学生C此前没有接触过石油专业领域，因此授课教师需要提供其专业基本知识学习途径，以及相关书籍，并对案例进行调研。

学生C在课堂汇报中，首先展示了智能材料的定义及组成，并阐述了智能材料相比于传统材料所具备的特征优势。学生C按照化学成分将智能材料分为智能金属材料、智能高分子（或聚合物、有机物）材料、智能无机非金属（或陶瓷）材料、智能复合材料等。常见智能金属材料主要包括：形状记忆合金、磁致伸缩材料等，并对某几类进行举例。最后学生C对智能材料在钻井液处理剂中的应用进行了实例分析，并对智能材料的未来做出了自己的预测。

智能材料已经广泛应用于各类行业，在讨论时，学生以航天领域的材料进行补充，以此来对材料的未来做出预测，并且与传统石油行业的发展进行比较，认为智能材料将是未来油气田化学行业发展的重要方向之一。在讨论时也有学生开始讨论起智能材料在其他领域的研究方向，这与本课程出现冲突，授课教师也在及时进行了中止与解释。

学生C在缺乏油气田化学领域知识的条件下，能够按照发布的案例与问题进行调研与总结，并对自己所选择案例的未来发展做出预测。也因为缺乏相关知识，对行业理解不够，因此无法详细阐述其在实例中的作用机理，例如，智能材料作为钻井液添加剂的情况下的作用机理。其调研框架完整，虽在讨论时出现偏题情况，授课老师能够进行有效更正。

（四）学生总结与反馈

在油田化学类课程即将结束时，要求学生进行案例总结，并且选择某一相关课题进行调研撰写大作业学习报告，重点为结合案例对知识的掌握程度，写下自己的认知与感受，并对未来技术的发展做一个预测，最后将报告提交给授课教师，供教师判断学生对本课程知识的掌握能力，以及对此教学方法及课程进行总结，以此来对今后的课程指导作为参考。根据学生所提交的大作业结果显示，学生A、B、C对超分子化学、仿生学、智能材料领域的调研更加深入且极具代表性，对常用的油气田化学试剂、油气田现场工艺有了更加清晰地了解，认为所学的理论知识与现场生产密不可分；他们学会了运用国内外论文数据库、书刊等搜集资料，有效提升了对问题分析解决的能力，知识理论应用的能力；增强了彼此之间相互合作学习；学生对目前油气田化学领域进展及发展方向有了更深入的认识。虽然三位学生专业知识的储存存在着差异，但此种方法无疑时对专业知识的拓展与记忆。虽然有学生提出，希望这样的教学方式多实施，且能延长汇报交流的时间，但是由于课时的限制，授课教师也要进行章节知识的梳理，目前每次汇报的时间偏短，对于研究内容的交流偏重于在课下进行。

（五）教学总结与反馈

根据超分子化学、仿生学、智能材料在油气田化学领域的应用研讨，发现即使是专业基础薄弱的同学在基于问题导向时，也能够根据案例对专业知识进行梳理与总结，并能够理解与掌握。根据学生的反馈，授课教师需要不断改进授课方法，可以依据课时，将案例的选择权给学生，依据其研究方向与兴趣进行选择，给予学生充足的时间去调研，适当的延长学生汇报交流时间。在对油田化学类课程进行系统知识讲解之前，根据每一章的内容选择适当的案例与问题供学生选择，并在自由创新的基础上使学生进行深入调研，例如环境保护、储层保护、钻井液堵漏、堵水调剖等。此时学生为中心，能够在有限的主导中对知识进行充分的整合与理解。系统知识的梳理还是可以依据传统的教学模式，使学生在案例教学的基础上进行不断地强化知识。

学生是教学中心，教师是授课时可靠的指导者。授课教师在汇报之后的积极引导会对学生的思维变化有显著的影响，必要时的启发，有利于培养学生的创新思维、增强创新能力。学生对油田化学类课程问题与案例的调研汇报，也是授课教师不断补充自己的机会，根据学生的讨论能为今后的课程讲解提供参考，丰富自己的教学内容，今后类似问题的提出也能指出相应的解决方案。现代社会的运行主要靠大众的分工合作，授课教师在让学生去调研、汇报的时候，要鼓励学生分工合作，互相交流，培养其主动探究问题的动手能力，在不断的思维碰撞中提升自己。

二 结束语

设置油田化学类课程的教学目的是培养大学生掌握油气田化学课程中的基本理论知识与相关专业概念，掌握其正确含义与现实适用范围，如聚合物水基溶液、压裂液、修井完井液等；掌握常用的油气田化学剂的基本性质和使用方法，如增粘剂、降滤失剂等；掌握与钻完井、采油、储运有关的基本化学作业方法，如堵水调剖、堵漏、压裂驱油等；了解常用的油气田化学剂的制备方法；通过相关化学剂合成实验的讲解培养学生的动手能力和加强学生对先进油气田化学工艺及其原理的理解。为今后学生的科研工作及油田现场生产应用奠定基础。传统“黑板式”教学法是以授课教师为主，听课的学生只会讲教师讲授的知识强行灌输，以及依据教学安排机械化的教学生实践技能，这大大限制了学生对知识的扩展及自主学习、调研和不断创新的能力，牢禁了学生的开放性思维，这无疑也限制了学生今后的研究与应用。

在油田化学类课程日常教学中采用基于问题导向的案例教学法，学生置于课堂中心，老师则担任主导角色，以更加开放性地思维去鼓励学生、引导学生，使理论更好的应用于实际，确确实实地践行了“实践是检验真理的唯一标准”这一准则，延伸了学生的逻辑思维，提升了学生学习的主动性，深化了所学专业知识实践性，增强了学生创新能力，扩展了学生的思维模式，丰富了教学模式的多样化，使油田化学类课程的学习增加了更多趣味性，提高了教学质量。但是，实行基于问题导向的案例教学法时授课教师需注意案例的判断与选择，根据教学大纲与实际技术应用情况进行判别，其次案例教学需要同整个课程知识体系相衔接，最重要的是尽可能保证足够的教学时间。

如何更加有效地提高油田化学类课程的教学质量，使其更加丰富、多姿多彩，让学生能够有兴趣，进而愿意学、喜欢学，最终将知识熟练于心，应用在今后广阔且深入的研究工作中，还需要广大教育工作者的共同努力，在实践中检验真知、总结经验，改革更好的教学模式[10]。