油气层渗流力学课程启发式教学方法探究

［摘 要］油气层渗流力学课程是石油工程专业的核心专业基础课程。然而，该课程具有理论性强、逻辑严密、公式多且复杂的特点，学生学习难度大，教学效果不佳。因此，文章从油气层渗流理论的意识培养、强化理解和深化领悟三个方面探讨该课程启发式教学改进问题，通过引入生活案例、营造课堂教学情境、渗透前沿成果来丰富课程的教学内容和教学手段，不断激发学生的学习热情，培养学生主动思考的意识，提高课程教学效果。

［关键词］油气层渗流力学；教学方法；启发式教学；教学效果

［中图分类号］G642.4 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）12-0050-04

渗流力学是流体力学的一个重要分支，涉及内容广泛，比如有工程渗流、生物渗流、地下渗流[1]。而油气层渗流力学属于地下渗流力学的一部分，只涉及地下流体在油气层中的渗流形态和渗流规律的研究[2]。油气层渗流力学作为油气田开发与开采的理论基础，是国内外相关石油高校石油工程专业的核心专业基础课程[3]，内容涉及数学、物理、化学、力学等多个学科[4]。教学实践表明，由于该课程理论性强、逻辑严密、公式多且复杂，学生往往学习难度大，听课兴趣低，教学效果不佳。因此，如何有效提高油气层渗流力学课程的教学质量，让学生更加积极主动思考油气地下渗流问题，是当前油气层渗流力学课程教学所面临的一个重要难题。

随着教育教学改革与创新的发展，一系列激发学生学习热情的教学模式被不断提出，如研讨式、互动式、实践式、启发式、探究式、易位式、案例式、混合式、情境式、问题式等[5]。本文基于油气层渗流力学课程特点，结合石油工程专业学科背景，从启发式教学的角度对推动学生提高学习油气层渗流力学的兴趣和效果的教学方法进行了探索。

一、油气层渗流力学课程的内容特点

油气层渗流力学课程通常是将复杂的油气渗流实际问题近似处理为一维的单向流、二维的平面径向流或三维的球面向心流问题，其中，流体主要包括油、气单相和油水、油气、油气水多相。由于不考虑时间和流体压缩性的渗流数学模型更易于推导求解，因此，本科阶段的课程以单相液体稳定渗流理论学习为主。尽管该课程已对复杂实际情况进行了简化，但仍具有理论性强、逻辑严密、公式多且复杂等特点，学生往往不易理解，缺乏学习兴趣。

（一）理论性强，学生掌握难度大

油气层渗流力学课程不仅涉及石油地质、流体力学、油层物理等多门学科专业知识，比如渗透率、孔隙度、弹性压缩系数、导压系数、黏度、体积系数等物理参数概念，而且涉及高等数学、数学物理方程等求解方法，因此该课程理论性较强。除了有较多的基本概念需要学生记忆，学生还需具有较强的分析能力。以流体渗流过程中的力学分析为例，流体在岩石孔隙中的渗流是各种力的综合作用结果，通常可包括由流体重力引起的重力势能、质量引起的惯性力、黏度引起的黏滞力、岩石与流体压缩性引起的弹性力以及多相流引起的毛管力。这些力学分析是建立油气渗流数学模型的基础，比如在研究单相气体渗流时，重力势能和毛管力就可以忽略，但研究气水两相渗流时毛管力则必须考虑在内，并且还要引入含气饱和度与含水饱和度之和始终等于1的附加条件。

（二）逻辑严密，学生理解能力不足

比如重庆科技大学本科教学采用张建国等人编制的《油气层渗流力学》[1]教材，主要包括渗流的基本概念和基本规律、油气渗流的数学模型、单相液体稳定渗流理论、弹性微可压缩液体的不稳定渗流、气体渗流理论、油水两相渗流理论、油气两相渗流理论、双重介质渗流、复杂渗流理论简介共九章。初次学习该课程的学生因缺少渗流理论基础而理解能力不足，难以建立起各章节间的逻辑关系。因此，明确各章节间的逻辑关系是学生学习该课程的重要前提。油气渗流过程通常十分复杂，按储层类型可分为单重介质、双重介质、三重介质，按流体类型可分为单相流体和多相流体，按是否考虑时间影响可分为稳态流和非稳态流，目前常采用“储层类型+流体类型+时间”的组合方式来描述不同条件下的流体渗流过程。以教材为例，前两章分别从渗流理论和数学模型进行总体概述，第三章到第五章介绍单相油和单相气的稳定渗流和不稳定渗流（流体类型+时间），第六章和第七章则介绍油水、油气两相的稳定渗流与不稳定渗流（流体类型+时间）。尽管第三章至第七章未提到单重介质模型，但实际上是研究与第八章双重介质模型相对应的单重介质模型。第九章介绍了更加复杂的渗流情况，如非牛顿流体渗流、非等温渗流，这些特殊的渗流方式主要与现在油气田开发工艺有关，目前不作为本科阶段的学习任务。

（三）公式多且复杂，学生学习兴趣低

油气渗流规律常采用油气渗流力学模型进行描述。数学模型的一般结构包括运动方程、状态方程、质量守恒方程（或连续性方程）、能量方程、其他附加的特征方程（如扩散方程等）、有关的边界条件和初始条件。在建立数学模型的过程中，主要有七大步骤：确定建立模型的目的和要求、研究各物理量的条件和情况、确定未知量和其他物理量直接的关系、推导数学模型所需的综合微分方程组、分析数学模型的量纲、确定数学模型的适定性、给出问题的边界条件和初始条件。不同的流体渗流过程构建出的数学模型类型也不同。本科阶段尽管以单相液体（油）渗流研究为主，但根据是否考虑时间和岩石、流体压缩性的影响，还可分为单相液体稳定渗流和弹性微可压缩液体不稳定渗流两大类数学模型。其中，单相液体稳定渗流根据渗流方式、边界效应、多井同时工作等不同情况，还可进一步建立单向流、平面径向流、球面向心流、等产量一源一汇、等产量两汇、直线供给边缘附近一口生产井的反映（汇源反映法）、直线不渗透边界附近一口生产井的反映（汇点反映法）、多排井渗流等一系列渗流数学模型。由于影响因素不同，油气渗流数学模型具有类型多、求解难度大且解的结构复杂等特征，使得学生学习的难度大、兴趣低。

二、油气层渗流力学课程的启发式教学探究

启发式教学是教师根据特定的教学目的、教材特点和学生实际情况，选取相应的启发因素进行逻辑组合的一种教学方法[6]。它可促使学生带着比较强的主动性参与问题的思考，而不仅仅是被动接受知识。因此，本文结合油气层渗流力学特点，基于启发式教学方法从油气层渗流理论的意识培养、强化理解和深化领悟三大方面进行该课程的教学方法改革探究。

（一）引入生活案例，培养渗流理论感性认识

油气层渗流力学这门课程主要研究地下流体渗流规律，有些概念较为抽象，学生不易理解。因此，将生活案例引入具体的教学活动当中，引导学生积极思考，可以帮助学生更好地理解相关的课程内容和培养相关感性认识。以“多孔介质”为例，它是贯穿油气层渗流力学这门课程始终的重要概念，课本将其定义为由毛细管体或微毛细管结构组成的固体介质[1]。初次接触该课程的学生，很难将抽象的地下固体介质与毛细管体系组合起来，但如果将其与富含多孔的面包做类比，学生很快就会对多孔介质有了感性认识。又如在讲授“等压线”时，可与初中地理上讲的“等高线”相比较；讲授“两相渗流”时，可将其与输液管中含有气泡的情况相比较。通过巧妙引入一些生活案例对学生进行思维启发，将抽象的地下概念转化为学生已有的生活常识或知识概念，在此基础上进行科学解释，可使学生更易理解，提高听课兴趣。

（二）营造课堂教学情境，强化渗流理论理解

“好的先生不是教书，不是教学生，乃是教学生学。”传统的授课方式以教师讲、学生听为主，但实践表明，学生学习的注意力会随着上课时长的增加而下降，在课堂中后期可能有部分学生出现注意力不集中、困倦等情况。此外，大学开设的课程比较多，不像高中有着严格的课后管理制度，部分学生不会主动复习，在学习课程后面内容时会出现前面的知识点已经遗忘的情况。因此，可通过营造丰富的课堂教学情境来调动学生听课的积极性，强化学生对渗流理论的理解。

1.设问启发法

不愤不启，不悱不发。针对课程的重难点内容，可通过设置带有启发性质的提问，促使学生思考，主动参与课堂学习，而不只是知识的接收器。比如在讲达西公式时，由于学生很容易将公式中的负号遗忘，因此，在分析达西规律时，可通过设置问题“随着渗流方向距离的加大，压力是如何变化的？”来引导学生理解负号产生的原因，引起学生对模型中数学符号的重视，让学生即便时间久了记不清，也可通过自己的分析找出正确的符号表达方式。

2.反面启发法

温故知新，学思并重。课程中后期内容的学习往往涉及前面章节的知识点，此时可有意将易犯的错误展示出来，通过观察学生的反应来判断学生对该知识点的掌握情况。比如，在学习单相液体稳定渗流基本方程的解及其应用时，教师有意将质量守恒微分方程的正负号写错。若学生没反应则表明学生对该知识点已遗忘，此时可通过提醒，如“请大家查阅课本，看看这个方程是否正确？”等，引导学生发现错误。学生也可通过自己翻书查阅，进一步熟悉课本内容，加深对知识点的掌握。

3.小组讨论法

学而不思则罔，思而不学则殆。课堂时间有限往往会使学生只能跟着教师的讲课思路疲于学习，缺少充分思考、理解的过程。即便要求学生课前预习和课后复习，但由于课程的理论性强，大部分学生会因学习困难而使其后期学习兴趣下降，难以坚持下来。因此，可要求学生在班里以4～6人为一组开展小组学习，通过课下布置学习任务、课上抽查学习效果来促使小组中的成员都积极参与学习。特别是课下布置学习任务时，可围绕理论背景、建模思路、求解方法等关键环节，通过设置启发性问题，让学生主动查阅资料来寻找答案。对于课下学习仍然解决不了的问题，则可将问题难点带到课堂上相互讨论或听教师讲解来进行有针对性的学习。

4.操作启发法

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。围绕课堂内容设计一个简单的应用题，比如在讲完平面径向流的产量公式后，教师可以油田生产为背景，通过给定模型中所有参数值，让学生当堂进行代数计算；在此基础上，进一步把模型中某一关键参数值设置为一组数，如供给半径，将计算结果绘制成曲线图，通过让学生自己计算分析参数对产量的影响规律，从而帮助学生加深对公式的理解。

5.图示启发法

图像化思维是一种将抽象的概念和信息转化为具体形象的思维方式，即让思维可视化，促使学生能够更好地理解和记忆学习内容。常用的方式包括创造形象联想、制作思维导图、利用图像和图表、利用空间记忆、利用动画和视频等。如讲在低速下渗流规律时，教师可以在黑板上把油与壁面、水与壁面和气与壁面的情况分别绘制出来，通过对比分析液固、气固间微观作用机理的不同，阐明吸附膜、水化膜、气体滑脱效应的差异性。

6.演示启发法

油气层渗流力学课程通常会在讲完相关知识点后开设实验课，对理论进行验证。然而，课程实验通常课时有限，且会有一定的滞后性，无法及时解答学生在课堂理论学习中的困惑。若在理论学习之前上实验课，则学生可能会因缺乏相关理论基础而无法较好地完成实验方案设计、操作和结果分析。因此，除了开展必要的课程实验，在课堂理论学习过程中还可适当增设简单的课堂实验，通过实验现象激发学生的好奇心，进而引出背后的理论问题。以达西定律为例，可在课堂上准备注射器、细砂、碎石块、水和浆糊等物品，引导学生分别观察在注射器内无填充物时水和糨糊的射流情况，以及在注射器内分别填充细砂和碎石块后水的射流情况，带领学生一起归纳总结实验现象，升华实验结论，加深学生对达西定律的理解。

（三）渗透相关学术前沿成果，深化学生对渗流理论领悟

油气层渗流力学这门课程有大量的公式推导，为了让学生从枯燥的公式中感受到知识的力量，就要打破“照本宣科念讲稿，墨守成规搞教学”的授课模式，在课堂上围绕相关知识点适当渗透学术前沿成果，深化学生对渗流理论的领悟。

1.引入前沿研究手段，模拟油气渗流规律