基于可视化实验的油藏数值模拟5E教学模式实践与认识

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　　摘要：针对当前油藏数值模拟课程理论性强、直观性差、学生接受度较差的问题，基于可视化实验方法提出了针对油藏数值模拟课程的5E教学模式实施方案。首先在引入阶段结合目前油田的开发现状引出油藏数值模拟的必要性，并在探究阶段介绍可视化实验流程及其实验结果并让学生展开讨论，然后在解释环节对数值模拟模型进行详解，并在修饰环节通过可视化实验与数值模拟结果的相互对照加深学生对油藏数值模拟的理解，最后在评价环节进行师生互评。结果表明，将5E教学模式应用在油藏数值模拟课程中可有效改善课堂的趣味性和接受度，大幅提高学生的学习积极性。
　　关键词：5E教学模式;可视化实验;油藏数值模拟;理论课程
　　中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）22-0388-03
　　一、引言
　　油藏数值模拟是石油工程专业学生由基础理论向高阶应用过渡的核心课程之一，其内容涉及数学、物理、力学、地质、油藏等多个学科，具有理论性强、逻辑性严密、公式多、学习难度大等特点[1，2]。課程以理论推导和数学模型为主，因而在目前实际的教学工作中，传统的授课方式容易造成课堂氛围沉闷，学生学习积极性差等问题[3]。近年来，5E教学模式在国内众多高校成功实施并在改善课堂教学效果方面展现了极大的潜力[4]，同时随着国家级实验教学示范中心“石油工程实验教学中心”的建成，可视化物理模拟实验手段日趋成熟。为此，笔者将可视化实验与5E教学模式相结合，探索了一套基于可视化实验的油藏数值模拟5E教学模式，并在教学过程中极大提升了学生的课堂参与度和积极性。该教学模式在相似理论课程的教学工作中具有借鉴和推广价值。
　　二、5E教学模式的必要性
　　5E教学模式是20世纪80年代起在美国生物学课程研究所（BSCS）的教学体系中开始实施的一种教学模式，主要包括引入（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、修饰（Elaboration）和评价（Evaluation）五个阶段[5]。对于理工学科而言，“引入”是对问题的来源或现实生活中的工程实例进行讲授，让学生了解对应科学问题的初衷;“探究”是给学生一定的时间收集资料或对所研究的问题进行讨论，该过程可增加学生在学习过程中的参与性;“解释”则是教师在学生探究的基础上有目的性地给出知识点的详解;“修饰”是对学习的内容如何应用进行举例说明;“评价”主要为师生互评，用以反馈方法的实施效果以及后续的改进[6，7]。五个环节逐层递进，层次分明，且在探究和评价环节均需要学生参与，因而可大大提高学生在课堂教学中的存在感和参与感。
　　油藏数值模拟课程是在基础渗流理论的基础上建立可以反映油气藏开发机理的数学模型，并通过计算机编程求解实现对油气藏开发历史动态的再现以及未来动态的预测。针对该课程采用5E教学模式主要基于以下考虑。
　　1.传统课堂授课以教师为核心，以理论推导为主要课堂内容，一定程度上忽略了该课程与室内实验以及矿场开发实际之间的结合（5E教学模式中的引入环节），因而课堂氛围沉闷，授课教师很难全程吸引学生的注意力。
　　2.由于学生缺少矿场实践经验，因而对课程中所涉及的油气藏工程问题仅能通过想象进行理解，容易出现认识偏差。5E教学模式中的探究环节采用小组讨论的形式开展，可以让学生对渗流问题进行彼此交流，加深理解的同时暴露出共性问题，使得授课教师在后续的解释和修饰环节中有的放矢，针对重点问题组织授课，提高教学效果。
　　3.油藏数值模拟的研究对象为深埋在地下几百米甚至几千米的油气藏，看不见摸不着。近年来，为了丰富本科教学手段，将工程问题直观化、可视化，中国石油大学（华东）建成了国家级实验教学示范中心“石油工程实验教学中心”，其中相当一批可视化物理模拟实验如核磁共振成像系统（图1a）和可视化平板模型监测系统（图1b）等已具备应用于教学实践的条件。面向本科开授的油藏数值模拟课程中涉及的渗流问题多为常规水驱以及油田中普遍采用的化学驱等，相关实验设备和流程均已完备，实验结果可直接应用于5E教学模式中的探究和修饰环节，从而大大提高学生对于所学油气渗流问题的理解。
　　三、5E教学模式的实施
　　为了提高油藏数值模拟课程的教学效果，在2017—2018年度第二学期对石油工程专业的两个班级共计62名学生率先开展了教学试点。课程包含24学时，每个学时100分钟，课堂的前10分钟用于上堂课程的内容回顾，剩余90分钟用于5E教学法的开展，包括引入阶段约10分钟，探究阶段约20分钟，解释阶段约30分钟，修饰环节约25分钟，评价环节约5分钟。下面以水驱部分的教学为例解释具体实施过程。
　　1.引入阶段作为5E教学模式的第一个环节，是后续环节顺利开展的前提，也是抓住学生注意力的关键一环。该环节需要授课教师在课前进行广泛的调研工作，收集矿场水驱实施的照片、录像等资料并制作在授课多媒体中，通过文字或口头描述与多媒体资料相结合的方式让学生了解所要研究的驱替方式对应的工程背景。
　　2.在探究阶段，授课教师将引入阶段所介绍的矿场应用情况引申到室内实验，讲授可视化实验在工程问题研究中的意义，同时简要介绍实验仪器、步骤以及难点等。由于油藏数值模拟课程面向大四学生开设，学生在大二和大三已经学习过大学物理实验，因而学生对于可视化实验的目的、流程等可以很快接受。
　　3.在解释阶段，授课教师循序渐进地给出所研究问题即水驱的数值模拟模型，此过程难点较多且以数学推导为主，因而应从探究阶段学生的表现以及所反映出的共性问题着手，将可视化实验现象中所蕴含的渗流机理转化为数学模型，增加学生的接受程度。
　　4.在修饰阶段，授课教师需要给出所建立的数值模拟模型的求解方法及结果（图3），该过程需与探究阶段引入的可视化实验以及解释阶段的数学模型相结合，通过数值模拟结果与可视化实验结果的相互对照加深学生对于模拟仿真的认识和理解，同时授课教师可结合数值模拟结果对解释环节中的重点、难点进一步进行解释，巩固学生对知识点的理解和认识。 　　5.评价阶段主要采用师生互评的方式。授课教师可首先对学生在课堂的表现进行评价。学生对授课教师的评价可采用口头评价和无记名评价相结合的形式，首先鼓励学生对授课内容和形式进行口头评价，提出对于课程的意见以及对于今后课程讲授的建议。
　　四、5E教学模式的实施心得与体会
　　对于授课教师而言，五个环节彼此之间并非孤立，前后环节的逻辑关系以及衔接至关重要，因而课前授课教师需要梳理好各个环节的实施细节，做到各环节的平稳过渡。同时，与传统教学模式一成不变的教学内容不同，授课教师应注意把握探究环节中学生表现出的共性问题，进而在后续的解释和修饰环节中做到有的放矢，随时微调课堂内容和节奏，这也对授课教师的教学基本功提出了更高的要求。此外，引入环节和修饰环节均要求授课教师进行大量的调研，尽可能多收集图片、录像等多媒体资料，探究环节中的可视化实验的流程搭建以及实验的开展无疑也会耗费大量的时间，因而5E教学模式中教学素材的准备对部分教学任务较重的教师也是一种负担和挑战。
　　对于学生而言，5E教学模式是一种全新的上课体验，在课堂中需要化被动为主动，积极参与讨论，及时将对授课方式的建议和意见反馈给授课教师，同时，5E教学模式在教科书理论知识的基础上加入了与矿场以及室内实验相结合的实例部分，这些知识的掌握也需要学生在课后拿出一定的时间进行消化吸收。
　　五、结语
　　本文阐述了5E教学模式在油藏数值模拟课程中的应用，针对目前传统教学模式中存在的问题分析了5E教学模式的必要性以及具体的实施过程。该模式将授课过程分解为环环相扣的五个阶段，并在探究阶段引入可视化实验，通过实验照片和录像等多媒体资料启发学生进行渗流机理及相应数学模型的思考和讨论，在修饰环节通过可视化实验结果与数值模拟结果相对照的形式加深学生对于数值模拟模型的理解和认识。5E教学模式是对网络时代理论课程教学的一次有益尝试，实施结果表明该模式相比于传统教学模式可大大提高学生的参与度和积极性，其在油藏数值模拟课程中的成功实施对于相似理论课程的教学改革具有一定推广和借鉴价值。
　　参考文献：
　　[1]李淑霞.油藏数值模拟基础[M].东营：中国石油大学出版社，2009.
　　[2]陈朝晖，连运晓.“油藏数值模拟原理”兴趣激发式教学方法研究[J].石油教育，2016，（6）：29-31.
　　[3]涂彬，刘月田.全日制专业硕士《油藏数值模拟》课程教学改革研究[J].教育教学论坛，2013，（13）：32-33.
　　[4]刘长灿.运用5E教学模式培养实验探究能力—以“探究机械能守恒定律”为例[J].物理之友，2019，35（04）：29-31.
　　[5]王健，李秀菊.5E教学模式的内涵及其对我国理科教育的启示[J].生物学通报，2012，47（03）：39-42.
　　[6]袁维新.“5E”教学模式及其在生物学教学中的运用[J].生物学教学，2004，（05）：10-11.
　　[7]刘欣颜，麦纪青，刘恩山.运用5E教学模式发展学生的核心素养—聚焦生物学核心素养的教学取向[J].教育导刊，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年中国石油大学（华东）青年教师教学改革项目“基于5E理论的渗流力学教学模式改革与实践”（编号：QN201805）;2018年中国石油大学（华东）青年教师教学改革项目“基于BOPPPS框架的科研资源辅助教学模式研究与实践—以《渗流力学》（双语）课程为例”（编号：QN201802）;2018年中国石油大学（华东）青年教师教学改革项目“石油工程微流控创新实验平台的构建与实践”（编号：QN201803）;2018年中国石油大学（华东）青年教师教学改革项目“交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试系统建设与对分课堂教学实践”（编号：JY-B201812）
　　作者简介：刘永革（1987-），男（汉族），山东兖州人，博士，副教授，研究方向：油藏数值模拟。
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