鉆井與完井工程課程案例教學論文

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摘要：案例教學是理論與實踐相結合的互動式教學模式，針對鉆井與完井工程課程的特點，引入案例教學方法來豐富鉆井與完井工程課程的傳統(tǒng)教學模式。解釋了案例教學的基本定義和科學內涵，分析了案例教學應用于工科教學的現(xiàn)狀；分析了鉆井與完井工程課程的特點及教學現(xiàn)狀，指出了應用案例教學的必要性，探討了案例教學的實施方式，并展望了案例教學的實施成效，對深化鉆井與完井工程課程教改具有一定的指導作用。

關鍵詞：案例教學；教學模式；教學改革；課程改革；鉆井與完井工程

一案例教學的定義和科學內涵

案例教學是一種開放式、互動式的新型教學方式。在案例教學中，所使用的案例既不是編出來講道理的故事，也不是寫出來闡明事實的事例，而是為了達成明確的教學目的，基于一定的事實而編寫的故事，它在用于課堂討論和分析之后會使學生有所收獲，從而提高學生分析問題和解決問題的能力[1]。目前，國家層面已經高度重視其在高等教育人才培養(yǎng)中的重要作用和地位。為了貫徹落實《教育部 國家發(fā)展改革委 財政部關于深化研究生教育改革的意見》（教研〔2013〕1號）和《教育部 人力資源社會保障部關于深入推進專業(yè)學位研究生培養(yǎng)模式改革的意見》（教研〔2013〕3號），深化專業(yè)學位研究生培養(yǎng)模式改革，提高培養(yǎng)質量，教育部于2015年5月7日出臺了《教育部關于加強專業(yè)學位研究生案例教學和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設的意見》（教研〔2015〕1號）（簡稱《意見》）?！兑庖姟穼咐虒W定義為：以學生為中心，以案例為基礎，通過呈現(xiàn)案例情境，將理論與實踐緊密結合，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從而掌握理論、形成觀點、提高能力的一種教學方式（或模式）。傳統(tǒng)教育中教師主要采取灌輸方式教授知識，即學生以被動方式接受知識，這種教學方式重傳授而輕參與、重理論而輕實踐，高等教育學習的主體是學生，在傳統(tǒng)教學過程中學生并未主動參與進來；而將案例教學融入到傳統(tǒng)教育中，彌補了傳統(tǒng)教育的不足，尤其是理論與實踐結合方面，將課程理論學習與實踐過程結合起來可以更加有效地引導學生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，從而使學生掌握理論、形成觀點、提高能力，應當注意：案例教學更加側重實踐，而并非傳統(tǒng)教學中所說的實際；案例教學并不是完全取代傳統(tǒng)教學模式，而是融入傳統(tǒng)教育形成優(yōu)勢互補，從而改善教學效果、提升教學質量。

二案例教學在工程科學的應用現(xiàn)狀

（一）案例教學的作用和功能

劉剛認為案例教學的作用機制包括：知識來源擴大機制、學習內容優(yōu)化機制、學習效果改善機制[2]；鄭淑芬認為案例教學有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，有利于提高學生分析和解決問題的能力，有利于促使學生學會學習，還有助于提高學生與人溝通、合作的能力[3]；黃輝認為案例教學能夠磨練心智，培養(yǎng)能力，拓展視野，并使其掌握更多的方法[4]；豐曉萌認為案例教學可以更好的激發(fā)學習興趣，可以使學生明確學習目的，還可以提高教師教學水平[5]；總的來看，案例教學可以在很大程度上激發(fā)學生自主學習的興趣和熱情，可以理論聯(lián)系實際并鍛煉學生解決實際問題的能力，達到改善教學效果的目的。

（二）案例教學在工程科學課程教學中的應用探索

近年來，一些工程科學、自然科學學科開始探索案例教學新模式，肖細元探索了案例教學在《大氣污染控制工程》課程中的應用[6]；李杰研究了案例教學法在《機械制造基礎》課程教學中的應用[7]；郭鋒等探討了案例教學在工程研究生課程《現(xiàn)代材料分析方法》的應用[8]；王永生探索了工程科研案例在本科生課堂教學中的應用[9]；安蓉和王梅提出以解決實際工程問題的案例來改善教學[10]；楊佩娟提出在《生態(tài)工程的基本原理》課程中應用案例教學模式[11]；總體來看，案例教學并未在工程科學課程教學得到推廣，目前主要處于應用探索階段，而且僅在非常有限的工程科學課程中進行了探索。

（三）案例教學的改革與創(chuàng)新

案例教學的改革與創(chuàng)新方面的研究成果非常豐富，但大都集中于經濟、管理、商業(yè)等社會科學學科。例如，王應密和張樂平分析了全日制工程碩士案例教學資源庫建設相關問題，還指出了案例教學應用應該注意的相關問題[12]；鄭淑芬認為教師仍然是案例教學的重要基礎，教師要把握好精選教學案例、積極的課堂引導和多元的評價考核3個環(huán)節(jié)，還要處理好學生學習與教師教學的關系、理論知識傳授與案例教學的關系、認知活動和非認知活動的關系[1]。經過梳理不難發(fā)現(xiàn)，目前關于案例教學在高等教育中應用的相關研究非常豐富，但基本上屬于經濟、管理、商業(yè)等社會科學學科，其在自然科學和工程科學學科的應用非常罕見，其在石油工程相關課程的應用更是鮮見報道。將案例教學應用于工程科學課程教學，將面臨如下主要問題：（1）準確認識案例教學的功能和作用，明確實施案例教學的必要性，這是實施案例教學的基礎；（2）案例教學與傳統(tǒng)教學的融合問題，即合理的實施方式，如何將案例教學融入到傳統(tǒng)教學中，畢竟教學過程中不能獨立開設課程；（3）案例教學資源庫的建設問題，良好的教學資源庫是案例教學的關鍵基礎，沒有豐富的、適宜的案例素材，案例教學難以有效實施，事實上，這是案例教學的基本載體，也是限制案例教學在工程科學課程教學中應用的主要因素；（4）教學效果的后評估、改進、完善與推廣。在教育部出臺的《意見》中明確了在專業(yè)學位研究生培養(yǎng)中推廣案例教學的任務，事實上，大學本科生畢業(yè)后再工作崗位承擔了更多的實踐類工作和任務，因此，高校培養(yǎng)的更多的本科學生也應該加強案例教學的推廣，通過案例教學彌補學生課堂理論學習與實踐脫節(jié)的不足。

三課程特征及實施案例教學的必要性

（一）課程特點及教學業(yè)績

《鉆井與完井工程》課程是西南石油大學石油工程專業(yè)本科生核心主干課程，課程全部學時為56學時，其中課堂教學50學時，實踐教學6學時。課堂教學內容主要包括井身結構設計、鉆井液、鉆井液工藝技術、巖石與鉆頭、鉆井工藝技術、井控技術、井眼軌跡測量與控制技術、固井、完井方法以及儲層保護技術、環(huán)境保護及HSE等。課程立足于轉變教育思想，更新教育觀念，同時與石油工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標和模式、教學方法和教學手段現(xiàn)代化的改革同步，為學生提供較寬的知識基礎和再學習環(huán)境，培養(yǎng)學生在工程平臺上解決問題的能力[13]。為了實現(xiàn)該目標，與該課程配套的教學環(huán)節(jié)有實習、開放實驗和工程設計，相應的配套教材有《鉆井與完井工程生產實習指導書》、《鉆井與完井工程開放實驗指導書》和《鉆井與完井工程設計》。通過多年來的教學與實踐，現(xiàn)有的《鉆井與完井工程》課程內容不斷更新，在強調應用基礎理論、設計理論與方法的同時，重點突出理論聯(lián)系實際，適當介紹油氣井工程方向的最新工程技術。課程注重內容的基礎性、系統(tǒng)性、完整性和實用性，便于引導式教學和學生自學，從而形成了現(xiàn)在較為合理的課程體系、教學方法和教學效果監(jiān)測和評價體系，也取得了較好的效果。2004年《鉆井與完井工程》被評為首批國家級精品課程，自2012年起實施了校級、省級和國家級精品資源共享課的立項建設，2016年獲全國首批“國家級精品資源共享課”稱號。

（二）實施案例教學的必要性

《鉆井與完井工程》課程是一門實踐性極強的工程科學課程，課程學習中涉及大量非常重要的工程實踐類理論和方法，例如，井身結構設計、水力參數(shù)設計、鉆柱設計與校核、套管柱強度設計與校核、井控設計與實施、井眼軌跡設計與控制等，這些內容也是該課程教學的重點和難點。傳統(tǒng)的教學方法主要采用灌輸式教學模式，盡管課程配套有實習、開放實驗和工程設計等結合實際的環(huán)節(jié)，但這些環(huán)節(jié)與課程學習往往需要學生課后獨立完成，而且與理論學習存在一定程度的脫節(jié)現(xiàn)象，使得學生對于關鍵理論的掌握深度不夠，學生很難獨立開展工程設計或設計質量不高，迫切需要改進或彌補傳統(tǒng)教學方法存在的短板。依托國家級精品資源共享課建設項目，已經引進網絡課堂、MOOC、虛擬仿真實驗教學、微課等形式多樣的新型教育模式進行課程改革，但是，這些新型的模式并未完全解決課程理論學習與實踐結合的問題；同時，《鉆井與完井工程》是國家級精品資源共享課程，也有必要進一步豐富現(xiàn)有的教學手段和方法，使其始終保持在全國的領先地位。為此，提出引入案例教學方法，以工程實際案例為載體，通過整合和利用虛擬仿真實驗教學平臺、MOOC和微課等手段進行工程設計、施工案例情境的重現(xiàn)，將《鉆井與完井工程》課程中的理論知識與工程實踐緊密結合，激發(fā)學生濃厚的學習興趣，與傳統(tǒng)教學模式形成互補。在建立了系統(tǒng)的案例教學方法并構建了完備的案例教學庫之后，可以將案例教學庫與網絡課堂、MOOC、虛擬仿真實驗教學、微課等有機結合，采用多種形式將《鉆井與完井工程》的工藝原理展示給學生，有利于學生更加直觀、更加清晰、更加明確地掌握相關知識，最終達到改善教學質量和教學效果的目的。

四課程案例教學實施方式探討

（一）案例選擇

實施案例教學成功與否的關鍵，很大程度上取決于所挑選案例的數(shù)量和質量是否能滿足課程學習的需要[14]?！躲@井與完井工程》課程涉及諸多設計與控制方面的實踐內容，相關的實際工程案例也很多，但并不是每一個案例都適合課程教學。教學案例不僅要符合目標的要求，而且要結構嚴謹，具有可質疑性和思考性[14]。為了能夠成功實施案例教學，首先，必須根據課程特點精心設計、挑選和收集案例素材；其次，應注意案例是否具有代表性，主題是否鮮明突出，是否有重要意義；再次，判斷案例的難度是否適中，由于實際工程案例往往非常復雜，過于復雜的案例會超出學生的知識水平以及能力范圍，也會打擊學生的自信心和學習興趣；最后，確定案例所涉及的情景是否有綜合性[14]?！躲@井與完井工程》是一門系統(tǒng)的工程科學課程，具備相互聯(lián)系的完備框架體系，案例的選擇應結合實際情況盡可能多的涉及關鍵的知識點，以引導學生學以致用（發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題），從而掌握理論、形成觀點、提高能力。

（二）案例整理與案例庫建設

選擇恰當?shù)陌咐?，不能直接將其應用于實際課程教學，而是需要精心設計、加工整理和歸類，以形成教學案例庫。在《鉆井與完井工程》課程教學中，根據課程特點、教學目的、教學形式和案例內容，可將案例歸類為如下幾種類型。1.講解式案例：教師在課堂教學中為說明某一概念、模型、方法或實際問題而使用的案例。例如，為了講解井身結構設計理論依據，可以采用講解式案例，在課堂上講評或演示給定孔隙壓力和破裂壓力剖面下如何才能成功鉆達目的層，還可以在這一過程中恰當?shù)卮┎逭n堂互動，以加深學生對該知識點的掌握。2.討論式案例：為了鞏固學生對重難點的學習效果并檢驗學生水平而使用的案例。例如，講解溢流壓井方法時，可以給定一口比較復雜的溢流井案例，將學生分組進行討論給出決策方案進行處理，不同學生會采用不同的壓井方法（循環(huán)法、司鉆法和工程師法），這樣就能得到不同的結果。討論式案例適宜選擇有一定的針對性和難度并且有不同意見和結論的案例，假設案例過于簡單則不會引起爭論，會導致學生會失去興趣；假設案例過于復雜則會超出學生的知識水平以及能力范圍，會打擊學生的自信心和學習興趣；因此，具有多樣性、結果復雜且難度適中的案例，價值越高。3.基于虛擬仿真平臺的互動式案例：為了完成真實實驗不具備或難以完成的實驗教學任務，西南石油大學已經建立起了一套較為系統(tǒng)的虛擬仿真實驗教學體系和功能較為齊全、規(guī)模初具的油氣開發(fā)虛擬仿真實驗教學中心，該中心在人才培養(yǎng)、科學研究中扮演著重要角色。通過借鑒先進的教學平臺開展互動式案例教學，不僅可以讓學生實時或離線觀摩教授或工程師進行工程實踐，還可以讓學生在平臺上進行模擬實戰(zhàn)，該平臺可以滿足學生單機或網絡實踐的多重需求。對于《鉆井與完井工程》課程，可以采用虛擬仿真中心的鉆井工藝放在模擬系統(tǒng)、交互和漫游式井控虛擬系統(tǒng)、鉆井工程設計與分析虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)3套系統(tǒng)進行互動式案例教學，可以滿足觀摩式和實戰(zhàn)式教學的雙重需求，網絡在線功能還能滿足學生課余自主學習與探索的需求，有助于培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新精神。

（三）案例導入

案例的導入的模式有很多，如案例設疑法、案例比較法、案例討論法、演示觀摩法、嚴肅游戲互動法、問題導入法、故事導入法、多媒體導入法等等[14]。根據《鉆井與完井工程》課程特點，主要針對井身結構設計、水力參數(shù)設計、鉆柱設計與校核、套管柱強度設計與校核、井控設計與實施、井眼軌跡設計與控制等幾方面建設案例庫，這些案例的導入主要采用案例設疑法、案例比較法、案例討論法、演示觀摩法、嚴肅游戲互動法進行案例導入。一方面可以采用多媒體教學等相對傳統(tǒng)的載體，另一方面可以配合網絡課堂、MOOC、微課、虛擬仿真平臺等形式多樣的新型載體。案例的導入不僅僅只是用于課堂教學，還可以滿足學生課余自主預習、學習和創(chuàng)新的需求。

五課程案例教學實施成效展望

案例教學可以作為學生實踐教學的重要組成部分，通過應用講解式案例、討論式案例和基于虛擬仿真平臺的互動式案例，利用虛擬仿真平臺構建的互動式鉆井與完井“作業(yè)現(xiàn)場”，可以使學生感性地理解課程中涉及的研究對象、內容以及理論應用場所，通過學生的互動式參與，激發(fā)學生主動學習和探索的熱情，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，提高教、學效率和效果，其應用成效大致如下：1.有助于加強鉆井與完井工程課程理論與實踐的結合，學生可將學到的理論在案例教學中進行實踐，培養(yǎng)學生真正消化和掌握所學知識，激發(fā)學生學習的興趣，提高學以致用及理論聯(lián)系實際的能力。例如，對抽象的定向鉆井知識，可在平臺提供的虛擬三維地下空間場景下，進行“鉆定向井”作業(yè)，直觀地展示井眼的空間形狀、鉆井過程及井眼形狀、工具等對工程的限制等，幫助學生將所學理論知識聯(lián)系到工程實際。2.有助于激發(fā)學生主動學習和科學研究的興趣，感興趣的學生可以在課堂和課余自主學習相應的案例，對有潛力的本科生或研究生，可以為他們自動設計和提供鉆完井工程設備和工藝改進以及新技術應用方面的課外科技課題，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、獨立分析和解決工程實際問題的能力。3.有助于學生在專業(yè)課程學習期間更好地完成“認識實踐”，利用虛擬仿真平臺展示鉆完井工程作業(yè)的地面現(xiàn)場環(huán)境、井筒和地下環(huán)境的動態(tài)虛擬漫游及三維實時動畫，讓學生全面的認識現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境、主要設備用途及主要的工藝流程等，使學生獲得感性認識，了解“學以致用”的場所和目標，培養(yǎng)學生的工程意識，為專業(yè)課程的教與學奠定基礎。4.有助于學生在專業(yè)課程學習后更好地完成“生產實習”，學生可利用虛擬仿真平臺，進行全面、系統(tǒng)的實踐技能訓練，以彌補長期以來生產實習中無法上鉆臺、無法在鉆采現(xiàn)場動手實際操作的不足，幫助其更好地完成“生產實習”。

作者：馬天壽 付建紅 郭昭學 石曉兵 曾德智 單位：西南石油大學