“新工科”背景下地方高校《核反應(yīng)堆物理分析》課程教學(xué)的改革與實(shí)踐

陳珍平　郭倩　謝金森　于濤　王振華

摘 要：《核反應(yīng)堆物理分析》是核工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它在核工程系列專業(yè)課程中處于核心地位。由于該課程涵蓋內(nèi)容多，理論性較強(qiáng)，物理概念抽象，對(duì)數(shù)學(xué)功底要求高，且由于“核”特殊性無法開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)倍感枯燥，難以掌握，從而興趣度大大降低，達(dá)不到預(yù)期教學(xué)效果。文章結(jié)合“新工科”背景下地方高校的專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)針對(duì)本門課程的教學(xué)環(huán)節(jié)，探索通過仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)配合課程的理論教學(xué)，提高學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，幫助學(xué)生加深對(duì)課程知識(shí)的理解和構(gòu)建清晰的理論體系，提升整體教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：新工科；地方高校；核反應(yīng)堆物理；仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）06-0072-03

Abstract： The Nuclear Reactor Physics Analysis which is one of the most important basic courses for students majoring in nuclear engineering plays a significant role in the education of the nuclear engineering specialized courses. However， the course covers many sophisticated and metaphysical nuclear theories and methods. Furthermore， the nuclear experiments related to reactor physics are difficult to be carried out in local universities. As a result， the undergraduate students will feel bored and lose the interests in learning. Considering the current situations of the course in local universities， the reactor physics' simulation experiment coordinated with the theory teaching is adopted in the teaching course. Students' enthusiasm and initiative of learning are improved. In addition， the experiments help students clearly understand the theories.

Keywords： emerging engineering； local universities； nuclear reactor physics； simulation experiment

《核反應(yīng)堆物理分析》是核工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它在核工程系列專業(yè)課程如《核反應(yīng)堆熱工水力學(xué)》《核反應(yīng)堆安全分析》《核電廠控制與運(yùn)行》《核電廠概率安全評(píng)價(jià)》等課程中處于核心地位。但是，目前在本門課程教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)由于此課程內(nèi)容較多，理論性很強(qiáng)，物理概念抽象，對(duì)數(shù)學(xué)功底要求較高，且由于“核”特殊性無法開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)倍感枯燥，難以掌握，從而興趣度大大下降，導(dǎo)致達(dá)不到預(yù)期教學(xué)效果。本文主要探索通過仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)配合《核反應(yīng)堆物理分析》的理論教學(xué)，以提升教學(xué)質(zhì)量。

一、國(guó)內(nèi)外核反應(yīng)堆物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀與分析

對(duì)于歐美核強(qiáng)國(guó)而言，由于其核工程發(fā)展歷史悠久、專業(yè)成熟度高、課程教育重視實(shí)踐等特點(diǎn)，在進(jìn)行《核反應(yīng)堆物理分析》課程教學(xué)過程中，普遍配合仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以加深學(xué)生對(duì)于課程知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和理解，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力，增進(jìn)創(chuàng)新意識(shí)。以美國(guó)為例，美國(guó)能源部牽頭為其國(guó)內(nèi)的核工程高校開發(fā)了可用于開展核工程仿真實(shí)驗(yàn)的VERA平臺(tái)，基于VERA平臺(tái)可以進(jìn)行核反應(yīng)堆物理相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。而歐盟中的核強(qiáng)國(guó)如法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家由于采用的是工程師培養(yǎng)制度，在核工程專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)過程中更加注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

相對(duì)于歐美核強(qiáng)國(guó)而言，由于國(guó)內(nèi)本身核工程的專業(yè)成熟度以及核工程相關(guān)技術(shù)的自主化程度仍處于發(fā)展階段，使得在國(guó)內(nèi)高校的核工程專業(yè)課程教學(xué)中，特別是核反應(yīng)堆物理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以實(shí)際開展。因此，部分核工程院校逐漸開始嘗試通過仿真實(shí)驗(yàn)來提升核反應(yīng)堆物理課程的教學(xué)質(zhì)量。例如，西安交通大學(xué)建立了核電廠與火電廠系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，圍繞核反應(yīng)堆相關(guān)專業(yè)課程開展了系列仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。華北電力大學(xué)基于堆芯物理數(shù)值仿真程序輔助開展核反應(yīng)堆物理課程設(shè)計(jì)。西南科技大學(xué)利用SIREP仿真模擬器以法國(guó)1300MW四環(huán)路機(jī)組數(shù)據(jù)為參考，對(duì)反應(yīng)堆一、二回路主要系統(tǒng)及其控制調(diào)節(jié)進(jìn)行了模擬仿真，可以整體運(yùn)行模擬從冷停堆到滿負(fù)荷功率運(yùn)行的全過程以及各種瞬態(tài)過程的堆芯中子物理學(xué)效應(yīng)。武漢大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)和南華大學(xué)等高校都配套建立了核工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，以輔助《核反應(yīng)堆物理分析》以及其他核工程類專業(yè)課程開展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

二、基于核反應(yīng)堆物理仿真實(shí)驗(yàn)提升課程教學(xué)質(zhì)量的改革與實(shí)踐

通過對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程和教學(xué)實(shí)踐三個(gè)方面的重點(diǎn)建設(shè)，建立符合我校實(shí)際的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。首先，進(jìn)行核反應(yīng)堆物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)，主要根據(jù)當(dāng)前《核反應(yīng)堆物理分析》課程的授課教材，結(jié)合國(guó)內(nèi)外其他高校仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)情況，篩選出若干重要的物理概念和理論，并根據(jù)目前我校仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源的保有情況，確定合理可行的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容；其次，開展核反應(yīng)堆物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程設(shè)計(jì)，根據(jù)已經(jīng)確定的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法、教學(xué)結(jié)果評(píng)價(jià)等教學(xué)要素，形成科學(xué)合理的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程體系，使得仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展具有切實(shí)的可行性和可操作性；最后，實(shí)施核反應(yīng)堆物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐，基于已構(gòu)建的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，在核工程專業(yè)中開展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，并對(duì)教學(xué)實(shí)踐結(jié)果進(jìn)行定性與定量評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)結(jié)果反饋的后續(xù)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，進(jìn)而對(duì)后續(xù)的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，形成優(yōu)化的教學(xué)模式，最終將優(yōu)化的教學(xué)模式推廣到核類其他專業(yè)的課程教學(xué)實(shí)踐中。

（一）核反應(yīng)堆物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

1. 仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選題。主要根據(jù)當(dāng)前《核反應(yīng)堆物理分析》課程的授課教材，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外其他高校仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)情況，篩選出若干重要的物理概念和理論，并根據(jù)目前我校仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源的保有情況，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開展的可行性論證之后，最終確定10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

2. 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建。以我?！昂四芘c核技術(shù)工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”的相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為依托，針對(duì)表1確定的10個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，搭建相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如表2所示。

（二）核反應(yīng)堆物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程設(shè)計(jì)

1. 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分類?；诒?擬定的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和表2搭建的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為四類：驗(yàn)證性項(xiàng)目（2個(gè)）、設(shè)計(jì)性項(xiàng)目（2個(gè)）、綜合性項(xiàng)目（3個(gè)）和創(chuàng)新性項(xiàng)目（3個(gè)）。

2. 明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。每個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕獓@《核反應(yīng)堆物理分析》課程相關(guān)章節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)展開，其主要目的在于通過仿真實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生加深對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)與理解，獲得更直觀與感性的認(rèn)知，幫助學(xué)生構(gòu)建更加清晰的物理概念和理論體系。

3. 確定教學(xué)方法。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)的類別（驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新性），以及不同類別實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)不同，分別采用案例法、講授法、討論法和自學(xué)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4. 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)類別、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)目標(biāo)的不同，在學(xué)生完成相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之后，需要提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、設(shè)計(jì)報(bào)告和創(chuàng)新總結(jié)報(bào)告等材料，作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（三）核反應(yīng)堆物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐

1. 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐?；谝褬?gòu)建的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，在核工程專業(yè)《核反應(yīng)堆物理分析》教學(xué)任務(wù)中，選取兩個(gè)本科班級(jí)開展核反應(yīng)堆物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)試點(diǎn)工作，開展“理論+實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)改革實(shí)踐。

2. 教學(xué)效果評(píng)價(jià)。在《核反應(yīng)堆物理分析》教學(xué)過程中，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，同時(shí)借助期末考試、平時(shí)作業(yè)以及開放習(xí)題等過程的成績(jī)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真教學(xué)實(shí)踐的結(jié)果進(jìn)行定性與定量評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)理論教學(xué)的質(zhì)量提升情況。

3. 評(píng)價(jià)結(jié)果反饋。將仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)價(jià)結(jié)果反饋的后續(xù)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，進(jìn)而對(duì)后續(xù)的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，形成更優(yōu)化的教學(xué)模式，最終將優(yōu)化的教學(xué)模式推廣到核類其他專業(yè)課程的教學(xué)實(shí)踐中。

三、“新工科”背景下開展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐的作用與意義

核反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)通常具有高危、高成本、高消耗或極端環(huán)境，具有不可及或不可逆的操作特點(diǎn)，難以在高校開展，而依靠常規(guī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備又無法滿足教學(xué)需求，對(duì)學(xué)生掌握相關(guān)的知識(shí)和技能帶來很大的不便。因此，考慮到核反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)在實(shí)施上的困難性和特殊性，探索通過模擬仿真的手段來開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（一）基于仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可提高學(xué)生對(duì)核反應(yīng)堆物理課程的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性

《核反應(yīng)堆物理分析》是一門以高等數(shù)學(xué)、概率論、原子核物理等為基礎(chǔ)的理論性課程，是核工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。由于本門課程理論性較強(qiáng)，涉及中子物理的相關(guān)概念較為抽象，且由于“核”特殊性無法開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致很多學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)倍感枯燥，難以掌握，達(dá)不到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。然而，心理學(xué)原理告訴我們，教學(xué)最好的方法和目的是在于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，高度發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。學(xué)生對(duì)課程中的理論學(xué)習(xí)缺乏興趣，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程則能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性、參與意識(shí)和表現(xiàn)意識(shí)。因此，通過仿真實(shí)驗(yàn)既能使學(xué)生更形象生動(dòng)地掌握原來枯燥無味的核反應(yīng)堆物理課本知識(shí)，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力，從而最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

（二）基于仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能幫助學(xué)生構(gòu)建清晰的核反應(yīng)堆物理概念和課程理論體系

通過仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，雖然可以有效地激發(fā)學(xué)生們濃厚的學(xué)習(xí)興趣和調(diào)動(dòng)每一個(gè)學(xué)生的積極參與，但是《核反應(yīng)堆物理分析》是一門專業(yè)性極強(qiáng)的理論課程，其涉及中子截面、核反應(yīng)、中子擴(kuò)散理論等眾多晦澀難懂的微觀物理概念，使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中難以建立起直觀的理論認(rèn)識(shí)和清晰的物理概念。因此，基于仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可幫助學(xué)生在實(shí)際的仿真實(shí)驗(yàn)操作中去解決課程理論中似懂非懂、似是而非的問題，使學(xué)生在具體的仿真實(shí)驗(yàn)過程中掌握專業(yè)知識(shí)。同時(shí)，教師在演示仿真實(shí)驗(yàn)過程中還可啟發(fā)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、過程，并進(jìn)行思維分析。學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)操作過程中能形象、生動(dòng)、直觀地理解和掌握課本知識(shí)，并學(xué)會(huì)以科學(xué)認(rèn)真的態(tài)度將理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合去考慮問題、分析問題和解決問題。因此，基于核反應(yīng)堆物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠幫助學(xué)生構(gòu)建清晰的核反應(yīng)堆物理概念和課程理論體系。

（三）基于仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程理論的學(xué)習(xí)效果并促進(jìn)教學(xué)活動(dòng)的改進(jìn)

《核反應(yīng)堆物理分析》是一門“難教、難學(xué)、難懂”的專業(yè)性極強(qiáng)的理論課程。學(xué)生對(duì)于本門課程反應(yīng)堆物理理論的掌握程度將直接影響后續(xù)《核反應(yīng)堆熱工水力學(xué)》《核反應(yīng)堆安全分析》《核電廠控制與運(yùn)行》《核電廠概率安全評(píng)價(jià)》等專業(yè)課的學(xué)習(xí)效果。因此，在核反應(yīng)堆物理課程實(shí)際教學(xué)過程中，有必要采取多樣化手段對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行測(cè)試與檢驗(yàn)。而實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論學(xué)習(xí)的最好方法。因此，針對(duì)課程中的一些重要物理理論、概念和現(xiàn)象，建立針對(duì)性的仿真實(shí)驗(yàn)，通過學(xué)生進(jìn)行自主地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、開展實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理、現(xiàn)象分析等環(huán)節(jié)可以有效檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)于課程理論的掌握程度和學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，通過學(xué)生學(xué)習(xí)效果的檢驗(yàn)反饋，可以反過來對(duì)課程的理論教學(xué)過程進(jìn)行定期地優(yōu)化與更新，促進(jìn)教學(xué)活動(dòng)的改進(jìn)，進(jìn)而使得整個(gè)課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相得益彰，構(gòu)建良性循環(huán)的課程教學(xué)體系。

四、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)我校核工程專業(yè)《核反應(yīng)堆物理分析》課程的教學(xué)現(xiàn)狀，分析了目前純理論教學(xué)模式存在的弊端，探討了基于仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐，開展了核反應(yīng)堆物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，初步分析了其對(duì)于提升課程整體教學(xué)質(zhì)量帶來的潛在優(yōu)勢(shì)與好處，為后續(xù)進(jìn)一步深入開展實(shí)踐教學(xué)提供一定的理論指導(dǎo)。

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