石油工程水射流基础与应用课程建设与实践

石油工程水射流基础与应用课程建设与实践收稿日期：2018-11-22基金项目：中国石油大学（北京）教改项目基金，YJS2016003作者简介：王海柱（1981-），男，中国石油大学（北京）石油工程学院油气井工程国家重点学科副教授，硕导。

高压水射流技术在油气钻井提速、压裂增产、储层改造等方面具有举足轻重的作用。

尤其是近年来随着油气工程技术的快速发展，高压水射流相关技术应用领域的宽度与深度均得到了快速拓展，从高压喷射钻井提速到水力喷射压裂增产，从高压水射流冲砂洗井解除堵塞到高油气比射流增效，从油套管切割到水射流除垢除蜡，贯穿了钻井、完井、采油、增产等石油工程上游全过程，因此高压水射流相关理论与技术越来越得到重视，相应选修该门课程的学生数量也逐年增加。

为了使学生更好地掌握高压水射流技术及理论在石油工程中的应用，在本科生和研究生课程中均开设了选修课。

该门课程自开设以来一直采用高压水射流实验室的多媒体教学材料，教学内容与教学大纲较为陈旧。

《水射流基础与应用》课程是以高等流体力学为基础，以实验流体力学为手段，辅以结构设计和现场实例分析等综合性课程。

以往教学过程中发现水射流基础理论、水射流切割机理、空化与自振射流等部分不好理解，学生很难在课堂有限的时间内听懂并掌握，需要课前预习、课后复习。

然而学生通过有限篇幅的多媒体很难将复杂的公式、射流破岩理论等理解透彻，教学效果欠佳。

因此，为了进一步提高《水射流基础与应用》课程教学效果，进行了课程体系调整以及教学内容制订，同时对教学方法进行了改革，并取得了较好的效果。

研究成果将为新世纪石油工程科研与实践高素质人才培养奠定基础。

一、完善教学内容与教学大纲水射流基础与应用是本科生的选修课，主要讲述水射流基础理论、水射流切割机理、喷射系统和喷嘴、磨料水射流、空化与自振射流、脉冲和聚能射流、旋转水射流等七章内容，共计2学分，32学时，其中实验教学2学时，课堂讨论2学时。

课堂最后2学时以讲座的形式介绍水射流技术在石油工程领域的应用，拓宽学生的知识面。

随着科技的快速发展，出现了多种新型射流技术，并在相关领域得到了成功应用，因此改革后的教学内容中增设了新型射流技术与应用，主要介绍低温液氮射流技术、超临界CO 2射流技术、高温热力射流技术等，使学生对射流技术领域的最新进展有所了解。

此外，在过去几年的教学过程中，以原理讲解为主，实例较少，学生理解起来较为困难。

在大量调研和实验的基础上，对原有的七章连续高压水射流发生装置基础内容进行了更新，增加了最新的理论与发现，同时增加了大量的实例应用，通过视频、图片等流媒体形式展示，通俗易懂。

使学生在学习基础理论的同时，对现场应用有了更深的了解。

二、教学方法改革从教学实践中发现，学生对水射流技术在石油工程中的应用了解甚少，难以建立起感性认识，导致课堂教学时学生参与意识不强、大多时间是被动听讲，缺乏互动交流的基础和研讨式教学过程。

为了提高学生课堂学习的积极性，提高石油工程本科生的实践能力和创新能力，对课堂教学模式进行了改革，从原有的“填鸭式”讲解教学，转变为启发式、小组讨论教学模式，同时辅助了课堂实验，提高了教学效果。

（一）启发式教学教学属于师生双边活动，调动师生的积极性，使王海柱，田守嶒，李根生，黄中伟，盛茂，张逸群，杨睿月，李敬彬（中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249）摘要：为了进一步提升《水射流基础与应用》课程教学效果，对教学大纲和教学内容进行了修订，辅以课堂教学方法改革，提高了学生的学习积极性与参与性，与改革前相比，学生的平均成绩、优秀率、学生评教等均有明显提高。

关键词：石油工程；水射流基础与应用；课程建设；教学改革中图分类号：G642.4文献标志码：A文章编号：1674-9324（2019）41-0160-03【探索与实践】之在教学活动中发生有效互动，才能提高教学质量与效果。

本门课程主要采用悬念情境的创设方法提高学生的学习积极性。

课前进行充分的教学素材准备，如相关的动画、图片等，同时对教学内容进行精心安排，第一步讲什么、第二步讲什么都要进行精心策划，逐步引导学生，吸引学生的注意力。

以第一章水射流基础理论为例，课下需准备日常生活中常见的水射流现象及其相关工业应用图片以及动画视频，先以动画开场让学生们了解什么是水射流，在日常生活中存在哪些水射流现象，相关的工业应用有哪些。

随后提出问题：水射流是如何产生的？给学生充足的思考时间，并引导学生积极回答问题，让学生对水射流有了基本认识之后，再进行相关基础理论的讲解，以此提高教学效果。

对积极参与讨论的学生予以记录，在期末评定中的平时成绩中加分，进一步激发学生的学习动力。

（二）小组讨论式教学启发式教学过程中并不能完全调动所有学生的学习积极性，为此还需要配合小组讨论式教学模式，强化学生参与。

将学生分为5—8人的讨论小组，每个小组推选一名组长。

根据相关教学内容设置不同的讨论问题，均以工程项目的形式提出，自主选题并组织实施，同时根据难易程度赋予相应分值（该分数将与期末考试成绩挂钩），通常给学生4周时间，最终选派一名学生以多媒体讲解的形式答辩，并由老师和各小组组长打分。

经过三个学期的实践和完善，共设置了5个讨论题：①消防喷嘴种类及结构，如何提高消防水枪射程？举例说明（70分）；②自然界中的空化现象有哪些？工业生产中如何减小空化破坏作用？又如何利用空化作用？举例说明（80分）；③影响磨料射流切割的因素有哪些？如何提高磨料射流切割效果？举例说明（70分）；④利用fluent软件模拟锥形喷嘴射流，得到其速度场、压力场分布，并给出提高锥形喷嘴射流效率的意见和建议（100分）；⑤实验或数值模拟对比研究薄壁出流及厚壁出流不同，得到其各自初始时刻的出流轨迹（公式），保存视频、图片等资料（100分）。

经过实践，发现大部分学生选择了分值较高的④、⑤两题，并且在答辩过程中进行了很好的展示，有的学生甚至将简单的模拟实验器材拿到现场进行演示，表现出了很高的积极性。

通过调查发现，90%以上的学生参与了小组讨论，学生的自主学习意愿较强；学生讲解完毕后，进行提问和解答，深入讨论，最后老师进行讲解，对项目实施的效果、讲解表达能力、多媒体制作能力等进行详细点评和讲解，使学生通过训练提高其项目组织实施能力、团队协作能力、讲解表达能力等，同时强化其工程意识，为学生走向工作岗位奠定基础。

（三）完善课堂实验水射流基础理论主要来源于现场实践与实验，为此水射流基础与应用课程也无法脱离实验。

针对小孔口出流理论与空化射流两部分重要内容，设置了课堂演示实验，利用塑料瓶和吸管，自制小孔口出流实验装置；利用亚克力管和注射器组合，自制空化发生装置，通过课堂演示和学生体验操作，极大地激发了学生的兴趣和学习的积极性。

此外，结合课程主体内容和中国石油大学（北京）高压水射流实验室的实验基础，设置了超高压磨料水射流切割以及超临界CO2喷射破岩两组实验。

由于实验过程中均有高压流体，存在一定的危险性，因此两个实验均采用观摩的方式进行。

实验前向学生全面介绍实验装置的结构以及关键零部件的组成和功能，同时对学生说明今后从事该实践活动过程中应注意的事项，尤其是安全教育方面。

实验过程中，学生积极踊跃地提问，大大地激发了学生的学习兴趣。

通过室内观摩实验，使学生对高压水射流技术及其应用有了更加深入的了解，促进了其课堂理论学习的积极性和主动性，同时还能增强学生的安全生产意识。

（四）成绩评价标准改革以往的学生成绩评价标准大多是以期末成绩为主导，忽视平时成绩。

如期末考试成绩占总分数的80%，平时作业和考勤成绩占20%。

这种考核模式忽视了对学生学习过程的考核，造成了部分学生平时不认真学，期末考试前突击复习即可拿高分的现象，实际上这类学生并未学到真正的知识点，考试结束后很快就会遗忘所学知识。

为了减少高分低能现象，需加强学习过程考核。

为此，该课程将考勤、课后作业、讨论课成绩、实验课成绩等四项过程考核成绩比例提高到40%，降低期末考试成绩的比重。

此举可进一步提高学生学习的主动性和积极性，促使学生积极参与小组讨论与实验课，提高动手能力，为培养科研与实践高素质人才奠定基础。

三、教学效果分析通过2014年到2016年三个学期的不断改革，学生平均成绩和优秀率均稳步提高，此外学生对教师的教学评价得分也逐年升高（见表1），同时从学生问卷调查的反馈来看，大部分学生认为课堂教学生动，辅以视频教学、课堂讨论、课堂实验等方式，提高了学生参与的积极性，激发了学生的学习热情。

表12014—2016年水射流基础与应用课程教学结果Course Construction and Practice of Water Jet Foundation and Application in Petroleum EngineeringWANG Hai-zhu,TIAN Shou-ceng,LI Gen-sheng,HUANG Zhong-wei,SHENG Mao,ZHANG Yi-qun,YANG Rui-yue,LI Jing-bin(College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China)Abstract :In order to further improve the teaching effect of the "Water Jet Foundation and Application",the syllabus and teaching content have been revised,supplemented by the reform of classroom teaching methods,which has improved students'enthusiasm and pared with before the reform,the students average score,excellent rate,and student evaluation for teacher have all improved significantly.Key words :Petroleum Engineering;Water Jet Foundation and Application;Curriculum Construction;Teaching Reform四、结论通过近四年的水射流基础与应用教学改革，促进和完善了教学课程体系，达到了课程建设的总体目标：（1）以创新能力培养和提高综合素质为目标，完善了水射流基础与应用课程教学内容和教学大纲，增设了新型射流技术与应用内容，使学生了解最新射流理论与技术的发展动向；（2）对课堂教学模式进行了改革，从原有的“填鸭式”讲解教学，转变为启发式、小组讨论式教学模式，辅助了课堂实验，提高了教学效果。