基于可視化實驗的油藏數(shù)值模擬5E教學(xué)模式實踐與認(rèn)識

劉永革 姚傳進(jìn) 付帥師 孫曉飛

摘要：針對當(dāng)前油藏數(shù)值模擬課程理論性強(qiáng)、直觀性差、學(xué)生接受度較差的問題，基于可視化實驗方法提出了針對油藏數(shù)值模擬課程的5E教學(xué)模式實施方案。首先在引入階段結(jié)合目前油田的開發(fā)現(xiàn)狀引出油藏數(shù)值模擬的必要性，并在探究階段介紹可視化實驗流程及其實驗結(jié)果并讓學(xué)生展開討論，然后在解釋環(huán)節(jié)對數(shù)值模擬模型進(jìn)行詳解，并在修飾環(huán)節(jié)通過可視化實驗與數(shù)值模擬結(jié)果的相互對照加深學(xué)生對油藏數(shù)值模擬的理解，最后在評價環(huán)節(jié)進(jìn)行師生互評。結(jié)果表明，將5E教學(xué)模式應(yīng)用在油藏數(shù)值模擬課程中可有效改善課堂的趣味性和接受度，大幅提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

關(guān)鍵詞：5E教學(xué)模式;可視化實驗;油藏數(shù)值模擬;理論課程

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0388-03

一、引言

油藏數(shù)值模擬是石油工程專業(yè)學(xué)生由基礎(chǔ)理論向高階應(yīng)用過渡的核心課程之一，其內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)、地質(zhì)、油藏等多個學(xué)科，具有理論性強(qiáng)、邏輯性嚴(yán)密、公式多、學(xué)習(xí)難度大等特點[1，2]。課程以理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)模型為主，因而在目前實際的教學(xué)工作中，傳統(tǒng)的授課方式容易造成課堂氛圍沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差等問題[3]。近年來，5E教學(xué)模式在國內(nèi)眾多高校成功實施并在改善課堂教學(xué)效果方面展現(xiàn)了極大的潛力[4]，同時隨著國家級實驗教學(xué)示范中心“石油工程實驗教學(xué)中心”的建成，可視化物理模擬實驗手段日趨成熟。為此，筆者將可視化實驗與5E教學(xué)模式相結(jié)合，探索了一套基于可視化實驗的油藏數(shù)值模擬5E教學(xué)模式，并在教學(xué)過程中極大提升了學(xué)生的課堂參與度和積極性。該教學(xué)模式在相似理論課程的教學(xué)工作中具有借鑒和推廣價值。

二、5E教學(xué)模式的必要性

5E教學(xué)模式是20世紀(jì)80年代起在美國生物學(xué)課程研究所（BSCS）的教學(xué)體系中開始實施的一種教學(xué)模式，主要包括引入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、修飾（Elaboration）和評價（Evaluation）五個階段[5]。對于理工學(xué)科而言，“引入”是對問題的來源或現(xiàn)實生活中的工程實例進(jìn)行講授，讓學(xué)生了解對應(yīng)科學(xué)問題的初衷;“探究”是給學(xué)生一定的時間收集資料或?qū)λ芯康膯栴}進(jìn)行討論，該過程可增加學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的參與性;“解釋”則是教師在學(xué)生探究的基礎(chǔ)上有目的性地給出知識點的詳解;“修飾”是對學(xué)習(xí)的內(nèi)容如何應(yīng)用進(jìn)行舉例說明;“評價”主要為師生互評，用以反饋方法的實施效果以及后續(xù)的改進(jìn)[6，7]。五個環(huán)節(jié)逐層遞進(jìn)，層次分明，且在探究和評價環(huán)節(jié)均需要學(xué)生參與，因而可大大提高學(xué)生在課堂教學(xué)中的存在感和參與感。

油藏數(shù)值模擬課程是在基礎(chǔ)滲流理論的基礎(chǔ)上建立可以反映油氣藏開發(fā)機(jī)理的數(shù)學(xué)模型，并通過計算機(jī)編程求解實現(xiàn)對油氣藏開發(fā)歷史動態(tài)的再現(xiàn)以及未來動態(tài)的預(yù)測。針對該課程采用5E教學(xué)模式主要基于以下考慮。

1.傳統(tǒng)課堂授課以教師為核心，以理論推導(dǎo)為主要課堂內(nèi)容，一定程度上忽略了該課程與室內(nèi)實驗以及礦場開發(fā)實際之間的結(jié)合（5E教學(xué)模式中的引入環(huán)節(jié)），因而課堂氛圍沉悶，授課教師很難全程吸引學(xué)生的注意力。

2.由于學(xué)生缺少礦場實踐經(jīng)驗，因而對課程中所涉及的油氣藏工程問題僅能通過想象進(jìn)行理解，容易出現(xiàn)認(rèn)識偏差。5E教學(xué)模式中的探究環(huán)節(jié)采用小組討論的形式開展，可以讓學(xué)生對滲流問題進(jìn)行彼此交流，加深理解的同時暴露出共性問題，使得授課教師在后續(xù)的解釋和修飾環(huán)節(jié)中有的放矢，針對重點問題組織授課，提高教學(xué)效果。

3.油藏數(shù)值模擬的研究對象為深埋在地下幾百米甚至幾千米的油氣藏，看不見摸不著。近年來，為了豐富本科教學(xué)手段，將工程問題直觀化、可視化，中國石油大學(xué)（華東）建成了國家級實驗教學(xué)示范中心“石油工程實驗教學(xué)中心”，其中相當(dāng)一批可視化物理模擬實驗如核磁共振成像系統(tǒng)（圖1a）和可視化平板模型監(jiān)測系統(tǒng)（圖1b）等已具備應(yīng)用于教學(xué)實踐的條件。面向本科開授的油藏數(shù)值模擬課程中涉及的滲流問題多為常規(guī)水驅(qū)以及油田中普遍采用的化學(xué)驅(qū)等，相關(guān)實驗設(shè)備和流程均已完備，實驗結(jié)果可直接應(yīng)用于5E教學(xué)模式中的探究和修飾環(huán)節(jié)，從而大大提高學(xué)生對于所學(xué)油氣滲流問題的理解。

三、5E教學(xué)模式的實施

為了提高油藏數(shù)值模擬課程的教學(xué)效果，在2017—2018年度第二學(xué)期對石油工程專業(yè)的兩個班級共計62名學(xué)生率先開展了教學(xué)試點。課程包含24學(xué)時，每個學(xué)時100分鐘，課堂的前10分鐘用于上堂課程的內(nèi)容回顧，剩余90分鐘用于5E教學(xué)法的開展，包括引入階段約10分鐘，探究階段約20分鐘，解釋階段約30分鐘，修飾環(huán)節(jié)約25分鐘，評價環(huán)節(jié)約5分鐘。下面以水驅(qū)部分的教學(xué)為例解釋具體實施過程。

1.引入階段作為5E教學(xué)模式的第一個環(huán)節(jié)，是后續(xù)環(huán)節(jié)順利開展的前提，也是抓住學(xué)生注意力的關(guān)鍵一環(huán)。該環(huán)節(jié)需要授課教師在課前進(jìn)行廣泛的調(diào)研工作，收集礦場水驅(qū)實施的照片、錄像等資料并制作在授課多媒體中，通過文字或口頭描述與多媒體資料相結(jié)合的方式讓學(xué)生了解所要研究的驅(qū)替方式對應(yīng)的工程背景。

2.在探究階段，授課教師將引入階段所介紹的礦場應(yīng)用情況引申到室內(nèi)實驗，講授可視化實驗在工程問題研究中的意義，同時簡要介紹實驗儀器、步驟以及難點等。由于油藏數(shù)值模擬課程面向大四學(xué)生開設(shè)，學(xué)生在大二和大三已經(jīng)學(xué)習(xí)過大學(xué)物理實驗，因而學(xué)生對于可視化實驗的目的、流程等可以很快接受。

3.在解釋階段，授課教師循序漸進(jìn)地給出所研究問題即水驅(qū)的數(shù)值模擬模型，此過程難點較多且以數(shù)學(xué)推導(dǎo)為主，因而應(yīng)從探究階段學(xué)生的表現(xiàn)以及所反映出的共性問題著手，將可視化實驗現(xiàn)象中所蘊(yùn)含的滲流機(jī)理轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，增加學(xué)生的接受程度。

4.在修飾階段，授課教師需要給出所建立的數(shù)值模擬模型的求解方法及結(jié)果（圖3），該過程需與探究階段引入的可視化實驗以及解釋階段的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，通過數(shù)值模擬結(jié)果與可視化實驗結(jié)果的相互對照加深學(xué)生對于模擬仿真的認(rèn)識和理解，同時授課教師可結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果對解釋環(huán)節(jié)中的重點、難點進(jìn)一步進(jìn)行解釋，鞏固學(xué)生對知識點的理解和認(rèn)識。

5.評價階段主要采用師生互評的方式。授課教師可首先對學(xué)生在課堂的表現(xiàn)進(jìn)行評價。學(xué)生對授課教師的評價可采用口頭評價和無記名評價相結(jié)合的形式，首先鼓勵學(xué)生對授課內(nèi)容和形式進(jìn)行口頭評價，提出對于課程的意見以及對于今后課程講授的建議。

四、5E教學(xué)模式的實施心得與體會

對于授課教師而言，五個環(huán)節(jié)彼此之間并非孤立，前后環(huán)節(jié)的邏輯關(guān)系以及銜接至關(guān)重要，因而課前授課教師需要梳理好各個環(huán)節(jié)的實施細(xì)節(jié)，做到各環(huán)節(jié)的平穩(wěn)過渡。同時，與傳統(tǒng)教學(xué)模式一成不變的教學(xué)內(nèi)容不同，授課教師應(yīng)注意把握探究環(huán)節(jié)中學(xué)生表現(xiàn)出的共性問題，進(jìn)而在后續(xù)的解釋和修飾環(huán)節(jié)中做到有的放矢，隨時微調(diào)課堂內(nèi)容和節(jié)奏，這也對授課教師的教學(xué)基本功提出了更高的要求。此外，引入環(huán)節(jié)和修飾環(huán)節(jié)均要求授課教師進(jìn)行大量的調(diào)研，盡可能多收集圖片、錄像等多媒體資料，探究環(huán)節(jié)中的可視化實驗的流程搭建以及實驗的開展無疑也會耗費大量的時間，因而5E教學(xué)模式中教學(xué)素材的準(zhǔn)備對部分教學(xué)任務(wù)較重的教師也是一種負(fù)擔(dān)和挑戰(zhàn)。

對于學(xué)生而言，5E教學(xué)模式是一種全新的上課體驗，在課堂中需要化被動為主動，積極參與討論，及時將對授課方式的建議和意見反饋給授課教師，同時，5E教學(xué)模式在教科書理論知識的基礎(chǔ)上加入了與礦場以及室內(nèi)實驗相結(jié)合的實例部分，這些知識的掌握也需要學(xué)生在課后拿出一定的時間進(jìn)行消化吸收。

五、結(jié)語

本文闡述了5E教學(xué)模式在油藏數(shù)值模擬課程中的應(yīng)用，針對目前傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的問題分析了5E教學(xué)模式的必要性以及具體的實施過程。該模式將授課過程分解為環(huán)環(huán)相扣的五個階段，并在探究階段引入可視化實驗，通過實驗照片和錄像等多媒體資料啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行滲流機(jī)理及相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的思考和討論，在修飾環(huán)節(jié)通過可視化實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相對照的形式加深學(xué)生對于數(shù)值模擬模型的理解和認(rèn)識。5E教學(xué)模式是對網(wǎng)絡(luò)時代理論課程教學(xué)的一次有益嘗試，實施結(jié)果表明該模式相比于傳統(tǒng)教學(xué)模式可大大提高學(xué)生的參與度和積極性，其在油藏數(shù)值模擬課程中的成功實施對于相似理論課程的教學(xué)改革具有一定推廣和借鑒價值。

參考文獻(xiàn)：

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[7]劉欣顏，麥紀(jì)青，劉恩山.運用5E教學(xué)模式發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)—聚焦生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)取向[J].教育導(dǎo)刊，2017， （06）：48-53.

Application of 5E Teaching Model of Reservoir Numerical Simulation Based

on Visualization Experiments

LIU Yong-ge， YAO Chuan-jin， FU Shuai-shi， SUN Xiao-fei

（College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum 〔East China〕，

Qingdao， Shandong 266580， China）

Abstract： Aiming at the problems of the current Reservoir Numerical Simulation course with very theoretical contents， poor intuition， and poor student acceptance， a 5E teaching model implementation plan for Reservoir Numerical Simulation course is proposed based on the visual experiment method. At the introduction stage， the necessity of numerical simulation in the petroleum industry is introduced in conjunction with the current development status of the oil field. Then the workflow of the experiment is shown at the exploration stage and students are encouraged to discuss about the experiment. The teacher organizes the teaching contents at the explanation stage， and emphasizes the knowledge by comparison of numerical and experimental results at the elaboration stage. Finally， students and teacher evaluate each other. The results show that the application of the 5E teaching model in Reservoir Numerical Simulation course can significantly improve the fun and acceptance of the classroom， the learning initiative of students and teaching effect.

Key words： 5E teaching model; visualization experiments; Reservoir Numerical Simulation; theoretical course

收稿日期：2020-03-13

基金項目：2018年中國石油大學(xué)（華東）青年教師教學(xué)改革項目“基于5E理論的滲流力學(xué)教學(xué)模式改革與實踐”（編號：QN201805）;2018年中國石油大學(xué)（華東）青年教師教學(xué)改革項目“基于BOPPPS框架的科研資源輔助教學(xué)模式研究與實踐—以《滲流力學(xué)》（雙語）課程為例”（編號：QN201802）;2018年中國石油大學(xué)（華東）青年教師教學(xué)改革項目“石油工程微流控創(chuàng)新實驗平臺的構(gòu)建與實踐”（編號：QN201803）;2018年中國石油大學(xué)（華東）青年教師教學(xué)改革項目“交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試系統(tǒng)建設(shè)與對分課堂教學(xué)實踐”（編號：JY-B201812）

作者簡介：劉永革（1987-），男（漢族），山東兗州人，博士，副教授，研究方向：油藏數(shù)值模擬。