石油工程專業“巖石力學”課程思政實踐探索

彭巖 李世遠 張廣清

［摘 要］ 課程思政是教學新理念和教學改革的重要方向。結合石油工程專業背景，梳理了“巖石力學”的教學難點，提出利用課堂思政優勢克服教學難點的思路，達到融合課堂思政與課堂知識點的目標。闡明了“巖石力學”教學的3個難點，從5個課堂思政角度建立了巖石力學思想政治案例庫，并介紹了部分實例。教學效果表明，課程思政加深了學生對理論知識的理解，豐富了學生對巖石力學理論應用的認知，克服了學生對巖石力學理論的畏難情緒，顯著提高了“巖石力學”教學效果。

［關鍵詞］ 課程思政；教學難點；思想政治路徑；教學案例

［基金項目］ 2021年度中國石油大學（北京）校級教改項目“石油與天然氣工程學科研究生課程思政示范課程群建設與實踐”（YJS2021003）

［作者簡介］ 彭 巖（1987—），男，江蘇徐州人，工學博士，中國石油大學（北京）石油工程學院副教授，主要從事石油工程巖石力學理論和水力壓裂增產機理研究。

［中圖分類號］ G641 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）18-0081-04 ［收稿日期］ 2022-08-01

引言

習近平總書記出席全國高校思想政治工作會議并發表重要講話，強調：“要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學生成長發展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應?！保?］

教育部發布多個文件，詳細指導了高校落實習近平總書記關于高校思想政治理論課的重要講話精神。2017年12月，中共教育部黨組關于印發《高校思想政治工作質量提升工程實施綱要》的通知指出，課程育人就是要“深入推動習近平新時代中國特色社會主義思想進教材、進課堂、進頭腦”，大力推動以課程思政為目標的課堂教學改革［2］。2018年10月，教育部發布《關于加快建設高水平本科教育全面提升人才培養能力的意見》，提出在構建全員、全過程、全方位“三全育人”大格局過程中，著力推動高校全面加強課程思政建設，做好整體設計，根據不同專業人才培養特點和專業能力素質要求，科學合理設計思想政治教育內容［3］。2020年6月，教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知，為高校推進課程思政建設提供了指導［4］。

巖石力學發展于20世紀初，是一門認識和控制巖石系統力學行為與工程功能的學科，因此在土木工程、采礦工程、石油工程等涉及巖石材料的行業中廣泛應用［5］。巖石力學理論離不開具體工程背景，導致其理論體系龐雜，學生因理解困難而產生畏難、厭學情緒。思想政治教育與專業教育融合能達到單純的專業教育達不到的教學效果，是“三全育人”的重要切入口，可增強學生自主學習的動力，豐富學生的知識廣度，進而提高教學效果。石油工程專業的“巖石力學”課程思政探索為工科專業的課程思政提供了有益參考。

一、石油工程專業“巖石力學”課程教學難點

石油工程需在儲層中鉆井、壓裂、注水/氣等，對地層產生擾動，會導致井壁失穩、儲層出砂、激活地下斷層等問題。石油工程需要對儲層巖石力學行為進行準確分析，以減少工程事故并提高儲層產量。巖石力學理論建立時間早、應用背景復雜、應用領域擴展迅速，導致“巖石力學”課程教學難度大。筆者在教學實踐中發現，影響“巖石力學”課程教學的主要難點如下。

（一）理論體系雜

巖石力學是固體力學的一個分支學科，理論至少涉及了理論力學、材料力學和彈性力學的基礎知識，要求學生能融會貫通各類基礎知識，否則難以跟上課堂節奏。此外，不同學科對巖石力學知識的側重點有顯著差異，要求學生對本專業工程背景具有一定的了解。例如，石油工程側重于巖石破壞與裂縫擴展，需要著重學習巖石破壞準則、裂縫擴展準則等知識。目前巖石力學教材同質化嚴重，專業學科背景不突出，不利于各專業針對性學習。

（二）教學內容舊

巖石力學伴隨著工業化進展不斷進步，理論體系日新月異。傳統巖石力學知識立足于20世紀工程背景，已不滿足現代工程需求。近20年來，我國科學技術突飛猛進，在巖石力學領域中涌現眾多原創性科研成果。我國石油開發深度已近萬米，其巖石應力狀態、巖石力學性質、裂縫擴展特征都與傳統淺部儲層不同。我國儲層巖性比國外復雜，儲層薄互層發育、非均質性強烈，導致其裂縫擴展特征和國外不同。教學中應當介紹我國科研工作者為提高我國油氣開發及采礦效率所提出的巖石力學新理論。

（三）應用門檻高

巖石力學理論表明：邊界條件、巖石材料特征、載荷加載路徑、多物理場耦合作用等因素都對巖石變形特征、裂縫擴展規律有顯著影響。應用巖石力學解決實際問題必須對理論知識、實際巖石材料、具體工程背景有深刻理解，還要運用數值求解的方法。因此，應用巖石力學解決實際問題是系統工程，若采用簡化模型，則無法體現巖石力學的特點和應用技巧；若采用工程實例，則分析過程煩瑣且課堂時間有限，使學生不易理解而產生畏難情緒。

二、石油工程專業“巖石力學”課程思政案例

2021年2月，習近平總書記在黨史學習教育動員大會上發表重要講話，提出了中國共產黨人的精神譜系：“在一百年的非凡奮斗歷程中，一代又一代中國共產黨人頑強拼搏、不懈奮斗，涌現了一大批視死如歸的革命烈士、一大批頑強奮斗的英雄人物、一大批忘我奉獻的先進模范，形成了井岡山精神、長征精神、遵義會議精神、延安精神、西柏坡精神、紅巖精神、抗美援朝精神、‘兩彈一星精神、特區精神、抗洪精神、抗震救災精神、抗疫精神等偉大精神，構筑起了中國共產黨人的精神譜系?！保?］“兩彈一星”精神、抗疫精神等都與科學家密不可分，體現了一批批科學家為祖國奮斗的愛國精神。

我國石油行業從無到有、從弱到強的發展過程中，涌現出了“鐵人”王進喜、“新鐵人”王啟民等一大批先進人物，他們的事跡既體現了我國石油科技進展，又體現了中國共產黨人的精神，為石油工程專業課程思政提供了優質鮮活的素材。此外，與思想政治專業課程不同，專業課的思想政治教育從新角度闡述先進人物的事跡，給學生帶來不一樣的感受，以引導學生克服畏難情緒，提高學生的學習熱情和成效。結合石油工程專業特點，筆者在“巖石力學”課程思政實踐中，總結了五方面的思想政治案例。

（一）家國情懷

石油工程中的“鐵人”精神蘊含愛國主義和中國共產黨人精神，同時，“鐵人”王進喜從事鉆井工作，其中包含了很多巖石力學的工程問題。在“巖石力學”課程中講好“鐵人”故事，既能達到思想政治教育的目的，也為石油工程專業“巖石力學”的教學服務。為了避免井噴事故，“鐵人”王進喜跳進泥漿池中，利用身體攪動泥漿。井噴事故的力學機理為鉆井液壓力不足以抵抗地層壓力。鉆井液壓力不當還會引起井壁失穩，造成鉆井失敗。

隨著我國油氣開發深度不斷加大，國家提出了“四深”（深空、深海、深地和深藍）領域的戰略技術部署?！吧畹亍钡奶剿魇钱斍皣H競爭的制高點，其成果離不開鉆井技術的進步。中國工程院孫金聲院士30余年來深耕鉆井技術研究，探明了復雜結構井井壁失穩及減阻機理，研發出復雜結構井高性能鉆井液，為高效開發我國深部復雜地層油氣資源和獲取海外油氣資源提供了重要技術支撐。以孫金聲院士的事跡，說明井壁穩定問題將制約我國“深地”領域探索，教育學生為我國“深地”探索領域及能源安全做出自己的貢獻，同時激發學生對井壁穩定知識的興趣。

（二）科技創新

“新鐵人”王啟民的事跡則體現了石油科技工作者孜孜不倦勇攀高峰的勇氣。王啟民堅持獨立自主的科研道路，不盲從權威理論，打破了國外“溫和注水”的開發方式，提出了高效注水開采方法、大慶油田高含水期穩油控水系統工程結構調整技術等多個創新技術，使得大慶油田穩產5 000萬噸長達27年。

相較于國外，我國儲層條件差，為了提高產量，通常使用水驅甚至化學驅等技術提高原油動用程度，進而提高產量。在儲層生產過程中，應力不斷變化，導致巖石孔隙變形，影響了儲層滲透性質。我國石油工程科學家在滲透率分析方法和預測模型等方面已達到世界領先水平。超低滲儲層，提高波及體積還需在水驅過程中產生裂縫，但其不能像水力壓裂那樣快速產生裂縫，對裂縫擴展的控制決定了超低滲儲層水驅的效果。此外，非常規油氣開發依賴于水力壓裂技術，其核心科學問題為裂縫擴展機理。由于我國具有扎實的巖石力學研究基礎，頁巖氣等非常規油氣的水力壓裂技術得到了飛速發展。得益于此，5年時間，我國頁巖氣產量擴大了315倍，體現了中國速度。以王啟民的事跡為案例，引出裂縫擴展機理對油氣開發的重要性，以激發學生對裂縫擴展知識點的學習，同時引導學生不盲從權威，勇于質疑，敢于創新。

（三）學科交叉

盡管新能源發展如火如荼，但風能、太陽能的穩定性差，核能的安全標準極高而難以大規模應用，水能取決于地理因素而分布不均，故石油、天然氣和煤炭依然是未來不可取代的資源。利用化石能源不代表就要多排放二氧化碳，以中國科學院高德利院士為代表的科學家提出了“地下井工廠”的構想［7-8］。該構想采用石油開發工藝開采千米以上的煤炭資源。由于煤地下氣化將產生高溫并伴有劇烈化學反應，其巖石力學問題涉及多物理場耦合，是巖石力學的前沿研究方向。此外，巖石力學的流固耦合作用還可用于地下儲氣庫建設領域。地下儲氣庫通常在巖鹽層建設，利用鹵水與巖鹽發生化學反應而產生空穴以構建地下儲氣庫。我國已建成亞洲第一座地下鹽巖儲氣庫——江蘇省金壇鹽穴儲氣庫，可解決我國華東地區冬季供氣不足的問題［9］。地下儲氣庫不僅涉及巖石穩定分析的知識，還涉及巖石蠕變特性的知識。上述實例可引出巖石力學的前沿科學問題，以開闊學生視野，鼓勵學生進行學科交叉以解決復雜的工程難題和巖石力學流固耦合科學問題。

（四）工程倫理

巖石力學理論在土木工程等領域應用廣泛，對于大工程，不單單考慮技術的應用，還涉及人文、道德、社會和生態等諸多問題［10］。根據“巖石力學”課程特點，可列舉石油工程、土木工程等工程事故。典型案例為加拿大特朗康斯谷倉傾倒事件，該谷倉自重2萬噸，儲存谷物達3萬余噸后，發生大幅沉降，導致谷倉傾倒。調查發現：設計方未對谷倉地基進行勘察和實驗，而采用臨近地基結果計算該谷倉地基承載力，使得所得結果出現嚴重偏差，造成了巨大的經濟損失。上述實例可引出巖石的材料應力應變特征及變形計算方法，并提醒學生要堅守職業道德。

（五）科學思維

自然科學理論建立過程體現了很多科學思維方法，如極限思想、歸類法、矛盾分析法和辯證法。眾多自然科學理論的建立都遵循相同的科學思維。因此，在“巖石力學”課堂上講授科學思維，有利于學生今后自主開展科學研究。應力的定義與壓強類似，但是多了取極限的步驟，其中包含了極限思想，也體現了應力與壓強概念的本質區別。壓強是平面平均受到的壓力概念，而應力是指無限小區域內（趨近于一點）的壓力。若掌握了任意形狀上每點的壓力（即應力），就知道了該面的應力分布特征，進而可得該面的內力（利用積分）及每處的變形分布特征（結合物理方程和幾何方程），因此應力的概念比壓強的概念豐富且有用得多。此外，通過實驗可獲知材料的破壞特征，而材料破壞與載荷形式、材料形狀等眾多因素有關，不可能在實驗室內窮舉所用的破壞工況，因此，需要利用歸類法，將不同材料破壞工況歸類為若干破壞機理，并針對有限的幾種破壞機理建立破壞準則。巖石力學理論推導通常需要建立力學模型，而真實工況異常復雜，加大了力學模型的復雜度和理論模型建立的難度，需要引入假設條件以凸顯主要矛盾（簡化力學模型）而實現理論模型的建立。通常工況變化后，主要矛盾也發生相應變化，造成了假設條件和力學模型的變化，進而最終公式發生變化，因此，學生需理解巖石力學理論的適用范圍，該變化體現了辯證法思想。

結語

“巖石力學”是石油工程等專業的核心課程，其理論建立體現了自然科學思維，也造成了巖石力學理論的晦澀難懂。此外，巖石力學服務于我國很多重大工程，關乎我國基礎建設和前沿科技，需要從業者甘于奉獻、勇于創新；該領域眾多科技成果也體現了我國日益強盛的科技實力，體現了民族自信。因此，通過我國重大工程實例、先進模范事跡等生動案例開展“巖石力學”課程思政，既可增強學生的愛國情懷和民族自信，激發其學習熱情，更可加深對理論知識的理解，超越了單純理論知識講解的效果，值得在全部自然科學課堂中推廣。教師應當結合課程特點和學生專業背景，認真選取思想政治案例。

參考文獻

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［3］教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見：教高〔2018〕2號［A/OL］.（2018-10-08）［2022-07-02］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201810/t20181017_351887.html？is-appinstalled=0.

［4］教育部.關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知：教高〔2020〕3號［A/OL］.（2020-06-01）［2022-07-02］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

［5］劉洪磊，朱萬成，侯晨，等.應用巖石力學課程思政教學改革探究與實踐［J］.高教學刊，2022，8（5）：134-136+140.

［6］習近平：在黨史學習教育動員大會上的講話［EB/OL］.（2021-02-20）［2022-07-02］.http：//www.gov.cn/xinwen/2021-03/31/content_5597017.htm.

［7］高德利，畢延森，鮮保安.中國煤層氣高效開發井型與鉆完井技術進展［J］.天然氣工業，2022，42（6）：1-18.

［8］高德利.非常規油氣井工程技術若干研究進展［J］.天然氣工業，2021，41（8）：153-162.

［9］陳祥勝.“巖石力學”課程思政建設與教育教學改革探析［J］.教育教學論壇，2022（6）：57-60.

［10］劉永謀.工師時代與工程倫理的興起［N］.光明日報，2018-09-03（15）.

Practical Research on Methods of Curriculum Ideology and Politics for the Course of Rock Mechanics

PENG Yan， LI Shi-yuan， ZHANG Guang-qing

（School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum〔Beijing〕， Beijing 102249， China）

Abstract： Curriculum ideology and politics is a new education concept and an important direction for teaching reform. Combining the background of petroleum engineering， the authors summarize the teaching difficulties， propose the idea to overcome those teaching difficulties by advantages of ideological and political education. This method achieves the goal of integrating ideological and political education with knowledge points. The authors point out 3 teaching difficult points， built the case library based on five aspects and introduced some cases. The teaching effects show that the ideological and political education can help students understand the rock mechanics theory， widen their knowledge of application overcome their fear to learn this course and finally improve teaching efficiency.

Key words： curriculum ideology and politics; teaching difficulty; teaching approach of ideological and political education; teaching case