石油工程专业“岩石力学”课程思政实践探索

［摘 要］ 课程思政是教学新理念和教学改革的重要方向。结合石油工程专业背景，梳理了“岩石力学”的教学难点，提出利用课堂思政优势克服教学难点的思路，达到融合课堂思政与课堂知识点的目标。阐明了“岩石力学”教学的3个难点，从5个课堂思政角度建立了岩石力学思想政治案例库，并介绍了部分实例。教学效果表明，课程思政加深了学生对理论知识的理解，丰富了学生对岩石力学理论应用的认知，克服了学生对岩石力学理论的畏难情绪，显著提高了“岩石力学”教学效果。

［关键词］ 课程思政；教学难点；思想政治路径；教学案例

［基金项目］ 2021年度中国石油大学（北京）校级教改项目“石油与天然气工程学科研究生课程思政示范课程群建设与实践”（YJS2021003）

［作者简介］ 彭 岩（1987—），男，江苏徐州人，工学博士，中国石油大学（北京）石油工程学院副教授，主要从事石油工程岩石力学理论和水力压裂增产机理研究。

［中图分类号］ G641 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）18-0081-04 ［收稿日期］ 2022-08-01

引言

习近平总书记出席全国高校思想政治工作会议并发表重要讲话，强调：“要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。”［1］

教育部发布多个文件，详细指导了高校落实习近平总书记关于高校思想政治理论课的重要讲话精神。2017年12月，中共教育部党组关于印发《高校思想政治工作质量提升工程实施纲要》的通知指出，课程育人就是要“深入推动习近平新时代中国特色社会主义思想进教材、进课堂、进头脑”，大力推动以课程思政为目标的课堂教学改革［2］。2018年10月，教育部发布《关于加快建设高水平本科教育全面提升人才培养能力的意见》，提出在构建全员、全过程、全方位“三全育人”大格局过程中，着力推动高校全面加强课程思政建设，做好整体设计，根据不同专业人才培养特点和专业能力素质要求，科学合理设计思想政治教育内容［3］。2020年6月，教育部关于印发《高等学校课程思政建设指导纲要》的通知，为高校推进课程思政建设提供了指导［4］。

岩石力学发展于20世纪初，是一门认识和控制岩石系统力学行为与工程功能的学科，因此在土木工程、采矿工程、石油工程等涉及岩石材料的行业中广泛应用［5］。岩石力学理论离不开具体工程背景，导致其理论体系庞杂，学生因理解困难而产生畏难、厌学情绪。思想政治教育与专业教育融合能达到单纯的专业教育达不到的教学效果，是“三全育人”的重要切入口，可增强学生自主学习的动力，丰富学生的知识广度，进而提高教学效果。石油工程专业的“岩石力学”课程思政探索为工科专业的课程思政提供了有益参考。

一、石油工程专业“岩石力学”课程教学难点

石油工程需在储层中钻井、压裂、注水/气等，对地层产生扰动，会导致井壁失稳、储层出砂、激活地下断层等问题。石油工程需要对储层岩石力学行为进行准确分析，以减少工程事故并提高储层产量。岩石力学理论建立时间早、应用背景复杂、应用领域扩展迅速，导致“岩石力学”课程教学难度大。笔者在教学实践中发现，影响“岩石力学”课程教学的主要难点如下。

（一）理论体系杂

岩石力学是固体力学的一个分支学科，理论至少涉及了理论力学、材料力学和弹性力学的基础知识，要求学生能融会贯通各类基础知识，否则难以跟上课堂节奏。此外，不同学科对岩石力学知识的侧重点有显著差异，要求学生对本专业工程背景具有一定的了解。例如，石油工程侧重于岩石破坏与裂缝扩展，需要着重学习岩石破坏准则、裂缝扩展准则等知识。目前岩石力学教材同质化严重，专业学科背景不突出，不利于各专业针对性学习。

（二）教学内容旧

岩石力学伴随着工业化进展不断进步，理论体系日新月异。传统岩石力学知识立足于20世纪工程背景，已不满足现代工程需求。近20年来，我国科学技术突飞猛进，在岩石力学领域中涌现众多原创性科研成果。我国石油开发深度已近万米，其岩石应力状态、岩石力学性质、裂缝扩展特征都与传统浅部储层不同。我国储层岩性比国外复杂，储层薄互层发育、非均质性强烈，导致其裂缝扩展特征和国外不同。教学中应当介绍我国科研工作者为提高我国油气开发及采矿效率所提出的岩石力学新理论。

（三）应用门槛高

岩石力学理论表明：边界条件、岩石材料特征、载荷加载路径、多物理场耦合作用等因素都对岩石变形特征、裂缝扩展规律有显著影响。应用岩石力学解决实际问题必须对理论知识、实际岩石材料、具体工程背景有深刻理解，还要运用数值求解的方法。因此，应用岩石力学解决实际问题是系统工程，若采用简化模型，则无法体现岩石力学的特点和应用技巧；若采用工程实例，则分析过程烦琐且课堂时间有限，使学生不易理解而产生畏难情绪。

二、石油工程专业“岩石力学”课程思政案例

2021年2月，习近平总书记在党史学习教育动员大会上发表重要讲话，提出了中国共产党人的精神谱系：“在一百年的非凡奋斗历程中，一代又一代中国共产党人顽强拼搏、不懈奋斗，涌现了一大批视死如归的革命烈士、一大批顽强奋斗的英雄人物、一大批忘我奉献的先进模范，形成了井冈山精神、长征精神、遵义会议精神、延安精神、西柏坡精神、红岩精神、抗美援朝精神、‘两弹一星’精神、特区精神、抗洪精神、抗震救灾精神、抗疫精神等伟大精神，构筑起了中国共产党人的精神谱系。”［6］“两弹一星”精神、抗疫精神等都与科学家密不可分，体现了一批批科学家为祖国奋斗的爱国精神。

我国石油行业从无到有、从弱到强的发展过程中，涌现出了“铁人”王进喜、“新铁人”王启民等一大批先进人物，他们的事迹既体现了我国石油科技进展，又体现了中国共产党人的精神，为石油工程专业课程思政提供了优质鲜活的素材。此外，与思想政治专业课程不同，专业课的思想政治教育从新角度阐述先进人物的事迹，给学生带来不一样的感受，以引导学生克服畏难情绪，提高学生的学习热情和成效。结合石油工程专业特点，笔者在“岩石力学”课程思政实践中，总结了五方面的思想政治案例。

（一）家国情怀

石油工程中的“铁人”精神蕴含爱国主义和中国共产党人精神，同时，“铁人”王进喜从事钻井工作，其中包含了很多岩石力学的工程问题。在“岩石力学”课程中讲好“铁人”故事，既能达到思想政治教育的目的，也为石油工程专业“岩石力学”的教学服务。为了避免井喷事故，“铁人”王进喜跳进泥浆池中，利用身体搅动泥浆。井喷事故的力学机理为钻井液压力不足以抵抗地层压力。钻井液压力不当还会引起井壁失稳，造成钻井失败。

随着我国油气开发深度不断加大，国家提出了“四深”（深空、深海、深地和深蓝）领域的战略技术部署。“深地”的探索是当前国际竞争的制高点，其成果离不开钻井技术的进步。中国工程院孙金声院士30余年来深耕钻井技术研究，探明了复杂结构井井壁失稳及减阻机理，研发出复杂结构井高性能钻井液，为高效开发我国深部复杂地层油气资源和获取海外油气资源提供了重要技术支撑。以孙金声院士的事迹，说明井壁稳定问题将制约我国“深地”领域探索，教育学生为我国“深地”探索领域及能源安全做出自己的贡献，同时激发学生对井壁稳定知识的兴趣。

（二）科技创新

“新铁人”王启民的事迹则体现了石油科技工作者孜孜不倦勇攀高峰的勇气。王启民坚持独立自主的科研道路，不盲从权威理论，打破了国外“温和注水”的开发方式，提出了高效注水开采方法、大庆油田高含水期稳油控水系统工程结构调整技术等多个创新技术，使得大庆油田稳产5 000万吨长达27年。

相较于国外，我国储层条件差，为了提高产量，通常使用水驱甚至化学驱等技术提高原油动用程度，进而提高产量。在储层生产过程中，应力不断变化，导致岩石孔隙变形，影响了储层渗透性质。我国石油工程科学家在渗透率分析方法和预测模型等方面已达到世界领先水平。超低渗储层，提高波及体积还需在水驱过程中产生裂缝，但其不能像水力压裂那样快速产生裂缝，对裂缝扩展的控制决定了超低渗储层水驱的效果。此外，非常规油气开发依赖于水力压裂技术，其核心科学问题为裂缝扩展机理。由于我国具有扎实的岩石力学研究基础，页岩气等非常规油气的水力压裂技术得到了飞速发展。得益于此，5年时间，我国页岩气产量扩大了315倍，体现了中国速度。以王启民的事迹为案例，引出裂缝扩展机理对油气开发的重要性，以激发学生对裂缝扩展知识点的学习，同时引导学生不盲从权威，勇于质疑，敢于创新。

（三）学科交叉

尽管新能源发展如火如荼，但风能、太阳能的稳定性差，核能的安全标准极高而难以大规模应用，水能取决于地理因素而分布不均，故石油、天然气和煤炭依然是未来不可取代的资源。利用化石能源不代表就要多排放二氧化碳，以中国科学院高德利院士为代表的科学家提出了“地下井工厂”的构想［7-8］。该构想采用石油开发工艺开采千米以上的煤炭资源。由于煤地下气化将产生高温并伴有剧烈化学反应，其岩石力学问题涉及多物理场耦合，是岩石力学的前沿研究方向。此外，岩石力学的流固耦合作用还可用于地下储气库建设领域。地下储气库通常在岩盐层建设，利用卤水与岩盐发生化学反应而产生空穴以构建地下储气库。我国已建成亚洲第一座地下盐岩储气库——江苏省金坛盐穴储气库，可解决我国华东地区冬季供气不足的问题［9］。地下储气库不仅涉及岩石稳定分析的知识，还涉及岩石蠕变特性的知识。上述实例可引出岩石力学的前沿科学问题，以开阔学生视野，鼓励学生进行学科交叉以解决复杂的工程难题和岩石力学流固耦合科学问题。

（四）工程伦理

岩石力学理论在土木工程等领域应用广泛，对于大工程，不单单考虑技术的应用，还涉及人文、道德、社会和生态等诸多问题［10］。根据“岩石力学”课程特点，可列举石油工程、土木工程等工程事故。典型案例为加拿大特朗康斯谷仓倾倒事件，该谷仓自重2万吨，储存谷物达3万余吨后，发生大幅沉降，导致谷仓倾倒。调查发现：设计方未对谷仓地基进行勘察和实验，而采用临近地基结果计算该谷仓地基承载力，使得所得结果出现严重偏差，造成了巨大的经济损失。上述实例可引出岩石的材料应力应变特征及变形计算方法，并提醒学生要坚守职业道德。

（五）科学思维

自然科学理论建立过程体现了很多科学思维方法，如极限思想、归类法、矛盾分析法和辩证法。众多自然科学理论的建立都遵循相同的科学思维。因此，在“岩石力学”课堂上讲授科学思维，有利于学生今后自主开展科学研究。应力的定义与压强类似，但是多了取极限的步骤，其中包含了极限思想，也体现了应力与压强概念的本质区别。压强是平面平均受到的压力概念，而应力是指无限小区域内（趋近于一点）的压力。若掌握了任意形状上每点的压力（即应力），就知道了该面的应力分布特征，进而可得该面的内力（利用积分）及每处的变形分布特征（结合物理方程和几何方程），因此应力的概念比压强的概念丰富且有用得多。此外，通过实验可获知材料的破坏特征，而材料破坏与载荷形式、材料形状等众多因素有关，不可能在实验室内穷举所用的破坏工况，因此，需要利用归类法，将不同材料破坏工况归类为若干破坏机理，并针对有限的几种破坏机理建立破坏准则。岩石力学理论推导通常需要建立力学模型，而真实工况异常复杂，加大了力学模型的复杂度和理论模型建立的难度，需要引入假设条件以凸显主要矛盾（简化力学模型）而实现理论模型的建立。通常工况变化后，主要矛盾也发生相应变化，造成了假设条件和力学模型的变化，进而最终公式发生变化，因此，学生需理解岩石力学理论的适用范围，该变化体现了辩证法思想。

结语

“岩石力学”是石油工程等专业的核心课程，其理论建立体现了自然科学思维，也造成了岩石力学理论的晦涩难懂。此外，岩石力学服务于我国很多重大工程，关乎我国基础建设和前沿科技，需要从业者甘于奉献、勇于创新；该领域众多科技成果也体现了我国日益强盛的科技实力，体现了民族自信。因此，通过我国重大工程实例、先进模范事迹等生动案例开展“岩石力学”课程思政，既可增强学生的爱国情怀和民族自信，激发其学习热情，更可加深对理论知识的理解，超越了单纯理论知识讲解的效果，值得在全部自然科学课堂中推广。教师应当结合课程特点和学生专业背景，认真选取思想政治案例。