钻井与完井工程课程案例教学论文
摘要：案例教学是理论与实践相结合的互动式教学模式，针对钻井与完井工程课程的特点，引入案例教学方法来丰富钻井与完井工程课程的传统教学模式。解释了案例教学的基本定义和科学内涵，分析了案例教学应用于工科教学的现状；分析了钻井与完井工程课程的特点及教学现状，指出了应用案例教学的必要性，探讨了案例教学的实施方式，并展望了案例教学的实施成效，对深化钻井与完井工程课程教改具有一定的指导作用。
关键词：案例教学；教学模式；教学改革；课程改革；钻井与完井工程
一案例教学的定义和科学内涵
案例教学是一种开放式、互动式的新型教学方式。在案例教学中，所使用的案例既不是编出来讲道理的故事，也不是写出来阐明事实的事例，而是为了达成明确的教学目的，基于一定的事实而编写的故事，它在用于课堂讨论和分析之后会使学生有所收获，从而提高学生分析问题和解决问题的能力[1]。目前，国家层面已经高度重视其在高等教育人才培养中的重要作用和地位。为了贯彻落实《教育部 国家发展改革委 财政部关于深化研究生教育改革的意见》（教研〔2013〕1号）和《教育部 人力资源社会保障部关于深入推进专业学位研究生培养模式改革的意见》（教研〔2013〕3号），深化专业学位研究生培养模式改革，提高培养质量，教育部于2015年5月7日出台了《教育部关于加强专业学位研究生案例教学和联合培养基地建设的意见》（教研〔2015〕1号）（简称《意见》）。《意见》将案例教学定义为：以学生为中心，以案例为基础，通过呈现案例情境，将理论与实践紧密结合，引导学生发现问题、分析问题、解决问题，从而掌握理论、形成观点、提高能力的一种教学方式（或模式）。传统教育中教师主要采取灌输方式教授知识，即学生以被动方式接受知识，这种教学方式重传授而轻参与、重理论而轻实践，高等教育学习的主体是学生，在传统教学过程中学生并未主动参与进来；而将案例教学融入到传统教育中，弥补了传统教育的不足，尤其是理论与实践结合方面，将课程理论学习与实践过程结合起来可以更加有效地引导学生发现、分析和解决问题，从而使学生掌握理论、形成观点、提高能力，应当注意：案例教学更加侧重实践，而并非传统教学中所说的实际；案例教学并不是完全取代传统教学模式，而是融入传统教育形成优势互补，从而改善教学效果、提升教学质量。
二案例教学在工程科学的应用现状
（一）案例教学的作用和功能
刘刚认为案例教学的作用机制包括：知识来源扩大机制、学习内容优化机制、学习效果改善机制[2]；郑淑芬认为案例教学有助于培养学生的创新意识，有利于提高学生分析和解决问题的能力，有利于促使学生学会学习，还有助于提高学生与人沟通、合作的能力[3]；黄辉认为案例教学能够磨练心智，培养能力，拓展视野，并使其掌握更多的方法[4]；丰晓萌认为案例教学可以更好的激发学习兴趣，可以使学生明确学习目的，还可以提高教师教学水平[5]；总的来看，案例教学可以在很大程度上激发学生自主学习的兴趣和热情，可以理论联系实际并锻炼学生解决实际问题的能力，达到改善教学效果的目的。
（二）案例教学在工程科学课程教学中的应用探索
近年来，一些工程科学、自然科学学科开始探索案例教学新模式，肖细元探索了案例教学在《大气污染控制工程》课程中的应用[6]；李杰研究了案例教学法在《机械制造基础》课程教学中的应用[7]；郭锋等探讨了案例教学在工程研究生课程《现代材料分析方法》的应用[8]；王永生探索了工程科研案例在本科生课堂教学中的应用[9]；安蓉和王梅提出以解决实际工程问题的案例来改善教学[10]；杨佩娟提出在《生态工程的基本原理》课程中应用案例教学模式[11]；总体来看，案例教学并未在工程科学课程教学得到推广，目前主要处于应用探索阶段，而且仅在非常有限的工程科学课程中进行了探索。
（三）案例教学的改革与创新
案例教学的改革与创新方面的研究成果非常丰富，但大都集中于经济、管理、商业等社会科学学科。例如，王应密和张乐平分析了全日制工程硕士案例教学资源库建设相关问题，还指出了案例教学应用应该注意的相关问题[12]；郑淑芬认为教师仍然是案例教学的重要基础，教师要把握好精选教学案例、积极的课堂引导和多元的评价考核3个环节，还要处理好学生学习与教师教学的关系、理论知识传授与案例教学的关系、认知活动和非认知活动的关系[1]。经过梳理不难发现，目前关于案例教学在高等教育中应用的相关研究非常丰富，但基本上属于经济、管理、商业等社会科学学科，其在自然科学和工程科学学科的应用非常罕见，其在石油工程相关课程的应用更是鲜见报道。将案例教学应用于工程科学课程教学，将面临如下主要问题：（1）准确认识案例教学的功能和作用，明确实施案例教学的必要性，这是实施案例教学的基础；（2）案例教学与传统教学的融合问题，即合理的实施方式，如何将案例教学融入到传统教学中，毕竟教学过程中不能独立开设课程；（3）案例教学资源库的建设问题，良好的教学资源库是案例教学的关键基础，没有丰富的、适宜的案例素材，案例教学难以有效实施，事实上，这是案例教学的基本载体，也是限制案例教学在工程科学课程教学中应用的主要因素；（4）教学效果的后评估、改进、完善与推广。在教育部出台的《意见》中明确了在专业学位研究生培养中推广案例教学的任务，事实上，大学本科生毕业后再工作岗位承担了更多的实践类工作和任务，因此，高校培养的更多的本科学生也应该加强案例教学的推广，通过案例教学弥补学生课堂理论学习与实践脱节的不足。
三课程特征及实施案例教学的必要性
（一）课程特点及教学业绩
《钻井与完井工程》课程是西南石油大学石油工程专业本科生核心主干课程，课程全部学时为56学时，其中课堂教学50学时，实践教学6学时。课堂教学内容主要包括井身结构设计、钻井液、钻井液工艺技术、岩石与钻头、钻井工艺技术、井控技术、井眼轨迹测量与控制技术、固井、完井方法以及储层保护技术、环境保护及HSE等。课程立足于转变教育思想，更新教育观念，同时与石油工程专业人才培养目标和模式、教学方法和教学手段现代化的改革同步，为学生提供较宽的知识基础和再学习环境，培养学生在工程平台上解决问题的能力[13]。为了实现该目标，与该课程配套的教学环节有实习、开放实验和工程设计，相应的配套教材有《钻井与完井工程生产实习指导书》、《钻井与完井工程开放实验指导书》和《钻井与完井工程设计》。通过多年来的教学与实践，现有的《钻井与完井工程》课程内容不断更新，在强调应用基础理论、设计理论与方法的同时，重点突出理论联系实际，适当介绍油气井工程方向的最新工程技术。课程注重内容的基础性、系统性、完整性和实用性，便于引导式教学和学生自学，从而形成了现在较为合理的课程体系、教学方法和教学效果监测和评价体系，也取得了较好的效果。2004年《钻井与完井工程》被评为首批国家级精品课程，自2012年起实施了校级、省级和国家级精品资源共享课的立项建设，2016年获全国首批“国家级精品资源共享课”称号。
（二）实施案例教学的必要性
《钻井与完井工程》课程是一门实践性极强的工程科学课程，课程学习中涉及大量非常重要的工程实践类理论和方法，例如，井身结构设计、水力参数设计、钻柱设计与校核、套管柱强度设计与校核、井控设计与实施、井眼轨迹设计与控制等，这些内容也是该课程教学的重点和难点。传统的教学方法主要采用灌输式教学模式，尽管课程配套有实习、开放实验和工程设计等结合实际的环节，但这些环节与课程学习往往需要学生课后独立完成，而且与理论学习存在一定程度的脱节现象，使得学生对于关键理论的掌握深度不够，学生很难独立开展工程设计或设计质量不高，迫切需要改进或弥补传统教学方法存在的短板。依托国家级精品资源共享课建设项目，已经引进网络课堂、MOOC、虚拟仿真实验教学、微课等形式多样的新型教育模式进行课程改革，但是，这些新型的模式并未完全解决课程理论学习与实践结合的问题；同时，《钻井与完井工程》是国家级精品资源共享课程，也有必要进一步丰富现有的教学手段和方法，使其始终保持在全国的领先地位。为此，提出引入案例教学方法，以工程实际案例为载体，通过整合和利用虚拟仿真实验教学平台、MOOC和微课等手段进行工程设计、施工案例情境的重现，将《钻井与完井工程》课程中的理论知识与工程实践紧密结合，激发学生浓厚的学习兴趣，与传统教学模式形成互补。在建立了系统的案例教学方法并构建了完备的案例教学库之后，可以将案例教学库与网络课堂、MOOC、虚拟仿真实验教学、微课等有机结合，采用多种形式将《钻井与完井工程》的工艺原理展示给学生，有利于学生更加直观、更加清晰、更加明确地掌握相关知识，最终达到改善教学质量和教学效果的目的。
四课程案例教学实施方式探讨
（一）案例选择
实施案例教学成功与否的关键，很大程度上取决于所挑选案例的数量和质量是否能满足课程学习的需要[14]。《钻井与完井工程》课程涉及诸多设计与控制方面的实践内容，相关的实际工程案例也很多，但并不是每一个案例都适合课程教学。教学案例不仅要符合目标的要求，而且要结构严谨，具有可质疑性和思考性[14]。为了能够成功实施案例教学，首先，必须根据课程特点精心设计、挑选和收集案例素材；其次，应注意案例是否具有代表性，主题是否鲜明突出，是否有重要意义；再次，判断案例的难度是否适中，由于实际工程案例往往非常复杂，过于复杂的案例会超出学生的知识水平以及能力范围，也会打击学生的自信心和学习兴趣；最后，确定案例所涉及的情景是否有综合性[14]。《钻井与完井工程》是一门系统的工程科学课程，具备相互联系的完备框架体系，案例的选择应结合实际情况尽可能多的涉及关键的知识点，以引导学生学以致用（发现问题、分析问题、解决问题），从而掌握理论、形成观点、提高能力。
（二）案例整理与案例库建设
选择恰当的案例后，不能直接将其应用于实际课程教学，而是需要精心设计、加工整理和归类，以形成教学案例库。在《钻井与完井工程》课程教学中，根据课程特点、教学目的、教学形式和案例内容，可将案例归类为如下几种类型。1.讲解式案例：教师在课堂教学中为说明某一概念、模型、方法或实际问题而使用的案例。例如，为了讲解井身结构设计理论依据，可以采用讲解式案例，在课堂上讲评或演示给定孔隙压力和破裂压力剖面下如何才能成功钻达目的层，还可以在这一过程中恰当地穿插课堂互动，以加深学生对该知识点的掌握。2.讨论式案例：为了巩固学生对重难点的学习效果并检验学生水平而使用的案例。例如，讲解溢流压井方法时，可以给定一口比较复杂的溢流井案例，将学生分组进行讨论给出决策方案进行处理，不同学生会采用不同的压井方法（循环法、司钻法和工程师法），这样就能得到不同的结果。讨论式案例适宜选择有一定的针对性和难度并且有不同意见和结论的案例，假设案例过于简单则不会引起争论，会导致学生会失去兴趣；假设案例过于复杂则会超出学生的知识水平以及能力范围，会打击学生的自信心和学习兴趣；因此，具有多样性、结果复杂且难度适中的案例，价值越高。3.基于虚拟仿真平台的互动式案例：为了完成真实实验不具备或难以完成的实验教学任务，西南石油大学已经建立起了一套较为系统的虚拟仿真实验教学体系和功能较为齐全、规模初具的油气开发虚拟仿真实验教学中心，该中心在人才培养、科学研究中扮演着重要角色。通过借鉴先进的教学平台开展互动式案例教学，不仅可以让学生实时或离线观摩教授或工程师进行工程实践，还可以让学生在平台上进行模拟实战，该平台可以满足学生单机或网络实践的多重需求。对于《钻井与完井工程》课程，可以采用虚拟仿真中心的钻井工艺放在模拟系统、交互和漫游式井控虚拟系统、钻井工程设计与分析虚拟现实系统3套系统进行互动式案例教学，可以满足观摩式和实战式教学的双重需求，网络在线功能还能满足学生课余自主学习与探索的需求，有助于培养学生的动手能力和创新精神。
（三）案例导入
案例的导入的模式有很多，如案例设疑法、案例比较法、案例讨论法、演示观摩法、严肃游戏互动法、问题导入法、故事导入法、多媒体导入法等等[14]。根据《钻井与完井工程》课程特点，主要针对井身结构设计、水力参数设计、钻柱设计与校核、套管柱强度设计与校核、井控设计与实施、井眼轨迹设计与控制等几方面建设案例库，这些案例的导入主要采用案例设疑法、案例比较法、案例讨论法、演示观摩法、严肃游戏互动法进行案例导入。一方面可以采用多媒体教学等相对传统的载体，另一方面可以配合网络课堂、MOOC、微课、虚拟仿真平台等形式多样的新型载体。案例的导入不仅仅只是用于课堂教学，还可以满足学生课余自主预习、学习和创新的需求。
五课程案例教学实施成效展望
案例教学可以作为学生实践教学的重要组成部分，通过应用讲解式案例、讨论式案例和基于虚拟仿真平台的互动式案例，利用虚拟仿真平台构建的互动式钻井与完井“作业现场”，可以使学生感性地理解课程中涉及的研究对象、内容以及理论应用场所，通过学生的互动式参与，激发学生主动学习和探索的热情，培养创新能力，提高教、学效率和效果，其应用成效大致如下：1.有助于加强钻井与完井工程课程理论与实践的结合，学生可将学到的理论在案例教学中进行实践，培养学生真正消化和掌握所学知识，激发学生学习的兴趣，提高学以致用及理论联系实际的能力。例如，对抽象的定向钻井知识，可在平台提供的虚拟三维地下空间场景下，进行“钻定向井”作业，直观地展示井眼的空间形状、钻井过程及井眼形状、工具等对工程的限制等，帮助学生将所学理论知识联系到工程实际。2.有助于激发学生主动学习和科学研究的兴趣，感兴趣的学生可以在课堂和课余自主学习相应的案例，对有潜力的本科生或研究生，可以为他们自动设计和提供钻完井工程设备和工艺改进以及新技术应用方面的课外科技课题，从而培养学生的创新能力、独立分析和解决工程实际问题的能力。3.有助于学生在专业课程学习期间更好地完成“认识实践”，利用虚拟仿真平台展示钻完井工程作业的地面现场环境、井筒和地下环境的动态虚拟漫游及三维实时动画，让学生全面的认识现场作业环境、主要设备用途及主要的工艺流程等，使学生获得感性认识，了解“学以致用”的场所和目标，培养学生的工程意识，为专业课程的教与学奠定基础。4.有助于学生在专业课程学习后更好地完成“生产实习”，学生可利用虚拟仿真平台，进行全面、系统的实践技能训练，以弥补长期以来生产实习中无法上钻台、无法在钻采现场动手实际操作的不足，帮助其更好地完成“生产实习”。
作者：马天寿 付建红 郭昭学 石晓兵 曾德智 单位：西南石油大学
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