碳中和背景下《钻探工程学》课程教学改革

刘  宇 

（中国矿业大学（北京）  地球科学与测绘工程学院， 北京 100083）

[摘  要]：低碳、绿色、智能发展已成为社会的共识，此背景下钻探工程应用场景及其结构体系正迅速发生改变，为使《钻探工程学》教学课程紧跟时代与科技发展，以保障学生在未来工作与研究中具有完备的知识体系及较好的创新思维，论文基于课程特点分析、问卷调查、行业发展背景分析等探讨了《钻探工程学》课程教学内容与教学形式的改革方向，提出以下三点课程改革建议：①拓宽思维，夯实基础，将深海深空等环境融入课程体系，进一步在更广阔的思维模式上夯实学生理论基础；②紧跟前沿，注重实践，以先进工程案例梳理课程知识体系，密切联系基础知识与实践应用；③点明“瓶颈”，启发创新，通过讲授钻探工程学发展的瓶颈问题启发学生突破传统桎梏的创新思维。

[关键词]：钻探工程学； 碳中和； 教学改革； 资源勘查工程

[基金项目]：2021年度中国矿业大学（北京）本科教育教学改革与研究项目【无】（J210210）资助；2021年 中国矿业大学（北京）研究生课程思政建设项目资助【无】（B02506Z）

[作者简介]刘宇（1990—），男，江苏沛县人，博士，中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院讲师，研究方向：煤地质，非常规油气地质。

[中图分类号]G420.0     [文献标识码]A  

前言：

钻探是资源勘查、工程勘查、油气开采、地热开发、太空取样等工程的关键技术，鉴于其在能源、资源方面的重要应用，《钻探工程学》已成为资源勘查工程专业重要的必修课程^[1]。随着我国经济及科技水平的飞速发展，我国的产业结构较以往有了大幅调整，特别是2020年中央提出了“碳中和”、“碳达峰”的发展规划后，传统能源-资源勘探领域一部分市场正逐渐转型，钻探工程在新领域的应用范围和规模正在逐步扩大^{[2, 3]}。就教育而言，应积极增加钻探工程领域的前沿内容，使高校学生能够适应未来的变化，更好地将所学知识运用到工程实践。

目前，《钻探工程学》课程教学存在着三个主要的问题：① 学生学习的积极性相对较弱，多数同学并不能够对课程产生浓厚的兴趣并进行深入的学习研究；② 相对当前快速发展的技术，课程内容更新速度较慢，科技进展与课程知识点并没有建立较好联系^{[4, 5]}；③ 尚未建立起系统的线上线下联动学习模式，并未充分利用当前科技信息资源。为提高资源勘查工程专业《钻探工程学》课程质量，使课程内容紧跟生产实践技术发展，本文一方面分析当前科技进展、大学生就业特点及能源-资源领域发展趋势，另一方面结合问卷调查，在以学生为本的教学理念下，进行《钻探工程学》课程内容与教学方式的改革研究。

1 教学内容改革分析

1.1 行业及学生就业背景分析：

“碳中和”、“碳达峰”等目标提出以来，我国在能源、资源等领域开展了一系列深度改革，其主要方向为低碳、清洁、环保、安全、智能^[6]。在整个社会科技发展方面，人工智能、大数据技术方兴未艾，成为当前科技发展的标志，钻探领域也逐渐实现自动化与智能化，且一些高精度、自动化仪表已逐渐应用到钻探工程实践中^[7]。随着科技水平飞速发展，我国钻探工程水平亦逐渐达到国际先进水平，在太空勘查、深海钻探、超深油气井钻探等方面取得了令人瞩目的成绩^{[8, 9]}。近十年钻探工程的主要进展包括了智能化钻井技术、定向井钻井技术、深海钻井技术、随钻测量技术等^{[7, 10]}。钻探工程学应用场景亦有了一定的变化，深空、深海、深地已从技术展望发展至了广泛应用^{[11, 12]}。

在产业调整及生活水平提高的背景下，资源勘查工程专业毕业生的就业选择亦发生了较大变化，主要表现为选择传统资源领域人数减少、土建工程就业人数增加、就业方式多样化增强。同时，随着相关专业硕士招生人数的增加，资源勘查工程专业本科生读研比例近年来不断提高。以中国矿业大学（北京）2020届资源勘查工程专业毕业生就业去向为例，77人中读研人数为37人，从事工程与建筑行业16人，能源/资源行业6人，其他就业18人，毕业生更倾向于选择较为前沿或科研性质较强岗位。《钻探工程学》课程应基于当前的发展形势进行相应的教学改革，以适应未来的就业与科研形势，从而使得所培养的学生具有较强的适用性、实践能力与创新能力。

1.2 教学内容改革调查问卷结果分析

为更好了解学生学习效果，研究实施了针对于教学内容、教学方式改革的调查问卷。问卷调查对象为中国矿业大学（北京）2018级资源勘查工程专业本科生，调查时学生已完成《钻探工程学》课程的学习与考核，共返回有效问卷61份，调查问卷实施平台为微信群问卷。总结调研结果，建议在以下几个方面进行改革：

a. 应进一步增强课程的实践性：

基于问卷调查结果发现，学生普遍认为课程最需要改进的地方是实践性较弱（所占比例为62.3%）。于此同时，在教学内容设置方面建议选题中（多选），“增加案例教学”项占比最高为66.6%，其他选项中“增加最新进展”占比59.0%，增加行业“卡脖子”内容占比55.7%。钻探工程学的课程核心在于服务应用，以获得更为准确的地质信息。课程的实践性既是课程自身的需要，也是学生对本门课的主要期望。尽管前人在进行《钻探工程学》课程改革研究时亦强调应增强课程的实践性，但截至目前此问题并没有得到较好的解决^{[5, 13, 14]}。

b. 可考虑增加科技前沿性、发展迫切性知识：

为调查学生对钻探工程科技前沿的感兴趣程度，问卷中以“太空钻探”为例对学生进行相应的认识调查，90%同学认为有必要增加“太空钻探”内容，其中多数认为增加1-2课时为宜。此外，44.3%的被调查者认为加入“太空钻探”等课程内容可提高学习积极性，并且对未来工作可能有帮助；50.8%的被调查者认为“可提高学习兴趣及扩展思维，但未来没有从事相关工作的可能”。近年来，各行业“卡脖子”问题为科研人员和社会所关注与重视，86.7%的学生认为有必要增加1-2课时的钻探行业“卡脖子”内容。在另一问题下，73.8%的人认为钻探行业卡脖子问题内容“有助于提高学习积极性、有助于明确未来的发展方向”。

c. 可基于问题导向性梳理教学内容：

问卷调研了如何能够在《钻探工程学》学习中提高学习积极性，在此题目下，选择人数最多的是“加强未来工作及科研中的问题导向，明确学有所用”（占比73.8%），其次为“加强科技热点导向、有兴趣的学习”（占比70.5%）。鉴于此，建议在课程讲授时紧密连接课程知识点与工作/科研中的问题，或者基于工程问题为导向梳理教学内容。

2 教学方式改革分析

2.1 教育方式发展及课程特点分析

《钻探工程学》课程包括岩石基础物理力学性质、钻探设备、钻探工艺、岩心采取、冲洗介质等，其涉及地质、力学、机械、矿业等学科知识^{[1, 14]}。不同于地质的其他专业课程，钻探工程学有两方面的特殊性：一、课程侧重于设备及工艺的讲解，而资源勘查专业学生前期的机械及材料基础较弱^[5]；二、应用环境复杂，部分时候学生并不能够充分理解地下环境的特殊性。当前课程的讲授主要是形式是课程PPT+板书+讲授形式，这种方式并不能够充分弥补学生存在的上述两个弱点。

随着社交媒体、直播课程、网络资源兴起，当前教育方式与获取知识方式有了较大的改变，线上资源使知识学习更丰富化与便捷化^[15]。目前而言，《钻探工程学》课程开设人数相对较少，尚未构建出系统化的线上教学资源，未实现线上线下资源的良性联动。此外，近期兴起的虚拟仿真课程较适用于《钻探工程学》这一实践性较强的课程，但虚拟仿真这一更具有实际体验化的教学方式尚在逐步的建设与完善过程中。

2.2 教学方式问卷调查结果分析

教学方式方面，学生建议开展更多的动画演示，使钻探过程及细节更加直观（占比75.4%）。相对应的动画将使得学生更直观地掌握钻探运行的原理及效果。在课前与课后交流方面，82.0%同学认为通过构建课程微信群以传达信息、交流问题的方式有利于课程的学习，且应该进行更多的交流。在课前英文钻探知识视频播放效果方面，59.0%同学认为有助于增加钻探知识并能够锻炼英文听力。在实验及作业方面，选择“钻具观测”及“钻探设计”的人数最多，均为62.3%。总结相应的调查问卷结果可以发现，学生更倾向于直观地感知与学习到相应的理论知识，《钻探工程学》教学方式的改革应朝着引入动画、虚拟仿真等技术的方向前进，使知识理论系统化与直观化。

3 钻探工程学教学改革综合分析及建议

教学内容与教学方式二者息息相关，应根据教学内容而选择合适的教学方式，以达到更好的教学效果^[14]。现在的教学理念与科技发展水平更加要求学生对相应知识学习有着较高的兴趣及积极性。尽管不同学生的兴趣不同，但总体而言，绝大多数的学生对三个方面的事情具有较高的兴趣，分别为①未来工作/科研具有较大帮助的知识，学生能够充分理解到学有所用；②科技前沿或者社会热点的知识，可满足学生的好奇心及想象力；③行业卡脖子难点知识，能够激发学生学习的热情，让学生能够更深刻地体会到自己学习的价值。针对此三方面，应紧密联系未来工作场景及课程知识，密切联系科技前沿与课程知识，密切联系行业卡脖子问题与课堂知识。

基于问卷调查结果及科技发展、行业发展形势，对钻探工程学课程改革有以下建议：

a. 拓宽课程基础知识体系，融入深空等钻探环境

以“太空钻探”为例，可在岩石力学基础理论章节加入月球、火星等岩石内容，在更广的思维体系中向学生传授钻探工程学中岩石的分类及破岩机理；可在钻具、钻机等设备章节加入太空钻探设备内容，帮助学生掌握基础设备及前沿设备知识；可在钻探工艺章节加入太空钻探环境与太空钻探工艺，让学生理解与掌握常规与特殊环境下钻探的方法及差异，帮助学生散发学习思维。

b. 通过前沿工程案例梳理课程知识体系

案例教学在前人对钻探工程学课程研究中已成为大家的共识，鉴于其重要性，在此亦应再次强调案例教学的建议^{[5, 13, 14]}。不仅如此，研究建议以先进的工程案例来串联起课程不同章节的知识点，以达到更好的教学效果。碳中和背景下，我国能源调整的一个重要方向为增加天然气比例，在讲授课程时，应引入当前发展较为前沿的非常规天然气钻探案例，从钻探设备、钻探方式等方面更新钻探工程学前沿理论与实践课程体系，使得课程知识具备时效性及应用性。

c. 增加钻探工程学发展的瓶颈问题讲授，启发学生突破瓶颈的创新思维

与其他领域高质量发展过程中存在“卡脖子”问题相类似，我国钻探行业的发展亦存在一定的瓶颈问题，如页岩气开发时水平井钻探延伸问题、探月工程中岩石钻探问题等；教学改革过程中将进一步让学生了解这些瓶颈问题，理解背后的关键科学体系，激发学生的学习兴趣，同时将帮助学生开拓思维，引导学生以非常规的思路解决现在的瓶颈问题。

4 结束语

《钻探工程学》课程教学改革应整合考虑行业发展趋势、科技最新进展、学生学习积极性、学生就业方向等多种因素。建议可将太空钻探等前沿应用场景融入钻探工程学的课程体系，让学生更加深入思考对应的基础理论知识，使学生学有所会。同时可引导学生关注与思考我国钻探工程学发展的关键瓶颈问题，培养学生的创新意识，使学生学有所创。在教学形式上建议将线上钻探工程学学习资源进行系统化建设，实现线上与线下授课资源的联动，充分利用当前科技发展的优势；同时应加快钻探工程学虚拟仿真系统的建设，使钻探工程学知识更加直观与立体，以达到最佳的学习效果。

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Teaching Reform of “Drilling Engineering” Courses for Resource Exploration Engineering Undergraduates Under the Background of Carbon Neutrality

LIU YU

(College of Geoscience and Survey Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

Abstract: Low-carbon, green and smart development have become the consensus of the whole society. Under this background, drilling engineering application scenarios are rapidly changing. In order to make the "Drilling Engineering" teaching course keep up with the technological development, and ensure that students have a complete knowledge system and better innovative thinking in future work and research, the study discussed the reform directions of the teaching content and teaching format of the "Drilling Engineering" course. Following three curriculum reform suggestions were put forward: 1. integrate the deep sea and deep space into the curriculum system, and further consolidate theoretical foundation; 2. introduce advanced engineering cases in the current development frontier to the courses and sort out the curriculum knowledge system with typical engineering cases; 3. inspire students to break through the bottleneck innovative thinking by teaching bottlenecks in the development of drilling engineering through lectures.

Keywords: Drilling engineering; Carbon neutrality; Teaching reform; Resource exploration engineering