钻探设备国家一流课程建设与实践

摘  要：为提高钻探设备课程的教学质量、培养地质工程专业创新型人才，根据钻探设备课程的特点、大学生的知识结构与学习特点，通过优化课程内容体系、更新教育理念、改进教学方法、加强课程思政教育，以及加强线上线下教学资源建设，提高课程的教学质量，提高创新型人才的培养质量。钻探设备课程成为国家首批线上线下混合式一流本科课程。

关键词：钻探设备；OBE教育理念；PBL教学法；教学资源建设；一流课程

中图分类号：G642         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）07-0021-04

Abstract： The aim of this paper is to improve the teaching quality and cultivate geological drilling equipment engineering innovative talents. According to the characteristics of the drilling equipment course， college students' knowledge structure and learning characteristics， we optimize curriculum content system， renew education idea， improve teaching methods， strengthen the course ideological education and strengthen the construction of online teaching resources. The quality of the teaching of this course and the cultivation quality of innovative talents have been improved. Drilling Equipment course has become one of the first national online and offline hybrid first-class undergraduate courses.

Keywords： Drilling Equipment; OBE education philosophy; PBL teaching method; construction of teaching resources; first-class undergraduate course

钻探设备课程是地质工程专业的主干专业课，主要介绍钻探施工过程中应用的钻机、泥浆泵、钻塔、动力机的结构、工作原理、工作特性及适用条件。钻探设备体积大、重量大、结构原理复杂、教学难点多，传统课堂讲授与实验教学模式难以保证课程的教学质量，不利于创造性思维的培养，不能满足新工科创新型人才培养的需求。课程是人才培养的核心要素[1]，为提高地质工程专业的人才培养质量，满足新工科人才培养要求，需创新研究钻探设备课程的教学方法。

一  根据钻探设备课程内容的构成规律，建立了符合学生认识客观规律的课程内容体系

钻探设备是以钻机为主导机械，根据钻机的性能参数选配泥浆泵、钻塔和动力机。钻机的结构原理、工作特性是钻探设备课程的主要内容。改变先介绍钻机结构原理再介绍典型钻机的课程内容体系，根据课程内容的构成规律，建立了符合大学生从感性认识到理论认识客观事物规律的课程内容体系，即先介绍典型钻机构造再介绍钻机结构原理与特性的课程体系，完善了钻探设备课程的理论基础，提高了学生对课程内容的理论认识高度。

课程内容中首先介绍XY-4型立轴式钻机、SPC-300H型转盘式钻机、G-3型动力头式钻机、CZ-22型冲击钻机和KQ型潜水钻机等典型钻机的结构、工作原理、工作特性及适用条件，使学生对钻机整体结构建立感性认识。再根据钻机的构成规律、部件类型、工作特性及设计原理，对钻机的摩擦离合器、变速箱、升降机、回转器、液压系统、给进机构和冲击机构等主要部件的结构进行横向综合比较分析，提高课程的理论水平，达到了“学生可分析评价钻机的举一反三的教学效果”，培养了科学研究思维。

二  基于OBE教育理念的钻探设备课程教学研究

OBE（outcome-based education，基于产出的教育） 是一种基于教学目标的教育模式，其理念是以学生为中心、以目标为导向。OBE教育理念由Spady等人于1981年提出，并成为美国、英国等西方国家教育改革的主要理念[2]。OBE教育理念下，学生有明确的学习目标和预期表现，可以按照各自的学习习惯达成目标，所有的学生均有机会获得成功；可适时修改、调整学习内容、学习方式与学习时间，增加学习机会；教师只负责引导、协助学生达成预期成果。以学生为中心的教育方式，将学生之间的竞争转变为自我竞争，提高学生的学习能力[3]。

（一）  基于OBE教育理念的钻探设备课程实施方案研究

根据OBE理念的反向设计原则，由地质工程专业的培养方案设定钻探设备课程预期要达到的教学目标，由教学目标反向设计课程的教学内容、教学过程和教学模式。基于OBE模式的钻探设备课程实施方案从课程设计、课程评价标准和方式，以及教学活动的实施三个方面进行了构建。

1  钻探设备课程设计

首先定位课程的培养目标，构建一个科学的满足地质工程专业需求和新工科创新性培养的钻探设备的课程设计。采用基于OBE教育理念的基础模块+实践模块+学生任选模块的模块化教学方式。学生可根据自己的兴趣爱好选择任选模块内容进行学习，任选模块内容为国内外先进钻机和泥浆泵的结构、工作原理及工作特性，代表钻探设备国际前沿技术，为培养学生创新意识和勇攀科学高峰精神打下基础。

2  课程评价标准和方式

OBE教育模式，注重的是教学目标和教学成果，教学过程可以多样化。但OBE教育模式的评价方式更应具有科学性和可操作性。改变“一卷定终身”的传统期末考试评价模式，采用理论课堂问答讨论测试、实验课堂测试、课后作业及网络学习讨论测试、期中与期末考试的多元化综合测试评价方式，课程的考核力度大、覆盖面广，学生更加注重课程的学习过程。

3  教学活动的实施

为保证OBE教育模式下学生的主体作用，确保高质量的教学成果，需要灵活多样的教学活动作保障。钻探设备课程实施了线上慕课教学、线下自学、线下真实实验、线上虚拟仿真实验和翻转课堂教学等多种教学活动。学生通过灵活多样的教学活动，自主学习课程内容，充分发挥了学生的主体作用。学生的学习能力、认识事物的能力、总结归纳能力均得到了锻炼和提升。

（二）  构建“线上教学+线下翻转课堂”的混合式教学模式

课程的线上线下教学有机结合是高校人才培养打造“金课”的有效途径之一，借助网络信息技术，推动钻探设备课堂教学革命。以现代教育技术与教育教学深度融合为突破口，构建了钻探设备课程“线上教学+线下翻转课堂”的混合式教学模式。

翻转课堂将传统课堂教师讲授知识的环节提前到课前学习，课堂上留给学生更多的讨论时间，为教师采用多元化的教学方法、培养学生自主学习能力提供了机会。翻转课堂教学采用生讲生评、案例点评、研讨辩论和平行互动等多种形式，教师全程把控和引导讨论学习过程。

三  基于PBL教学法的研究

PBL（problem-based learning）教学法是一种以学生为主体、以问题为导向的教育方式[4]，由美国神经病学教授 Barrows于1969年首创，并很快应用到欧洲各院校的环境化学、工程动力学及电化学等众多学科的教育领域。我国于1986年引进了PBL教学法，并在很多院校化学、生物学、语言文字、法律及教育等领域的课程中得到应用，取得良好的教学成果[5]。与常规教学方法相比，PBL教学法有利于调动学生学习的积极性、主动性、创造性，有利于培养学生的独立思考和多向思维能力，有利于学生灵活运用知识解决实际问题，有利于提高学生的语言表达能力，有利于培养创新型人才[6]。

（一）  PBL教学法问题的设置

PBL教学法的问题设置，是PBL教学法应用的关键[7]。PBL问题的难度应适宜，过难的问题学生会丧失信心、过于简单的问题又会失去探索兴趣。地质工程专业学生的基础知识扎实、专业方向口径宽，但由于专业训练不足，三维空间思维能力欠缺。学生在长期传统教学模式下，知识获取的盲目性大、阅读量低，知识认知片面。习惯网络短时间的碎片化学习。根据维果茨基的“最近发展区”原则设置了课程的PBL问题（共设置了45个），即在教师的启发引导下，学生通过自主努力学习，最终能够解决，收获最大的问题。

钻探设备课程PBL教学法问题的设置，注重以下3个方面的内容。①引出课程基本概念、基本原理的同时，注重问题的引申扩展。引申扩展的问题需结合前修的多门课程进行分析，提高了课程的挑战度。②问题与实际紧密联系，分析问题的同时提出解决措施，既提高了学生的学习兴趣，又提高了学生解决复杂问题的能力，提高了课程的高阶性。③与课程思政有机融合。通过辉煌的钻探设备发展史、“卡脖子”的钻探技术理论问题、我国钻探行业先进的典型人物案例及我国先进的钻机技术成果，深入挖掘了40个钻探设备课程思政元素，并有机融入了PBL教学问题中，以此激发学生的民族自豪感，激励学生为民族强盛而努力学习，提高学生的责任心，树立担当意识、职业道德修养。

（二）  线下课堂讨论与总结

线下课堂汇报可以检验学生的学习效果、提高学生的总结归纳能力、提高语言组织与表达能力，通过讨论与争论还可以提高思辩能力。课堂上，各学习小组选出代表汇报小组自主学习的成果，阐述各小组PBL问题的观点和见解。其他同学可提问并展开讨论。教师把控和引导讨论内容，对学生回答不出的问题或有争论的内容要及时给予解答或解释，最后对各小组进行点评，对讨论内容进行归纳总结。

在长期满堂灌的教育模式下，开始时，大学生不擅于线下课堂讨论，问题讨论不踊跃。为提高课堂讨论效果，我们采取了如下有效措施：①减少课堂讨论学生的人数，使人人参与讨论；②鼓励学生踊跃发表自己的观点，允许学生说错，但需要对学生的错误观点进行客观分析，说明原因，并给出正确的参考答案；③学生思维活跃、接受新鲜事物快、超前意识强，教师一般不轻易否定学生的观点；④讨论成绩计入期末总成绩。一般经过2～3次课堂讨论后，学生的积极性就会高涨起来。

四  钻探设备课程教学资源建设

基于OBE教育理念的PBL教学法，需要丰富的线上线下教学资源，学生才能通过自主学生与讨论，给出PBL问题的合理答案[8]。根据钻探设备部件的内部结构和工作原理的复杂性和抽象性，课程内容与实际联系紧密的特点，采用线上线下相结合的教学方法进行课程教学。线上教学，采用计算机虚拟仿真技术模拟展示设备部件内部结构和工作原理；线下教学，除课堂汇报和讨论外，采用实体实验平台与实验模型的方法进行真实实验教学，学生可动手操作设备、拆装部件，增强对钻探设备结构工作原理的感性认识。

（一）  线上教学资源建设

1  钻探设备课程MOOCs建设

MOOCs（Massive Open Online Courses）为大规模开放在线课程。借助MOOCs课程，学生的学习时间和地点自由，大大方便了学生的课程学习。综合考虑地质工程专业培养方案、课程特点、学生的知识结构和学习特点，将钻探设备课程内容碎片化成多个知识点，制作了总时长1 000余分钟的MOOCs教学视频。依托超星学习通、智慧树网络教学平台，配合授课视频进行线上教学。线上教学平台上配有45个PBL问题、15个作业题和8个互动题，根据课程的教学进度分批发放给学生。