核輻射測量實驗教學(xué)改革的探索與實踐

劉燕 吳現(xiàn)成 許春萍 張美琴 楊坤杰

摘要：以《核輻射測量》實驗教學(xué)為例，初步研究了“以學(xué)生為中心”教與學(xué)在實驗教學(xué)中應(yīng)用，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核方式等方面進(jìn)行了探索與實踐。實踐表明：學(xué)生實驗成績在新的教學(xué)方法實施后有所提升，學(xué)生實際動手能力以及分析問題解決問題的能力有所增強(qiáng)。本工作希望對高校其他專業(yè)的實踐教學(xué)改革方面提供有用的參考。

關(guān)鍵詞：以學(xué)生為中心;實驗教學(xué);教學(xué)方法;核輻射測量

0 引言

隨著深化本科教育教學(xué)改革的推進(jìn)，強(qiáng)化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)在高等教育中越來越受到重視。以核工程類專業(yè)為例，著力于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的應(yīng)用型本科人才[1]，強(qiáng)化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)已經(jīng)從實驗平臺的建設(shè)[2]逐步深入到實驗課程內(nèi)容的優(yōu)化[3，4]和教學(xué)方法的思考[5，6]，以至實驗成績的評定[7]。從教學(xué)理念來看，高等教育逐漸從“以教師為中心”向“以學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變[8，9]，更加注重以學(xué)生的需求出發(fā)、能夠接受實踐的檢驗。然而，雖然 “以學(xué)生為中心”的教學(xué)改革被普遍關(guān)注，卻仍處于探索階段，且多為課堂教學(xué)模式的變革，并未深入到實踐教學(xué)方面，尤其缺乏“以學(xué)生為中心”在實驗教學(xué)的教學(xué)實施過程的研究。

基于此，本工作將“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念拓展到高校的實驗教學(xué)中來，并以煙臺大學(xué)核工程與核技術(shù)專業(yè)的《核輻射測量》實驗為例進(jìn)行研究，在分析近五年學(xué)生的實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與教學(xué)手段、考核方式等方面對“以學(xué)生為中心”的教與學(xué)在實驗教學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行了深入的實踐與探索。

1 “以學(xué)生為中心”的教與學(xué)在實驗教學(xué)的探索

簡而言之，“以學(xué)生為中心”的教與學(xué)，可以理解為以學(xué)生的學(xué)習(xí)成績?yōu)橹行?、以學(xué)生的學(xué)習(xí)需求為中心，本工作將這一教學(xué)理念深入《核輻射測量》實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，具體內(nèi)容可概述為以下幾個方面：

1.1以學(xué)生需求為中心的實驗內(nèi)容優(yōu)化

隨著核科學(xué)技術(shù)在能源、航天、醫(yī)療、環(huán)境以及材料等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[10，11]，煙臺大學(xué)緊密圍繞國家、區(qū)域重大戰(zhàn)略需求，于2009年開始建設(shè)“核工程與核技術(shù)”專業(yè)，并于2011年招收該專業(yè)本科生，培養(yǎng)適應(yīng)核物理學(xué)科的新發(fā)展、符合國家和山東省核事業(yè)發(fā)展要求的新型核物理人才，能從事核工程及核技術(shù)方面的研究、設(shè)計、制造、運(yùn)行、應(yīng)用和管理的工程技術(shù)人才，從而為我國核電技術(shù)的發(fā)展提供必要的人才輸出。在核工程與核技術(shù)專業(yè)《核輻射測量》的實驗教學(xué)中，其教學(xué)內(nèi)容及培養(yǎng)目標(biāo)主要基于兩個因素：

一方面，通過對國內(nèi)核工程類高校涉及核輻射物理及探測技術(shù)課程的調(diào)研，了解到該課程主要講述各種核輻射探測器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特性及其應(yīng)用，是核工程與核技術(shù)、輻射防護(hù)與環(huán)境工程等專業(yè)的主干課程之一。該類課程的教學(xué)內(nèi)容因高校具體的實驗教學(xué)條件、人才培養(yǎng)目標(biāo)不同而不同，如清華大學(xué)工程物理系的《核輻射物理及探測學(xué)》、華北電力大學(xué)的《核輻射物理基礎(chǔ)》[3]、復(fù)旦大學(xué)的《核輻射探測與測量方法》[12]、南華大學(xué)的《核輻射探測》[13]、西南科技大學(xué)的《核輻射物理與探測學(xué)》[14]、長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的《核輻射探測技術(shù)》[15]，等。

另一方面，總結(jié)了近幾年畢業(yè)學(xué)生的從業(yè)領(lǐng)域，并結(jié)合國內(nèi)其他高校畢業(yè)學(xué)生就業(yè)流向，確定以培養(yǎng)核能工程和輻射防護(hù)的應(yīng)用型技術(shù)人才為目標(biāo)逐步修訂學(xué)生的實驗內(nèi)容：即在實驗內(nèi)容上突出射線測量方法基本原理，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用核輻射測量方法解決科學(xué)和工程問題能力，即讓學(xué)生更了解探測器的性質(zhì)以及性能、學(xué)到“如何分析時候壞了”，各種插件的使用以及插件的性能評價，根據(jù)實驗的需求自己搭建實驗裝置，且能考慮評估實驗條件的影響，而且能夠通過數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，等。

綜合考慮核工程與核技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的主要方向及其未來發(fā)展特色，煙臺大學(xué)將這一課程命名為《核輻射測量》，教授學(xué)生在γ射線測量方法、β射線測量方法、α射線測量方法、氡氣測量方法、中子測量方法、X射線測量方法以及核分析技術(shù)等方面的基本原理，并培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用核輻射測量方法解決科學(xué)和工程問題能力。

該課程特別注重實踐性和應(yīng)用性，實驗教學(xué)更是專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。結(jié)合以上分析，該課程的實驗內(nèi)容設(shè)置了六個實驗：放射性衰變漲落的統(tǒng)計規(guī)律、探測器坪曲線的測量、γ射線的吸收與物質(zhì)吸收系數(shù)的測量、使用單道譜儀測量γ譜線實驗、NaI（Tl）閃爍探測器γ能譜的測量、穿過物質(zhì)后γ能譜的變化。

1.2以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心的實驗邏輯

《核輻射測量》實驗的開展在核電子學(xué)基礎(chǔ)實驗中心下設(shè)的核電子學(xué)與儀器綜合實驗室進(jìn)行，主要儀器有多臺套NIM機(jī)箱（含單道、線性放大器、智能定標(biāo)器等插件）、通用示波器、NaI（Tl）探測器、β/γ符合探頭、金硅面壘探測器、塑料閃爍探測器、多道分析儀等，開設(shè)的實驗及學(xué)時分配如表1所示。

其中，實驗一和實驗二為驗證性實驗，分別驗證放射性衰變漲落的統(tǒng)計規(guī)律和探測器的坪曲線，讓學(xué)生學(xué)習(xí)到核輻射探測類實驗的基本方法并熟悉實驗數(shù)據(jù)的處理、分析及展示方法;自實驗三開始難度有所增加，學(xué)生開始根據(jù)實驗?zāi)康淖约捍钤O(shè)實驗設(shè)備，并且在實驗進(jìn)行中綜合考慮放射源活度、定標(biāo)器閾值與道寬、源距等影響因素;實驗四是經(jīng)典的核輻射探測實驗，學(xué)生需要掌握單道的原理與使用的基礎(chǔ)上，通過示波器等設(shè)備調(diào)節(jié)出合適的探測器工作電壓、線性放大器參數(shù)，進(jìn)而得到并分析137Cs放射源的γ能譜;實驗五為NaI（Tl）閃爍探測器γ能譜的測量，通過實驗觀測到完整的γ能譜，一方面學(xué)生可以深入了解γ譜線諸峰的形成并對能量分辨率有更直觀的了解，另一方面，實驗也要求學(xué)生對得到的能譜進(jìn)行作圖處理，讓其更好掌握作圖的方法;實驗六是綜合性比較強(qiáng)的實驗，雖然在之前的實驗中學(xué)生已經(jīng)對譜線有所認(rèn)知并學(xué)到了作圖的方法，然而將穿過物質(zhì)后γ能譜的變化展示到一張圖片上并描述其變化，在規(guī)定的學(xué)時內(nèi)還是比較緊張的，此外需要與實驗三進(jìn)行綜合分析并形成實驗報告。此外，傳統(tǒng)上核輻射探測類的實驗，如金硅面壘探測器的使用、符合與反符合實驗，考慮課程教學(xué)體系及學(xué)時安排等因素被安排在《核電子學(xué)》實驗中。

1.3以學(xué)生學(xué)習(xí)效果為中心的實驗進(jìn)行

在《核輻射測量》的實驗教學(xué)中突出學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，所以在實驗環(huán)節(jié)、考核方式方面進(jìn)行了細(xì)分，并對實驗記錄提出了具體的要求，這一方面的探索主要體現(xiàn)在兩個方面：

（一）. 實驗指導(dǎo)書方面的改進(jìn)：

1）. 考慮到學(xué)生實驗的循序漸進(jìn)過程，在開始的兩個實驗會提供實驗數(shù)據(jù)的表格，后面的實驗則引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實驗需要觀測與記錄的物理量自己規(guī)劃表格，同樣的，開始提供的實驗步驟詳細(xì)一些，后面的實驗則需要學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)設(shè)計實驗步驟;

2）. 在實驗要求的描述上考慮學(xué)生的感受，比如2011級的講義中要求“實驗前一定要預(yù)習(xí)實驗，并提前將實驗預(yù)習(xí)報告寫好”，2013級以后更改為“為便于實驗順利開展，需在課前預(yù)習(xí)實驗，并提前將實驗預(yù)習(xí)報告寫好”;

3）. 每個實驗后面設(shè)置一些啟發(fā)性的思考題，如實驗四單道的使用方面，設(shè)置了“有沒有其他的方法才實現(xiàn)本實驗？”這一個思考題，讓學(xué)生根據(jù)已有的《核電子學(xué)》和《核輻射測量》知識進(jìn)行思考。

此外，實驗講義的各個細(xì)節(jié)上，逐漸處處體現(xiàn)出 “以學(xué)生為中心”，如在講義“實驗要求”中會一些通俗的說明，將實驗預(yù)習(xí)本、實驗報告、實驗記錄等問題一一交代清楚。

（二）. 實驗分組形式方面的教學(xué)改革

1）. 每個實驗組人數(shù)不超過3人，這樣可以有效減少學(xué)生實驗過程中不動手、只參觀的現(xiàn)象，而且，三個學(xué)生更有利于實驗過程的分工與配合，一般情況下在實驗條件調(diào)試好之后，一人操作、一人記錄、一人進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理;

2）. 實驗過程的精細(xì)化，將每個實驗調(diào)整為4組實驗，這樣指導(dǎo)老師指導(dǎo)一個實驗不超過12個人，會更好的掌握和考核學(xué)生的實驗狀態(tài)，在預(yù)習(xí)報告的查看與提問環(huán)節(jié)方面會更加有效;

3）. 值得一提的是，指導(dǎo)老師在實驗開始前可以大致瀏覽一遍上一次的實驗報告，對學(xué)生實驗報告中出現(xiàn)的明顯問題及時與學(xué)生進(jìn)行當(dāng)面溝通。

1.4突出教師指導(dǎo)的實驗要求和考核方式

（一）. 《核輻射測量》實驗的具體要求

學(xué)生在整個實驗環(huán)節(jié)，除了需要學(xué)習(xí)實驗說明書、相關(guān)操作及實驗室安全規(guī)范，并按照指導(dǎo)老師的要求開展以及填寫實驗記錄等等之外，還需要做的以下幾點：

1）. 需在課前預(yù)習(xí)實驗，并提前將實驗預(yù)習(xí)報告寫好，在實驗儀器預(yù)熱的過程中，溫習(xí)實驗?zāi)康?，核實實驗?nèi)容，確定待觀測物理量;

2）. 實驗記錄均需記錄在實驗預(yù)習(xí)報告本上，為驗證實驗完成程度，實驗結(jié)束后，須由老師簽字確認(rèn)實驗數(shù)據(jù)，方可關(guān)閉實驗儀器，進(jìn)而離開實驗室;

3）. 實驗結(jié)束在接下來的實驗時，需要提交剛結(jié)束實驗的實驗報告。

（二）. 《核輻射測量》實驗的考核方式

不同于以往的三七開的實驗成績方式，學(xué)生的實驗成績一開始就實行分段的方式，由三部分構(gòu)成（實驗成績?yōu)榘俜种疲?/p>

1）. 預(yù)習(xí)情況（25）：其中包括預(yù)習(xí)報告（10）和回答問題（15），前者主要考評學(xué)生對實驗?zāi)康摹⒃淼恼莆找约皩嶒灢襟E的思考，后者則在實驗預(yù)熱的同時展開，指導(dǎo)老師對實驗原理或?qū)嶒灂r的具體問題的進(jìn)行現(xiàn)場提問，以加深學(xué)生對實驗的理解;

2）. 實驗操作（45）：其低層次的目的是考核學(xué)生實驗態(tài)度和紀(jì)律、驗證實驗操作的規(guī)范性，關(guān)鍵是對學(xué)生分析問題和解決問題的能力以及實驗配合與合作情況進(jìn)行考核，不斷挖掘?qū)W生的實驗潛力;

3）. 實驗報告（30）：一份良好的實驗報告應(yīng)該是實驗敘述簡潔明了、過程描述合理清晰、數(shù)據(jù)處理科學(xué)準(zhǔn)確、分析和討論合理深入。一方面，指導(dǎo)老師在編輯實驗指導(dǎo)材料的時候?qū)嶒瀳蟾嫣岢鼍唧w的要求;另一方面，指導(dǎo)老師在每個實驗后面都設(shè)計關(guān)于實驗影響因素或者實驗現(xiàn)實應(yīng)用之類的思考題。這樣，可以指引學(xué)生將實驗結(jié)果與理論預(yù)期進(jìn)行比較，對實驗中觀測到的現(xiàn)象和實驗結(jié)果進(jìn)行合理的解釋，分析和造成實驗誤差的原因并對實驗提出自己的見解和建議。

2 近幾年實驗成績分析

煙臺大學(xué)自2011年招收第一屆核工程與核技術(shù)本科生，已經(jīng)有五屆學(xué)生修讀過核輻射測量這一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，自2013年開始逐步探索“以學(xué)生為中心”的教學(xué)改革，參加實驗的人數(shù)與平均成績?nèi)绫?所示。

從表中可以看出，自2012級學(xué)生開始，每年大約有80名學(xué)生參加《核輻射測量》課程的實驗教學(xué)，學(xué)生實驗成績大致在80分左右，尤以最近的2014級學(xué)生平均成績最高。另外，實驗成績隨分?jǐn)?shù)區(qū)段的分布情況也是很重要的分析方法，近五年核輻射測量實驗課程的成績分段情況如圖1所示，圖中橫坐標(biāo)為分?jǐn)?shù)區(qū)間，縱坐標(biāo)為不同分?jǐn)?shù)區(qū)間的學(xué)生人數(shù)占比。

對比2011級和2012級的學(xué)生實驗成績，學(xué)生人數(shù)由52人變?yōu)?8人，學(xué)生的不及格率有了明顯的提升，70分以下學(xué)生的比例大致從15%升高到46%，80分以上的學(xué)生比例由56%左右降低至46%。在此過程中，在綜合考慮了影響實驗成績以及學(xué)生實驗教學(xué)效果后，對2013級和2014級的學(xué)生實驗教學(xué)做了一些改革，在實驗講義以及實驗分組方面進(jìn)行了一些改革，如上文所述。

從圖2可以看出，嘗試教法改革后的2013級及以后的學(xué)生實驗成績有明顯的變化，不及格率以及70分以下的情況有了明顯的減少，優(yōu)秀率有了明顯的提升。目前，2015級學(xué)生已經(jīng)進(jìn)入大四環(huán)節(jié)，對之前的四屆學(xué)生（2011級-2014級）實驗成績中優(yōu)秀率、80分以上（即良好以上）占比以及考研率進(jìn)行簡單對比，如圖2所示。從圖中可以看出，雖然2011級-2013級學(xué)生核輻射測量實驗成績優(yōu)秀率有一些波動，但其良好及以上的比率一直有所提升。值得注意的是，這四屆學(xué)生的考研率一直在穩(wěn)步提升，眾所周知，核工程類專業(yè)不僅厚基礎(chǔ)而且重實踐，從某些角度上講考研率的上升的趨勢也反映出學(xué)生對核工程與核技術(shù)專業(yè)核心課程的把握水平，一定程度上也反映出《核輻射測量》實驗教學(xué)探索的成效。

3 結(jié)語

本工作將“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念深入高校實驗教學(xué)中，具體的工作可以總結(jié)為以下幾個方面：

1）. 以煙臺大學(xué)核工程與核技術(shù)專業(yè)《核輻射測量》的實驗教學(xué)為例，探索了“以學(xué)生為中心”在高校實驗教學(xué)的教學(xué)方法改革，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段及考核方式方面進(jìn)行了改進(jìn)與探索;

2）. 通過論述了近四年2011級-2014級學(xué)生該課程實驗內(nèi)容設(shè)置、實驗要求、考核方式以及實驗講義方面的一些改進(jìn);

3）. 從近幾年學(xué)生《核輻射測量》實驗成績來看，改進(jìn)新的教學(xué)方法后，提升了學(xué)生的實驗教學(xué)效果，學(xué)生興趣明顯高漲，不僅促進(jìn)了學(xué)生課堂教學(xué)的理論知識的理解，而且為本專業(yè)在今后的工作、科研工作中實驗方面打下了基礎(chǔ)，提升了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題以及解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹博，陸道綱，吳軍，等人.華北電力大學(xué)核工程與核技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)體系[J].中國電力教育， 2011，（21）： 32-34.

[2] 韓冬，王忠， 王金愛，等.輻射探測實驗室實驗平臺的建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2009，26（5） ：79-80，87.

[3] 屈國普，郭蘭英.核物理與核技術(shù)專業(yè)的核物理實驗課程的現(xiàn)狀及改進(jìn)[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)， 1999， 19（3）：239-241.

[4] 黑大千.核輻射探測與劑量實驗課程教學(xué)探討[J].科教文匯，2013，（233） ：64-65.

[5] 劉宏章，邱盛芳，曹慧.核技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)的思考與探討[J].咸寧學(xué)院學(xué)報，2011，31（12），50-51.

[6] 熊正燁，鄭碧華.從能譜測量實驗談教學(xué)方法變化[J].物理實驗，2004，24（1） ：29-30，34.

[7] 曾文杰，俞紅，趙越，等人.核輻射探測與核電子學(xué)實驗課程成績評定方法研究[J].高教學(xué)刊， 2017， （1）：46-47.

[8] 趙炬明，高筱卉.關(guān)于實施“以學(xué)生為中心”的本科教學(xué)改革的思考[J].中國高教研究，2017，（8），36-40.

[9] 郭興蓬，張華民. 改革實驗教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)[J].高等教育研究，1988，（4），82-84.

[10] 杜曉超，袁顯寶，楊先衛(wèi).核工程與核技術(shù)專業(yè)的前景[J].中國電力教育，2013，（17），28-39.

[11] 李小華，于濤，肖德濤，等人.核科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)人才創(chuàng)新培養(yǎng)模式的探索與實踐[J].江西教育學(xué)院學(xué)報（綜合），2012，33（6），6-11.

[12] 張雪梅，黃敏，陳建新.復(fù)旦大學(xué)核技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)體系的創(chuàng)建與運(yùn)行[J].中國大學(xué)教學(xué)， 2013，（1）：88-90.

[13] 鄭波，屈國普，王振華，等人.核類專業(yè)本科卓越人才培養(yǎng)探索[J].中國電力教育， 2013， （16）：22-23.

[14] 葉濱，李顯寅，尤曉建，等人.西南科技大學(xué)核專業(yè)實驗實踐教學(xué)發(fā)展及現(xiàn)狀[J].西南科技大學(xué)《高教研究》，2015，（4）：59-60，78.

[15] 閆淑梅.高職學(xué)校《核輻射探測技術(shù)》課程教學(xué)改革的探討[J].中國科技信息， 2010， （18）：262，273.

作者簡介：第一作者：劉燕（1980-），女，山東聊城，碩士，講師，煙臺大學(xué)核裝備與核工程學(xué)院，主要從事核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域研究。

通信作者：楊坤杰（1983-），男，山東諸城，博士，副教授，煙臺大學(xué)核裝備與核工程學(xué)院，主要從事核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域研究。

基金項目：煙臺大學(xué)教學(xué)改革項目（“核輻射測量實驗教學(xué)的研究與實踐”，C052）;煙臺大學(xué)教學(xué)改革項目（基于OBE的《核輻射測量》課程教學(xué)模式改革與實踐，jyxm2020013）;煙臺大學(xué)第三批在線課程建設(shè)“核輻射測量”。