基于仿真实验平台的渗流物理实验对分课堂教学模式初探

樊冬艳， 孙致学， 付帅师， 吕爱民， 杜殿发, 谷建伟， 陈付真

(中国石油大学(华东) 石油工程学院， 山东 青岛 266580)

基于仿真实验平台的渗流物理实验对分课堂教学模式初探

樊冬艳， 孙致学， 付帅师， 吕爱民， 杜殿发, 谷建伟， 陈付真

(中国石油大学(华东) 石油工程学院， 山东 青岛 266580)

针对渗流物理实验课堂现状，以及部分实验高温高压环境、抽象性强等特点，基于仿真实验平台和模块化教学方式，本文提出了渗流物理实验课程的对分课堂实施方案。首先，实验内容模块化，把15项实验分为6大模块进行系统讲授，其次，基于仿真平台安全和重复性等特点，学生利用一周时间进行内化吸收，最后，进行课堂讨论和分组实验。结果表明，对分课堂提高了学生的积极性和参与度，理论和实验教学效果有了明显提升，同时对学生和教师也是一种大胆的尝试和创新。

渗流物理实验教学； 仿真平台； 模块化教学； 对分课堂

0 引 言

实践作为检验真理的唯一标准，实验教学在人才培养中扮演着举足轻重的战略地位[1-3]。渗流物理实验[4-5]作为石油工程专业课程油层物理[6]和渗流力学[7]的延伸和拓展，进一步加强学生理论与实践相结合的能力，围绕油藏岩石和流体的物理和渗流特征，依托国家级实验教学示范中心——“石油工程实验教学中心”，系统开设了15个实验项目。针对在实验教学过程中学生主动预习的积极性不高，机械地按部就班完成实验操作，无法发挥和体现学生的创新和创造能力等问题，提出了基于仿真实验平台渗流物理实验对分课堂教学模式，并在实践教学过程中受到了学生们的积极肯定，提高了学生自我学习的积极性，同时动手和独立思考能力也有了很大的提升。

1 渗流物理实验对分课堂的必要性

对分课堂教学模式(PAD模式)由张学新教授[8,9]根据国内大学课堂现状提出的，把教学在时间上分为讲授、内化吸收和讨论3个步骤，把一半课堂时间分配给教师进行讲授，另一半分配给学生以讨论的形式进行相互式学习。孙致学老师[10]结合渗流物理实验的特殊性，设计了渗流物理实验仿真实验平台，具有开放重复性、仿真性和移动性等特点。针对渗流物理实验采用基于仿真实验平台的对分课堂教学模式主要基于以下考虑：

(1) 渗流物理实验课程是围绕油气层地下几km的物理及渗流过程而设计的，因此，部分实验必须在高温高压下进行，温度一般在40～60℃，压力一般在20 MPa，故在实验过程中具有一定的危险性，学生在没有做预习和操作不当的情况下非常危险，所以在讲解基本概念和原理后有个内化吸收过程是非常有必要的。

(2) 实验研究对象为地下的油气资源，深埋在地下，看不见摸不着，因此涉及到的概念和机理具有一定的抽象性和复杂性；其次相关实验仪器昂贵复杂，操作不规范容易使实验仪器损坏，耽误正常分组实验和教学进度。为此，在实战操作之前，每位同学通过仿真实验平台进行模拟实验，深入理解理论难点和实验关键操作方法，平台的可视化、可修正和可重复等特征打破了时间和空间限制，通过仿真实验平台模拟后如图1所示，再进入实验室进行实战操作，大大提高了学生们的实验学习效果和积极性。

(a) 仿真实验平台

(b) 实验室平台

图1 流体PVT高压物性仿真实验平台与实验室平台对比

(3) 传统的实验课程主要分为老师讲解和学生操作两部分，没有消化和讨论过程，导致学生的主动性不强，且只是按照标准步骤指导学生机械完成实验过程，调查表明学生实验学习效果不理想，大部分学生往往是在对实验原理和步骤不太理解的情况下完成操作，难以发挥学生的创新性，因此在讨论后进行科学实验，学生更加主动和自信。

2 渗流物理实验对分课堂的教学实施

为了对比和提高实验教学效果，在2015～2016年度第二个学期首先针对石油工程卓越工程师班进行试点教学，共2个班，每班30个学生，共60人。该实验课程共24个学时，包含15个实验，教学内容丰富，采用模块化教学方式[11]，把实验项目分为6个模块(① 油藏流体物性分析；② 岩石矿物组成分析；③ 岩心骨架和孔隙物性分析；④ 储层渗透率分析；⑤ 特殊岩心物性分析；⑥ 水电模拟渗流实验)，除第一堂和最后一堂2个学时，其他每个教学模块4个学时。

2.1课程设计及安排

针对渗流物理实验现状，对分课堂主要分为教学模块讲授、基于仿真平台的内化吸收、讨论与实验。每3个人一组，每班10组，每次5组同时进行实验，具体实施步骤见图2。

图2 对分课堂实施步骤

由图2可见，除了第一次是标准的2个学时，主要用于对分课堂模式的说明以及第一个实验模块的理论讲授，指导学生进行渗流物理仿真平台的操作使用；其它为4个学时，主要包括：① 该实验模块的理论回顾以及实验具体细节讨论，考察学生们是否已经理解和明确实验原理和过程，并发挥学生的积极主动性，其次强调实验安全须知，确保学生们在正确安全的情况下完成实验；② 进行实验操作，3人一组分工明确，确保实验在有序和思路清晰的情况下完成；③ 上一个实验模块相关实验报告提交以及下一个模块的理论讲授。

2.2仿真实验平台设计

渗流物理仿真平台是借助现代无线通信技术，丰富的网络教育资源，以及随处可见的手机应用，实现移动学习，突破了时间和空间的限制，非常适用于对分课堂的内化吸收过程。学生通过手机利用碎片化时间即可轻松实现高温高压实验条件，同时通过滑动、旋转、点击等操作即可完成仿真实验，且在设计过程中，每一步都附带文字说明，让学生在操作过程中理解实验原理。仿真实验平台具有可重复性的特点，在前一次实验操作失败的情况下，可以重新开始，调动了学生的积极性，有助于提高学生的综合素质和实践创新能力。

2.3反馈及考评方式

反馈主要是针对在上一组实验操作中容易出现的问题，进行重点说明，共同交流讨论避免类似问题重复出现。实验课程没有最终考试，因此更加注重过程学习，其中6个实验模块，每个实验模块15分，包括仿真平台模拟5分，实验报告5分，实践操作表现5分，还有10分为平时积极发言讨论分值，共计100分。

3 对分课堂结合仿真平台实验教学的心得

对分课堂在张学新教授2014年提出后，相对传统教学和翻转课堂，取舍折中，更加符合国内大学的教学实际，在全国得到了迅速的推广及应用[12-16]，与传统实验教学相比存在明显的优势，但对分课堂的教学也对教师和学生提出了进一步的要求和挑战。

3.1与传统实验教学对比

首先，对分课堂学生相对传统课堂更加积极，课堂气氛更加热烈，通过一周的内化吸收，学生对实验原理和操作过程已经有了基本了解，所以在问题讨论过程中，大家都有理可依，给了学生更好地沟通和展示机会，大大调动了学生的参与度；而传统实验教学，大部分学生在毫无任何准备的情况下步入实验室，讲解完实验操作步骤，也难以理解实验原理。其次，对分课堂有利于教学相长，促进师生感情，传统教学只是老师讲授实验原理和步骤，然后学生按照标准步骤完成实验过程，缺乏对分课堂的内化吸收和交流反馈环节，而正是这两个环节给了学生和教师进一步沟通的机会，在学生疑问中教师也在成长，例如在利用落球法测量原油黏度实验讨论中，学生指出能否采用水来验证实验的准确性，最后学生在测试水黏度的过程中再现了密度测量过程，体现了学生们的探索和创新思维，不再是验证性的机械操作，促进了师生交流。

3.2对分课堂教学的挑战

对分课堂相对传统课堂更加灵活，每个模块4 h的课程时间，需要教师根据每个模块的实验内容和形式，安排好讲授和讨论实验的时间，而不用严格规定为1∶1的时间分配，因此教师需要夯实的理论基础，强大的课堂驾驭能力和引导能力，对教师特别是经验不足的新教师是一个较大挑战。

学生也必须从传统课堂的被动学习中及时转变，化被动为主动，基于实验仿真平台每个人都有内化吸收的过程记录，在讨论阶段个人经验问题共同分享，再分组实验；在此过程中，需要学生们课下消化，课上思考交流，最后实践证明，因此，每一模块的实验对学生都是一个理论到实践的探索过程。

仿真实验平台的完善和维护对教师而言，是另一个较大而繁琐的工作量，这部分劳动是课时以外的，且时间分散，目前学校还没有统一维护人员。

4 结 语

本文阐述了对分课堂在渗流物理实验教学过程中的应用，根据目前存在的问题分析了对分课堂的必要性和实施过程，首先在理论讲授后，基于实验仿真平台更有效地进行内化吸收，采用模块化教学把渗流物理实验划分为6个模块，每个模块4个课时，更有效地实施讨论和分组实验，形成了一套集教学、学习、讨论反馈、实验为一体的对分课堂教学模式，且有利益于对学生进行过程考核。基于实验仿真平台的渗流物理实验对分课堂，更加体现了高速发展的网络时代实验教学改革的尝试，调动了学生的主观能动性，提高了学生参与度，同时教学相长，奠定和锻炼了学生通过实验求知探新的能力。

[1] 王义遒. 在21世纪人才培养中实验教学的地位与作用[J]. 实验室研究与探索, 1998( 2): 1-4.

[2] 宋国利, 盖功琪, 苏冬妹. 开放式实验教学模式的研究与实践[J]. 实验室研究与探索, 2010, 29( 2) : 91-93.

[3] 刘建民. 深化实验教学改革培养创新人才的思考与实践[J]. 实验技术与管理，2001，18( 2) : 85-89.

[4] 李爱芬. 渗流物理实验[M]. 青岛: 中国石油大学出版社, 2011

[5] 李爱芬, 姚同玉, 孙仁远. 油层物理实验教学改革初探[J]. 科技创新导报, 2010(23):137.

[6] 李爱芬. 油层物理学[M]. 3版.青岛:中国石油大学出版社, 2011.

[7] 张建国, 雷光伦, 张艳玉. 油气层渗流力学[M]. 青岛:中国石油大学出版社,1998.

[8] 张学新. 对分课堂:大学课堂教学改革的新探索[J]. 复旦大学论坛, 2014(12)：5-10.

[9] 杜艳飞, 张学新. 对分课堂:高校课堂教学模式改革实践[J]. 继续教育研究, 2016(3):116-118.

[10] 孙致学, 刘丽娜, 张 凯,等. 移动学习环境下石油工程仿真实验平台建设[J]. 实验技术与管理, 2015, 32(7): 113-115.

[11] 付帅师, 李爱芬, 姚 军, 等. 渗流物理实验模块化教学改革初探[J]. 实验室研究与探索, 2015,34(10): 165-167，229.

[12] 刘玉春, 豆桂平, 程 全. 对分课堂教学模式在工科实验课程中的运用研究[J]. 兰州教育学院学报, 2016, 32(7):97-99.

[13] 李 欣. 对分课堂：有中国特色的大学教学新方法[J]. 高效论坛, 2016(10):16-17.

[14] 王尔馥. 网络环境下的高效对分课堂教学模式改革[J]. 高师理科学刊, 2016, 36(5):89-91.

[15] 刘明秋. 对分课堂教学模式在微生物学教学中的应用[J].微生物通报, 2016, 43(4):730-734.

[16] 李晶晶, 张学新, 杨川林. 基于PAD课堂的高效教学—以《现代汉语》课堂为例[J]. 湖南科技学院学报, 2016,37(9):127-130.

PADClassTeachingResearchofFlowinPorousMediaandPetrophysicsExperimentsBasedonSimulationPlatform

FANDongyan,SUNZhixue,FUShuaishi,LÜAiming,DUDianfa,GUJianwei，CHENFuzhen

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

According to the teaching status of the flow in porous media and petrophysics experiments, as well as high temperature and high pressure environment and strong abstraction in some experiments, the presentation-assimilation-discussion (“PAD”) mode of experiment teaching has been presented based on the simulation experimental platform and modularized teaching method. First of all, the experimental content is modularized, 15 experiments are divided into 6 modules. Secondly, students take one week to absorb experiment content using the simulation experimental platform, which is safe and repeatable. Finally, classroom discussions and group experiments are conducted. The results show that the PAD mode has improved the students’ enthusiasm and participation, and the effect of theory and experiment teaching has been improved obviously. Meanwhile, it is also a bold attempt and innovation for students and teachers.

experimental teaching of flow in porous media and petrophysics; simulation experimental platform; modularized teaching method; presentation-assimilation-discussion class

TE 348； G 434

A

1006-7167(2017)09-0153-03

2016-11-15

国家自然科学基金重大项目(51490654)；国家自然科学青年基金(51504277)；山东省教学改革项目(B2016M008)；中国石油大学(华东)教学改革项目(QN201504，QN201604)

樊冬艳(1985-)，女，江西南昌人，博士，讲师，研究方向：油气渗流理论的教学和研究。Tel.:18561302763; E-mail:fandongyan2010@126.com