1. 引言
2022年10月，党的二十大报告首次把教育、科技、人才进行“三位一体”统筹安排、一体部署写入报告，并首次提出“推进教育数字化”[1]，赋予了教育在全面建设社会主义现代化国家中新的使命任务，明确了教育数字化未来发展的行动纲领，具有重大意义。《渗流力学》是建立在多种学科基础之上的应用学科，传统《渗流力学》教学中存在：① 课程综合性强，对师生要求高；② 教学内容过于偏重理论教学，学生的工程应用能力欠缺；③ 线上学习平台建设不完善，师生间的教学互动较少，在通过长期的教学实践之后，涌现出了大量例如教师难教，学生难学，教学效果差等问题[2] [3]。于此，怎样有效地提高课堂教学的效果和质量，培养学生独立解决地层流体渗流等相关问题的能力，是大多数渗流力学讲师始终在努力思考和探索的难题。因此在教育数字化转型背景下，对于适应新时代的新型教育的探索势在必行，对《渗流力学》课程教学改革的分析值得深入研究。
2. 传统教育方法成果并不明显，教育改革道阻且长
2.1. 课程具有综合性强，学生学习效果差
《渗流力学》作为石油工程以及海洋油气工程等专业的一门集理论探索与实验研究并重的专业基础课程，是建立在多种学科基础之上的应用学科，其具有较强的理论性、缜密的逻辑性以及公式较多、知识覆盖面较广等特点。该课程的基本教学任务是向本专业的学生进行系统地讲解油、气、水等流体在地层多孔介质条件下的渗流原理以及基本研究方法等等，为学生构建渗流知识体系，培养学生解决一般的油气水渗流问题以及解决油气田储层渗流问题的能力，争取达到能认识油层、改造油层并且合理利用油藏特性的目的。但是对于油、气、水等流体在地下储层中的运动规律、物质状态以及地层流体的渗流等现象，学生们既看不见又摸不着，其不像地面的河流、渠流那样直观，对于学生而言，该课程的理论知识较为抽象，缺少自身的客观感知，不易理解。此外，在实际的教学过程当中，传统教育的教学方式主要以黑板板书推导公式为主，不仅枯燥乏味，其理解难度还特别高。一旦学生对于数学专业及相关学科知识储备不足、油气藏基础理论知识有所欠缺，就会导致课程教学出现课堂效率低下、学生学习兴趣不高等情况。因此，一套行之有效的《渗流力学》教学模式是师生共同的追求。
2.2. 通过5E教学模式，提高教学质量
5E教学模式以探究为核心、以学生为主体，通过引入(Engagement)、探究(Exploration)、解释(Explanation)、迁移(Elaboration)、评价(Evaluation)这种循序渐进的阶段式教学过程，可以推动学生进行深度的学习、探索，促进学生科学思维和探究能力的提升[4]。5E理论中所包含的“引入”和“探究”环节可以使得《渗流力学》课程中枯燥的公式和理论通过实际企业生产过程进行引入和推导，并通过“解释”、“迁移”和“评价”环节论证理论如何服务于实际生产，五个环节的紧密结合有利于提高该理论课的生动程度，调动学生的主观学习能力和经济性，并最终提高石油工程专业学生的专业技术应用能力(如图1)。刘畅等人研究发现，近乎90%的学生都认为5E教学模式有效地增强了学习的主动性和积极性，让学生成为教学主体，能够理解并掌握新知识、新技能[5]。基于教育数字化背景下，5E教学模式能够充分发挥数字化、智能化、信息化的优势，利用5G技术、AI虚拟技术等创设要素全面的油藏渗流动画和虚拟实验案例进行“引入”和“探究”，利用线上 + 线下的混合教学模式对所展示的虚拟实验和蕴含的渗流现象和机理进行“解释”、利用翻转课堂引导学生“迁移”应用所学知识解释新的情境以及新的问题、利用雨课堂等线上平台开展“评价”环节的师生互评和生生互评。因此，基于教育数字化背景下的5E教学模式可创新《油气层渗流力学》课程教学形式、丰富评价体系、激发学习兴趣，实现提升教师教学质量和增加学生学习效果的双重目标。
Figure 1. Conceptual model of the “5E” teaching model
图1. “5E”教学模式概念模型
2.3. 缺乏实践经验，限制了5E理论教学模式的实施与推广
5E教学模式的适用领域较广，在国内高校的普及率较高，目前已广泛应用生物、化学、物理等理科科目，但根据相关资料显示，5E教学模式尚未在力学教学中得到广泛的应用，其在《渗流力学》课程教学中的应用和创新更是鲜有报道。5E教学模式是一套完整的教学程序，其中的各个环节既相互独立、各司其职又相辅相成、环环相扣，符合《渗流力学》课程改革的基本要求。将该模式应用于《渗流力学》课程的教学中将有利于优化课堂教学模式，提高课堂教学有效性，推动教学改革的实施。但在教学数字化背景下，5E教学模式在《渗流力学》课程中的应用和推广尚有诸多问题亟待解决。首先，5E教学模式存在一定局限性，其与《渗流力学》课程内容的兼容性尚待评估，且适用的课程内容有待筛选；其次，基于5E教学模式的《渗流力学》课程改革与教学活动流程设计缺乏具体实践，配套的教学理论体系和数字化学习资源尚未完善；除此之外，教育数字化转型背景下5E教学模式的各环节衔接方法和教学效果多元化评价方式未完全形成，限制了5E教学模式在《渗流力学》课程的推广与应用[4]。
为此，本文以教育数字化背景下《渗流力学》课程的5E理论教学模式改革与实践展开研究。基于数字化技术，将5E教学模式引入至《渗流力学》课程教学中，评估5E教学模式与《渗流力学》的课程兼容性，构建基于5E教育理念的渗流力学教学模式和理论体系，完善5E教学模式所需的数字化学习资源以及配套设备，探讨5E教学模式的各环节的衔接方法以及教学效果多元化评价方式，揭示5E教学模式教学效果的反馈机制。教育数字化背景下《渗流力学》的5E理论教学模式改革能够提升学生的理论和工程应用能力，有助于实现石油领域工程人才的培养目标。
3. 5E教学理念在改革中的体现
5E教学理念突出以学生为中心，教师为桥梁，此前的教学实践无不体现着这种模式对学生引导的高效性以及全面性。王志等人研究了5E教学模式在文献检索教学中的应用，通过自主选题的方式引入，向学生进一步地说明获取文献的方法与策略，然后通过小组合作，对相关文献进行分析和评述，最后对文献查询结果以幻灯片(power point, PPT)的方式进行小组汇报，总结评价，发现5E教学模式有助于创新能力的有效提升。综合已有的教学实践，我们可以将5E教学的前期准备分为三部分：收集“引入”和“探究”环节的材料；准备“解释”和“迁移”环节的教学方法；探索“评价”部分的多元化评估法。
3.1. 创建针对“引入”和“探究”环节的《渗流力学》数字化学习资源
5E教学模式的应当注重“引入”部分，通过教学内容筛选，优选适用于该模式的渗流力学教学内容(如图2)，吸引学生的学习兴趣，才能够使得教学效果最优化[6]。适用于5E教学模式的课程内容主要分为三类：概念类、实验研究类和规律类。《渗流力学》中概念类知识集中于第一、二章节，包括达西定律、渗流力学分析、油藏驱动类型、多相渗流等，教学时可利用大学物理、油层物理、流体力学、石油地质基础等课程中已初步接触的知识，创建生活化的物理情景，激发学生的求知欲和探究欲；实验研究类包括单向流、径向流稳定渗流模拟实验，多井干扰电模拟实验；规律类包括流体稳定渗流、不稳定渗流、油水两相渗流等压力场、速度场等变化规律。通过对三类适用于5E模式的教学内容筛选，引导学生进行深入思考，让他们自己发现并总结相关知识，增强学生的参与感以及成就感，实现学生的深度探究和高校学习[7]。
Figure 2. Virtual case diagram of fluid migration during oil and gas field development
图2. 油气田开发过程中流体运移虚拟案例图
教学策略构建：针对“吸引”环节，启发性设置真实情境，或者近期发生的一些时事热点，快速吸引学生的学习兴趣，同时运用问题串加以引导、过渡，制造认知冲突，引发学生思考。针对“探究”环节，让学生在自主研究中理解概念，通过虚拟工程案例和油藏渗流动画展示，再经过教师由浅入深的设计问题串引导，顺应学生的逻辑认知，在提升学生科学探究能力和科学思维能力的同时达成深度学习的目标。以“油水两相渗流理论”为例，教师在进行实际教学时应先引导学生系统回顾液体、气体渗流时基本概念与规律，同时展示实际油藏开发案例示意图，抛出本章节需探究的两相流问题；接着运用问题串引导学生思考油水两相渗流中可能会存在异于单相流的概念和各种渗流特征，最后抛出具有挑战性的问题“油水两相渗流时含水饱和度、水驱前缘运移特征”，设置具有层次性的问题链条，诱导学生层层深入地探究，帮助学生完成逻辑推理。
虚拟案例设计：利用5G技术、AI虚拟技术、影视技术、油藏数值模拟技术(如图3)等手段创设要素全面的油藏渗流动画和虚拟实验案例以及在线课件、在线视频建设等工作。建设内容包括水电比拟虚拟实验，引入径向流、井间干扰和水平井渗流等知识点；一维岩心驱替虚拟实验，直观再现单相流和油水两相流，进而引入B-L方程等知识点；油藏三维开发演示实验，动态展示试井过程以及各种驱替方式等。
Figure 3. Schematic diagram of reservoir numerical simulation structure
图3. 油藏数值模拟构造示意图
3.2. 建立针对“解释”和“迁移”环节的案例式教学方法和教学模式
运用多样化的教学方法：根据实际情况灵活多变的选择合适的教学方法，将5E教学模式与其它教学方法相结合，提高教学效率和教学质量。如借助思维导图和概念图等方式帮助学生将分析的知识系统化，帮助学生建构知识网络脉络图；将5E教学模式与问题链教学模式相结合，疑问导学，引发学生的深度思考；利用线上 + 线下的混合教学模式对所展示的虚拟实验和蕴含的渗流现象和机理进行“解释”；利用翻转课堂引导学生“迁移”应用所学知识解释新的情境以及新的问题，将课堂的重心从教师转移到学生身上。
课内案例“解释”与工程案例“迁移”相结合：学生通过课堂在线教学案例的学习，对所展示的虚拟实验进行解剖，对蕴含的渗流现象和机理进行解释，并通过数学建模将其转化为数学语言，并通过线上论坛参与工程案例的课外研讨活动，然后结合实际应用案例使得课程中原本枯燥的数学模型具备实验或工程背景，加深学生对模型、公式和定理的理解和认识。之后，让学生进行分组进行工程案例研讨，采用举一反三的方法，鼓励学生在原虚拟实验的基础上进行拓展，思考哪些实际工程问题中还会涉及该理论和方法，增强学生对于渗流理论的实际应用能力。
课内理论知识学习与课外工程应用扩展相结合：引导学生多调研文献，积极了解最新工程案例与技术，通过研讨课的方式将课内理论知识学习与课外工程应用扩展相结合，提升学生知识的综合应用能力和工程实践能力。学生在课内进行工程案例研讨结果的小组汇报，教师根据学生对工程案例的理解和掌握情况进行及时点评、讲解和答疑。
3.3. 探索针对“评价”环节的《渗流力学》多元化教学考核评估方法
“师生互评” + “生生互评”的评价方式：采用不记名的“师生互评” + “生生互评”的评价方式，教师及时掌握学生学习情况，帮助学生及时改正错误之处，针对课程中存在的普遍问题集中答疑，对个别问题及时点对点答疑辅导。教师通过学生的评价，了解自己教学时的一些不曾注意的问题，并通过学生集中反馈的意见，对在线课件、视频、工程案例等数字化资源不断更新，完善5E教学模式的各环节衔接方法，建立5E教学模式教学效果的反馈机制，实现渗流力学课程整体教学质量的进步和提升。
“在线测试” + “线下考试”的评价手段：采用线上测验的手段，教师可实时掌握学生每小节的学习情况，如希沃白板、迅捷白板、钉钉、超星学习通等教学软件；通过线下考试，教师能够了解学生对《渗流力学》知识体系的系统掌握和综合应用情况；以课程报告的形式考察学生将基础知识应用于工程实践中的能力。三者相互结合，加强了教师对教学质量的掌控。
4. 困难与机遇并存
目前5E理论多应用于物理、化学等纯理论学科中，而各种物理化学现象为上述学科中知识点的引入和探究等提供了很大的可行性。油气渗流存在于地下，既看不见又摸不着，因而如何基于渗流力学课程的工程背景，筛选合适的教学内容，创建基于数字化技术的学习资源，将抽象的渗流问题具象化，构建基于教育数字化转型背景下5E教学模式的各环节衔接方法，使得5个部分在授课过程中可以形成一个完整的链条，成为5E理论在《渗流力学》课程中发展的重大阻碍。
此外，5E理论中所包含的5个部分是递进而非并列过程，其中引入环节旨在吸引学生的学习兴趣，探究环节是在引入的基础上进一步地提高学生在学习中的参与度，而解释和迁移环节主要是根据引入和探究过程中学生的学习反馈进行知识点的讲授，最后的评价环节是在总结评价的基础上增强该模式的后续应用效果。因此，构建多元化的教学评价体系，建立5E教学模式教学效果的反馈机制，也是5E改革的必行之路。
改革的过程中，难免会有阻碍的存在，但机遇往往与困难并存，作为《渗流力学》数字化转型的核心，5E教学理念的发展与探究为本课程及类似课程提供了一条全新的、高效的教学方法。于此，明确发展思路，解决相应的困难才能进一步提高高校相关专业的教育效果。
5. 结语
本文以“让学生重新成为教学主体”为核心，详细地论述了5E教学理念在教育数字化前提下《渗流力学》课程中的综合运用。强调“5E”应当同时进行，同时利用互联网搭建虚拟教学平台，满足部分学生的自主学习要求，实现线上线下双线教学。
传统的教育理念已经不再适用于当前新工科人才的培养，全新的教育模式改革势在必行。在教学数字化的背景下，5E教学模式在《渗流力学》中的实践与创新推动了高等教育改革的发展。任何教学方法本质上都只是实现教学目标的一种手段或途径，5E教学模式作为一种以学生为主体的探究式教学模式，也需要与其他教学方法结合使用，以达到更好的效果。