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基于创新能力培养的能源特色高校专业实验教学改革

2024-06-19 33 上传者：管理员

摘要：岩石物理学基础是油气能源特色高校勘查技术与工程专业的核心专业基础课之一,且实验教学是该课程的重要实践环节。针对岩石物理实验教学的现状,梳理和总结该课程实验教学中存在的问题,提出增加实验项目的综合性和改进实验报告模式等措施手段,提高学生的创新能力及分析问题、解决问题的能力,利于实现该课程的教学目标。

关键词：
创新能力
实验报告
岩石物理
教学改革
综合性实验
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随着能源需求的增加，到2021年底，我国的原油对外依存度超过70%和天然气对外依存度超过40%[1]，这严重制约了我国能源安全。随着勘探开发技术的进步，非常规页岩油气资源因其储量巨大受到越来越多的关注[2]。非常规页岩油气、天然气水合物和地热能等新能源勘探开发技术的突破，有利于提高能源的自给率，对保障国家能源安全具有重要的战略意义。地球物理勘探方法是页岩油气、天然气水合物、地热等新能源实现高效开发的关键技术之一[3]，说明了勘查技术与工程专业承载着培养服务国家能源战略的拔尖创新人才的重任。非常规页岩油气、天然气水合物和地热能等能源勘探开发的深入，对地球物理工作者提出了新的挑战，从而对勘查专业学生的专业能力、创新能力等方面的培养提出了更高要求。岩石物理学基础作为西南石油大学（以下简称“我校”）勘查技术与工程专业的一门专业基础课程，是地质学、地球物理学的桥梁[4]，对于勘查技术与工程学科发展及人才培养有重要的作用。岩石物理学基础涉及内容较多，包括岩石基本物性、岩石力学性质，以及电学、声学、磁学和放射性等，是一门建立在以实验为基础，理论与实践并重的结合性课程[4]，该课程除了理论教学，还包含25%学时的实验教学，即实验教学环节是该课程教学的重要组成部分。实验教学相对于理论教学更具有直观性、实践性、综合性和创新性[5,6]，是培养学生基本素质的重要教学环节[7]。因此，实验教学是培养学生实践创新能力的重要手段。本文对岩石物理学基础课程实验教学的现状进行了梳理和总结，结合我校油气能源的特色，围绕该课程的实验教学开展改革实践，探索专业能力和创新能力融合培养的实验教学方式，提高勘查技术与工程专业学生的综合创新能力。

一、岩石物理学基础实验教学现状及改革措施

岩石物理学基础涉及岩石基本物性、岩石力学、岩石电学、岩石声学、岩石磁学和岩石放射性等内容，每个内容涉及知识点较多、实验方法较多，反映了其是一门实验性较强的学科。根据我校油气能源特色的特点，以及考虑到教学内容、教学设备等因素，我校岩石物理实验室建立了岩石孔隙度和渗透率、岩石声波、岩石电阻率、岩石磁学性质和岩石热学性质等实验测定方法，其中前三项岩石物理性质为必修实验项目，开设了“岩心孔隙度的测定”“岩心气体渗透率的测定”“地层因素和电阻率增大系数实验”和“声波纵、横波速度及衰减系数测定”等实验项目；后两项岩石物理性质为选修实验项目，开设了“岩石导热系数的测定”“岩石磁化率的测定”“岩石核磁共振实验”和“岩石介电常数的测定”等实验项目。岩石力学性质方面实验的实验设备对操作员要求较高，给学生安全带来较大隐患，为此笔者及教学团队开发了单轴/三轴压缩实验、巴西劈裂实验、直剪实验等力学实验的动画，可让学生直观观看实验过程，课堂上可增加教师与学生间互动，以探讨形式启迪学生，加深学生对实验原理的理解。然而，该课程所开设实验项目主要是验证性实验项目，缺少探究性或设计性实验项目。为此，笔者及教学团队对该课程的实验教学改革进行了探索实践，将科研意识融入实验教学过程中，以选修实验为例，初步建立了以任务驱动的实验教学方法[8]，一定程度上激发了学生对实验的兴趣，加深了学生对实验原理的理解，训练了学生思考能力，提高了学生创新能力。然而针对必修实验教学过程中探究性或设计性问题涉及较少，学生机械地模仿实验操作过程，无法培养学生的思考能力，不利于培养学生的创新能力，不利于培养学生达到新时代地球物理人才培养要求。为此，针对岩石物理学基础课程开设的实验项目，根据不同实验项目特点，将“地层因素和电阻率增大系数实验”和“声波纵、横波速度及衰减系数测定”实验项目设计为综合性实验项目，增加探究性内容。

同时，岩石物理学基础实验教学中，学生撰写实验报告一般使用传统实验报告格式，其主要包括实验名称、实验目的、实验原理、实验仪器、实验步骤、实验数据及处理和注意事项等部分。然而，这种固定格式化的实验报告，学生出现应付作业、敷衍了事、内容雷同，甚至篡改数据等多种不良现象，未能取得较好的教学效果[9]。传统实验报告的固定格式不需要学生做过多的思考，不利于激发学生的学习兴趣，易造成学生不重视实验报告，难以实现学生创新能力的培养目标，也难以满足新时代地球物理人才培养的要求。为此，针对岩石物理学基础课程开设的实验项目，根据不同实验项目特点，选择不同实验报告模式完成，在传统实验报告基础上，引入讨论式实验报告和问答式实验报告模式，其中“岩心气体渗透率的测定”实验项目仍采用传统实验报告模式；“岩心气体渗透率的测定”实验项目采用讨论式实验报告模式，其增加了实验结果的讨论；“地层因素和电阻率增大系数实验”和“声波纵、横波速度及衰减系数测定”实验项目采用问答式实验报告模式，包括实验名称、实验目的、实验结果和问题讨论等部分，形成了“传统实验报告-讨论式实验报告-问答式实验报告”多种实验报告模式。这样可避免学生实验报告的千篇一律，增强学生对实验报告的重视程度，有助于学生加深岩石物理理论知识的理解，激发了学生对岩石物理实验的兴趣，培养了学生处理数据的能力，提高了学生分析和解决问题的能力，增强了实验报告的个性和特点，进一步提高了学生的创新能力。

二、实验结果

基于岩石物理学基础课程的实验项目，结合问答式实验报告撰写特点，提出了岩石电阻率和声波速度的综合性实验项目，增加各参数的影响因素探讨，将科研意识融入实验教学环节，引导学生根据实验需求设计实验方案，以此设计实验步骤，并训练学生Excel、origin等数据处理软件的使用，培养学生数据处理能力，完成问答式实验报告的撰写。以学生实验报告中问题讨论为例进行简要介绍。

（一）孔隙度的影响

孔隙度对砂岩岩石纵波速度和电阻率的影响如图1所示。从图1(a）中可看出，随着孔隙度的增大，砂岩岩石纵波速度先缓慢下降后快速降低，这是因为岩石孔隙度越大，声波在其内部发生各种反射、折射等现象越多，造成声波在岩石内部的传播距离越大，导致岩石声波速度降低；相同孔隙度下，高围压和低围压对砂岩岩石纵波速度的影响程度存在一定差异，这与围压作用下砂岩岩石内部孔隙空间压缩程度有关。从图1(b）中可看出，随着孔隙度的增大，砂岩岩石电阻率呈降低趋势，这是因为岩石孔隙度越大，岩石孔隙空间越大，岩石的导电通道越大，造成岩石的导电性号，导致岩石电阻率降低。

（二）渗透率的影响

渗透率对砂岩岩石纵波速度和电阻率的影响如图2所示。从图2(a）中可看出，随着渗透率的增大，砂岩岩石纵波速度先快速下降后缓慢降低，这是因为岩石渗透率越大，岩石中连通孔隙空间越大，声波在其内部发生各种反射、折射等现象越多，造成声波在岩石内部的传播距离越大，导致岩石声波速度降低；相同渗透率下，高围压和低围压对砂岩岩石纵波速度的影响程度存在一定差异，这与围压作用下砂岩岩石内部孔隙空间压缩程度有关。从图2(b）中可看出，随着渗透率的增大，砂岩岩石电阻率先快速下降后缓慢降低，这是因为岩石渗透率越大，岩石连通孔隙空间越大，岩石的导电通道越大，造成岩石的导电性好，导致岩石电阻率降低。

（三）围压的影响

围压对砂岩纵波速度和电阻率的影响如图3所示。从图3(a）中可看出，随着围压增大，砂岩纵波速度先快速增长后增加趋于平缓，这主要是因为围压增大，岩石将受到压缩，岩石中孔隙空间将被压缩，在岩样内部传播的声波遇到的阻抗面减小，进而发生反射、折射、绕射等现象减少，造成声波在岩样中传播路径减少，导致岩样中波速增大。从图3(b）中可看出，随着围压增大，砂岩电阻率呈增大的趋势，且两者间具有良好的线性相关性。这是因为围压的变化将引起岩石孔隙结构发生变化，围压增大造成岩石孔隙空间减小，其中部分孔喉和孔隙可能发生闭合，进而相应位置的水膜可能产生阻断现象，导致岩石内部离子通道变少，从而表现为宏观上的电阻率增高。

图1 孔隙度对岩石纵波速度和电阻率的影响

图2 渗透率对岩石纵波速度和电阻率的影响

图3 围压对岩石纵波速度和电阻率的影响

（四）含水饱和度的影响

含水饱和度对砂岩纵波速度和电阻率的影响如图4所示。从图4(a）中可看出，随着含水饱和度增加，砂岩岩石纵波速度呈增大的趋势，两者间呈良好的线性相关性。这是因为声波在流体介质中传播速度大于气体介质，孔隙中含水饱和度增加，降低了声波在内部传播的能力损耗，造成岩石声波速度增大。从图4(b）中可看出，随着含水饱和度增加，砂岩岩石电阻率呈降低的趋势，两者间呈较好的指数关系。这是因为当岩心内部自由水含量增加时，内部离子交换作用更加强烈，导致岩样更容易导电，电阻率相应降低，在图中表现为显著的频散现象。含水饱和度进一步增大时，此时孔隙空间中大部分区域已充填蒸馏水，外部加压的水继而向孔喉、微裂缝、微孔隙或是大孔隙的剩余区域充填，而这些区域的离子交换作用对岩心电阻率有积极作用，并呈现出较明显的频散现象。

图4 含水饱和度对岩石纵波速度和电阻率的影响

以上内容是学生基于理论教学中所掌握的知识的基础上，根据问答所设计的岩石电学和岩石声学综合性实验方案，基于实验数据，可提高学生处理数据能力，进一步加深理解孔隙度、渗透率、围压和含水饱和度对岩石声波速度和电阻率的影响。除此之外，还可通过数据分析进一步分析不同孔隙度大小，围压变化和含水饱和度变化，岩石电阻率和声波速度的变化幅度，也可通过实验数据的数学分析，得到四种影响因素对岩石电阻率和声波速度的影响程度；也可结合页岩油气储层、天然气水合物储层电阻率测量、声波速度的测量设置为高阶实验任务，提高学生创新能力，也可通过不同角度进一步引导学生对实验数据处理，从不同视角分析实验结果，启发学生独立自主的思考，培养学生解决问题的能力，提高学生创新能力。

此外，基于孔隙度和含水饱和度对岩石电阻率的影响实验结果，进一步通过数据分析可获取研究区砂岩储层的岩电参数（图5），进一步验证了阿尔奇方程。通过该实验可让学生进一步理解岩电实验过程，以及阿尔奇公式原理，掌握阿尔奇公式中岩电参数是如何获取的，这有利于提高岩石电学的教学目标。

图5 研究区地层因素和电阻率增大系数下载原图

三、结束语

岩石物理学基础课程是勘查技术与工程专业的一门专业基础课，在勘查专业本科生的工程能力培养中有着重要作用，且实验教学是岩石物理学基础课程的重要实践环节。通过对岩石物理学基础课程的实验教学改革，采取增加实验项目的综合性和改进实验报告模式等措施，将科研意识融入实验教学过程中，极大激发学生的学习兴趣，启发学生独立自主的思考，加深对知识的理解，培养学生分析、解决问题的能力，进而提高勘查专业学生的创新能力。当然，随着新时代地球物理人才培养要求的提高，该课程的实验教学改革应是不断探索和实践的，需要进一步的思考和完善。

参考文献:

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[4]熊健,刘向君,李玮.新工科背景下岩石物理实验教学改革思路[J].高教学刊,2020,6(12):85-88.

[5]林庆宇,张志,毛献萍,等.基于创新能力培养的高校基础化学实验教学探索[J].贺州学院学报,2013,29(2):144-146.

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基金资助:教育部产学合作协同育人项目2023年批次立项项目“‘课程思政’背景下地矿类高校《岩石物理学基础》课程教学改革与实践”(230726475407287); 四川省2021—2023年高等教育人才培养质量和教学改革重点项目“创新驱动战略背景下‘双创’元素深度融入专业基础课程的教学改革与实践”阶段成果(JG2021-562);

文章来源:熊健,刘向君,何海铭.基于创新能力培养的能源特色高校专业实验教学改革——以岩石物理学基础课程为例[J].高教学刊,2024,10(18):81-84.