鉆井與完井工程課程案例教學(xué)論文
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摘要：案例教學(xué)是理論與實踐相結(jié)合的互動式教學(xué)模式，針對鉆井與完井工程課程的特點，引入案例教學(xué)方法來豐富鉆井與完井工程課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式。解釋了案例教學(xué)的基本定義和科學(xué)內(nèi)涵，分析了案例教學(xué)應(yīng)用于工科教學(xué)的現(xiàn)狀；分析了鉆井與完井工程課程的特點及教學(xué)現(xiàn)狀，指出了應(yīng)用案例教學(xué)的必要性，探討了案例教學(xué)的實施方式，并展望了案例教學(xué)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(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；教學(xué)模式；教學(xué)改革；課程改革；鉆井與完井工程
一案例教學(xué)的定義和科學(xué)內(nèi)涵
案例教學(xué)是一種開放式、互動式的新型教學(xué)方式。在案例教學(xué)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(xué)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(xué)生有所收獲，從而提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力[1]。目前，國家層面已經(jīng)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(guān)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(guān)于深入推進專業(yè)學(xué)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(xué)位研究生培養(yǎng)模式改革，提高培養(yǎng)質(zhì)量，教育部于2015年5月7日出臺了《教育部關(guān)于加強專業(yè)學(xué)位研究生案例教學(xué)和聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)的意見》（教研〔2015〕1號）（簡稱《意見》）?！兑庖姟穼咐虒W(xué)定義為：以學(xué)生為中心，以案例為基礎(chǔ)，通過呈現(xiàn)案例情境，將理論與實踐緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)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(xué)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(xué)生以被動方式接受知識，這種教學(xué)方式重傳授而輕參與、重理論而輕實踐，高等教育學(xué)習(xí)的主體是學(xué)生，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中學(xué)生并未主動參與進來；而將案例教學(xué)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(jié)合方面，將課程理論學(xué)習(xí)與實踐過程結(jié)合起來可以更加有效地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，從而使學(xué)生掌握理論、形成觀點、提高能力，應(yīng)當注意：案例教學(xué)更加側(cè)重實踐，而并非傳統(tǒng)教學(xué)中所說的實際；案例教學(xué)并不是完全取代傳統(tǒng)教學(xué)模式，而是融入傳統(tǒng)教育形成優(yōu)勢互補，從而改善教學(xué)效果、提升教學(xué)質(zhì)量。
二案例教學(xué)在工程科學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀
（一）案例教學(xué)的作用和功能
劉剛認為案例教學(xué)的作用機制包括：知識來源擴大機制、學(xué)習(xí)內(nèi)容優(yōu)化機制、學(xué)習(xí)效果改善機制[2]；鄭淑芬認為案例教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，有利于提高學(xué)生分析和解決問題的能力，有利于促使學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)，還有助于提高學(xué)生與人溝通、合作的能力[3]；黃輝認為案例教學(xué)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(xué)可以更好的激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，可以使學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的，還可以提高教師教學(xué)水平[5]；總的來看，案例教學(xué)可以在很大程度上激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和熱情，可以理論聯(lián)系實際并鍛煉學(xué)生解決實際問題的能力，達到改善教學(xué)效果的目的。
（二）案例教學(xué)在工程科學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用探索
近年來，一些工程科學(xué)、自然科學(xué)學(xué)科開始探索案例教學(xué)新模式，肖細元探索了案例教學(xué)在《大氣污染控制工程》課程中的應(yīng)用[6]；李杰研究了案例教學(xué)法在《機械制造基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[7]；郭鋒等探討了案例教學(xué)在工程研究生課程《現(xiàn)代材料分析方法》的應(yīng)用[8]；王永生探索了工程科研案例在本科生課堂教學(xué)中的應(yīng)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(xué)[10]；楊佩娟提出在《生態(tài)工程的基本原理》課程中應(yīng)用案例教學(xué)模式[11]；總體來看，案例教學(xué)并未在工程科學(xué)課程教學(xué)得到推廣，目前主要處于應(yīng)用探索階段，而且僅在非常有限的工程科學(xué)課程中進行了探索。
（三）案例教學(xué)的改革與創(chuàng)新
案例教學(xué)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(jīng)濟、管理、商業(yè)等社會科學(xué)學(xué)科。例如，王應(yīng)密和張樂平分析了全日制工程碩士案例教學(xué)資源庫建設(shè)相關(guān)問題，還指出了案例教學(xué)應(yīng)用應(yīng)該注意的相關(guān)問題[12]；鄭淑芬認為教師仍然是案例教學(xué)的重要基礎(chǔ)，教師要把握好精選教學(xué)案例、積極的課堂引導(dǎo)和多元的評價考核3個環(huán)節(jié)，還要處理好學(xué)生學(xué)習(xí)與教師教學(xué)的關(guān)系、理論知識傳授與案例教學(xué)的關(guān)系、認知活動和非認知活動的關(guān)系[1]。經(jīng)過梳理不難發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于案例教學(xué)在高等教育中應(yīng)用的相關(guān)研究非常豐富，但基本上屬于經(jīng)濟、管理、商業(yè)等社會科學(xué)學(xué)科，其在自然科學(xué)和工程科學(xué)學(xué)科的應(yīng)用非常罕見，其在石油工程相關(guān)課程的應(yīng)用更是鮮見報道。將案例教學(xué)應(yīng)用于工程科學(xué)課程教學(xué)，將面臨如下主要問題：（1）準確認識案例教學(xué)的功能和作用，明確實施案例教學(xué)的必要性，這是實施案例教學(xué)的基礎(chǔ)；（2）案例教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)的融合問題，即合理的實施方式，如何將案例教學(xué)融入到傳統(tǒng)教學(xué)中，畢竟教學(xué)過程中不能獨立開設(shè)課程；（3）案例教學(xué)資源庫的建設(shè)問題，良好的教學(xué)資源庫是案例教學(xué)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，沒有豐富的、適宜的案例素材，案例教學(xué)難以有效實施，事實上，這是案例教學(xué)的基本載體，也是限制案例教學(xué)在工程科學(xué)課程教學(xué)中應(yīng)用的主要因素；（4）教學(xué)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(xué)位研究生培養(yǎng)中推廣案例教學(xué)的任務(wù)，事實上，大學(xué)本科生畢業(yè)后再工作崗位承擔(dān)了更多的實踐類工作和任務(wù)，因此，高校培養(yǎng)的更多的本科學(xué)生也應(yīng)該加強案例教學(xué)的推廣，通過案例教學(xué)彌補學(xué)生課堂理論學(xué)習(xí)與實踐脫節(jié)的不足。
三課程特征及實施案例教學(xué)的必要性
（一）課程特點及教學(xué)業(yè)績
《鉆井與完井工程》課程是西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)本科生核心主干課程，課程全部學(xué)時為56學(xué)時，其中課堂教學(xué)50學(xué)時，實踐教學(xué)6學(xué)時。課堂教學(xué)內(nèi)容主要包括井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆井液、鉆井液工藝技術(shù)、巖石與鉆頭、鉆井工藝技術(shù)、井控技術(shù)、井眼軌跡測量與控制技術(shù)、固井、完井方法以及儲層保護技術(shù)、環(huán)境保護及HSE等。課程立足于轉(zhuǎn)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(xué)方法和教學(xué)手段現(xiàn)代化的改革同步，為學(xué)生提供較寬的知識基礎(chǔ)和再學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)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(xué)環(huán)節(jié)有實習(xí)、開放實驗和工程設(shè)計，相應(yīng)的配套教材有《鉆井與完井工程生產(chǎn)實習(xí)指導(dǎo)書》、《鉆井與完井工程開放實驗指導(dǎo)書》和《鉆井與完井工程設(shè)計》。通過多年來的教學(xué)與實踐，現(xiàn)有的《鉆井與完井工程》課程內(nèi)容不斷更新，在強調(diào)應(yīng)用基礎(chǔ)理論、設(shè)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(shù)。課程注重內(nèi)容的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、完整性和實用性，便于引導(dǎo)式教學(xué)和學(xué)生自學(xué)，從而形成了現(xiàn)在較為合理的課程體系、教學(xué)方法和教學(xué)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(shè)，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(xué)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(xué)課程，課程學(xué)習(xí)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(jié)構(gòu)設(shè)計、水力參數(shù)設(shè)計、鉆柱設(shè)計與校核、套管柱強度設(shè)計與校核、井控設(shè)計與實施、井眼軌跡設(shè)計與控制等，這些內(nèi)容也是該課程教學(xué)的重點和難點。傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要采用灌輸式教學(xué)模式，盡管課程配套有實習(xí)、開放實驗和工程設(shè)計等結(jié)合實際的環(huán)節(jié)，但這些環(huán)節(jié)與課程學(xué)習(xí)往往需要學(xué)生課后獨立完成，而且與理論學(xué)習(xí)存在一定程度的脫節(jié)現(xiàn)象，使得學(xué)生對于關(guān)鍵理論的掌握深度不夠，學(xué)生很難獨立開展工程設(shè)計或設(shè)計質(zhì)量不高，迫切需要改進或彌補傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的短板。依托國家級精品資源共享課建設(shè)項目，已經(jīng)引進網(wǎng)絡(luò)課堂、MOOC、虛擬仿真實驗教學(xué)、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(xué)習(xí)與實踐結(jié)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(xué)手段和方法，使其始終保持在全國的領(lǐng)先地位。為此，提出引入案例教學(xué)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(xué)平臺、MOOC和微課等手段進行工程設(shè)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(jié)合，激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，與傳統(tǒng)教學(xué)模式形成互補。在建立了系統(tǒng)的案例教學(xué)方法并構(gòu)建了完備的案例教學(xué)庫之后，可以將案例教學(xué)庫與網(wǎng)絡(luò)課堂、MOOC、虛擬仿真實驗教學(xué)、微課等有機結(jié)合，采用多種形式將《鉆井與完井工程》的工藝原理展示給學(xué)生，有利于學(xué)生更加直觀、更加清晰、更加明確地掌握相關(guān)知識，最終達到改善教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果的目的。
四課程案例教學(xué)實施方式探討
（一）案例選擇
實施案例教學(xué)成功與否的關(guān)鍵，很大程度上取決于所挑選案例的數(shù)量和質(zhì)量是否能滿足課程學(xué)習(xí)的需要[14]?！躲@井與完井工程》課程涉及諸多設(shè)計與控制方面的實踐內(nèi)容，相關(guān)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(xué)。教學(xué)案例不僅要符合目標的要求，而且要結(jié)構(gòu)嚴謹，具有可質(zhì)疑性和思考性[14]。為了能夠成功實施案例教學(xué)，首先，必須根據(jù)課程特點精心設(shè)計、挑選和收集案例素材；其次，應(yīng)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(fù)雜，過于復(fù)雜的案例會超出學(xué)生的知識水平以及能力范圍，也會打擊學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)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(xué)課程，具備相互聯(lián)系的完備框架體系，案例的選擇應(yīng)結(jié)合實際情況盡可能多的涉及關(guān)鍵的知識點，以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)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(shè)
選擇恰當?shù)陌咐?，不能直接將其?yīng)用于實際課程教學(xué)，而是需要精心設(shè)計、加工整理和歸類，以形成教學(xué)案例庫。在《鉆井與完井工程》課程教學(xué)中，根據(jù)課程特點、教學(xué)目的、教學(xué)形式和案例內(nèi)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(xué)中為說明某一概念、模型、方法或?qū)嶋H問題而使用的案例。例如，為了講解井身結(jié)構(gòu)設(shè)計理論依據(jù)，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(xué)生對該知識點的掌握。2.討論式案例：為了鞏固學(xué)生對重難點的學(xué)習(xí)效果并檢驗學(xué)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(fù)雜的溢流井案例，將學(xué)生分組進行討論給出決策方案進行處理，不同學(xué)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(jié)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(jié)論的案例，假設(shè)案例過于簡單則不會引起爭論，會導(dǎo)致學(xué)生會失去興趣；假設(shè)案例過于復(fù)雜則會超出學(xué)生的知識水平以及能力范圍，會打擊學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)興趣；因此，具有多樣性、結(jié)果復(fù)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(xué)任務(wù)，西南石油大學(xué)已經(jīng)建立起了一套較為系統(tǒng)的虛擬仿真實驗教學(xué)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(xué)中心，該中心在人才培養(yǎng)、科學(xué)研究中扮演著重要角色。通過借鑒先進的教學(xué)平臺開展互動式案例教學(xué)，不僅可以讓學(xué)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(xué)生在平臺上進行模擬實戰(zhàn)，該平臺可以滿足學(xué)生單機或網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(xué)，可以滿足觀摩式和實戰(zhàn)式教學(xué)的雙重需求，網(wǎng)絡(luò)在線功能還能滿足學(xué)生課余自主學(xué)習(xí)與探索的需求，有助于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新精神。
（三）案例導(dǎo)入
案例的導(dǎo)入的模式有很多，如案例設(shè)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(dǎo)入法、故事導(dǎo)入法、多媒體導(dǎo)入法等等[14]。根據(jù)《鉆井與完井工程》課程特點，主要針對井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、水力參數(shù)設(shè)計、鉆柱設(shè)計與校核、套管柱強度設(shè)計與校核、井控設(shè)計與實施、井眼軌跡設(shè)計與控制等幾方面建設(shè)案例庫，這些案例的導(dǎo)入主要采用案例設(shè)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(dǎo)入。一方面可以采用多媒體教學(xué)等相對傳統(tǒng)的載體，另一方面可以配合網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)入不僅僅只是用于課堂教學(xué)，還可以滿足學(xué)生課余自主預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的需求。
五課程案例教學(xué)實施成效展望
案例教學(xué)可以作為學(xué)生實踐教學(xué)的重要組成部分，通過應(yīng)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(gòu)建的互動式鉆井與完井“作業(yè)現(xiàn)場”，可以使學(xué)生感性地理解課程中涉及的研究對象、內(nèi)容以及理論應(yīng)用場所，通過學(xué)生的互動式參與，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和探索的熱情，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，提高教、學(xué)效率和效果，其應(yīng)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(jié)合，學(xué)生可將學(xué)到的理論在案例教學(xué)中進行實踐，培養(yǎng)學(xué)生真正消化和掌握所學(xué)知識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)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(xué)生將所學(xué)理論知識聯(lián)系到工程實際。2.有助于激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和科學(xué)研究的興趣，感興趣的學(xué)生可以在課堂和課余自主學(xué)習(xí)相應(yīng)的案例，對有潛力的本科生或研究生，可以為他們自動設(shè)計和提供鉆完井工程設(shè)備和工藝改進以及新技術(shù)應(yīng)用方面的課外科技課題，從而培養(yǎng)學(xué)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(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)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(xué)生全面的認識現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境、主要設(shè)備用途及主要的工藝流程等，使學(xué)生獲得感性認識，了解“學(xué)以致用”的場所和目標，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，為專業(yè)課程的教與學(xué)奠定基礎(chǔ)。4.有助于學(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)后更好地完成“生產(chǎn)實習(xí)”，學(xué)生可利用虛擬仿真平臺，進行全面、系統(tǒng)的實踐技能訓(xùn)練，以彌補長期以來生產(chǎn)實習(xí)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(chǎn)實習(xí)”。
作者：馬天壽 付建紅 郭昭學(xué) 石曉兵 曾德智 單位：西南石油大學(xué)
