基于校企共建DCS系統(tǒng)的核工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學模式探索與實踐

趙媛媛　張斌　吳宏春

［摘 要］深入推進產(chǎn)學合作協(xié)同育人、產(chǎn)教融合，是解決高校和企業(yè)人才輸出與人才需求脫節(jié)問題的重要途徑，也是高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制的重要方式，更是提高復合型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑。文章結(jié)合西安交通大學核能與廣核共建DCS開放實驗室協(xié)同育人實踐基地，提出基于校企合作、協(xié)同育人的實驗教學模式及培養(yǎng)方案，其實踐取得了良好的成效。

［關(guān)鍵詞］協(xié)同育人；核能；實驗教學

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0213-04

2017年12月5日，國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見》（以下簡稱《意見》）?！兑庖姟诽岢鲆鸩教岣咝袠I(yè)企業(yè)參與辦學程度，健全多元化辦學體制，全面推行校企協(xié)同育人，用10年左右時間，形成教育和產(chǎn)業(yè)統(tǒng)籌融合、良性互動的發(fā)展格局，完善健全需求導向的人才培養(yǎng)模式，基本解決人才教育供給與產(chǎn)業(yè)需求重大結(jié)構(gòu)性矛盾 [1]。黨的十九大明確提出“深化產(chǎn)教融合、校企合作”的要求，實現(xiàn)應(yīng)用型專業(yè)的培養(yǎng)目標關(guān)鍵是強化實踐教學，搭建好校企共建開放實驗室平臺，從而達到實踐育人、協(xié)同育人的目的。企業(yè)和高校深化產(chǎn)教融合和校企合作，充分利用企業(yè)實踐基地自身優(yōu)勢與高校教師智力資源，圍繞產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)、核心工藝和共性問題開展協(xié)同創(chuàng)新，探索企業(yè)與高校資源共享、利益共贏的機制，加快推動基礎(chǔ)研究成果向產(chǎn)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化[2]。

實踐教學對于學生技能的培養(yǎng)、知識的獲取、能力的形成與發(fā)展起著重要的作用。因此，在安排理論教學的同時，必須加強實踐教學，使理論與實踐相結(jié)合，使學生所掌握的知識向?qū)嵺`能力方面轉(zhuǎn)化。實踐教學環(huán)節(jié)的安排，必須有利于開發(fā)學生的智力、培養(yǎng)和發(fā)展學生的能力。

大力發(fā)展核科學技術(shù)研究、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是我國國防安全和能源經(jīng)濟的重大需求。由于核工程專業(yè)的特殊性，實驗平臺的建設(shè)非常昂貴，且安全性要求極高，所以目前我國大部分院校沒有涉核實驗平臺，導致核工程專業(yè)的人才培養(yǎng)在感性認知方面存在明顯不足。

由于涉核實驗平臺的嚴重短缺，許多高校不得不把學生派到核電廠或核工程研究設(shè)計院進行實習。但核設(shè)施的操作有非常嚴格的安全要求，學生基本不能參與操作，只能參觀或聽現(xiàn)場教學，這雖然能起到一定的彌補作用，但猶如“隔靴搔癢”，無法系統(tǒng)建立起學生對核工程專業(yè)的感性認知。隨著第四次信息工業(yè)革命的到來，虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展給虛擬仿真實驗帶來了契機。虛擬仿真實驗雖然尚不能完全替代實際工程實驗，但幾乎可以模擬所有的工程現(xiàn)象，而且還可以進行實際工程實驗無法進行的仿真實驗，對幫助學生建立起感性認知體系有很大的幫助。所以，近年來很多高校開展了虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)，通過開展虛擬實驗，讓學生揭示并掌握“核”的機理和規(guī)律[3]。但虛擬仿真實驗平臺如何建設(shè)、如何實驗，才能使得“虛擬”實驗平臺真正做到“仿真”，仍然是個值得探索的問題。

近年來，由于校企合作不夠緊密，高校培養(yǎng)的人才無法完全滿足企業(yè)對人才的要求，人才培養(yǎng)模式和人才輸出質(zhì)量滯后于行業(yè)新技術(shù)的發(fā)展[4]。企業(yè)為了解決這一問題，往往不得不投入大量的精力對新招員工進行崗前培訓，以彌補其在高校所學知識的嚴重不足。因此，加強校企協(xié)同，與在校大學生共同完成實踐性教育也是企業(yè)的最大期待。

基于此，西安交通大學與中廣核集團深度合作，依托西安交通大學核電廠與火電廠系統(tǒng)國家級虛擬仿真實驗教學中心，共同搭建了核電廠反應(yīng)堆真實使用的DCS系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)開發(fā)了一系列虛擬仿真實驗，在感性認知培養(yǎng)和實踐能力提升方面取得了良好效果。

一、校企共建DCS系統(tǒng)

西安交通大學在核工程專業(yè)人才培養(yǎng)方面一直享有盛譽，中廣核集團作為國際一流的核能集團，是全球領(lǐng)先的核能供應(yīng)商與服務(wù)商，曾成功建設(shè)大亞灣核電站，填補了國內(nèi)大型商用核電站的空白，實現(xiàn)了中國大型商用核電站的起步。

核電廠DCS系統(tǒng)由中廣核核電運營公司培訓中心開發(fā)，利用CPR1000核電站機組真實數(shù)據(jù)進行仿真，逼真模擬核電站的系統(tǒng)設(shè)備運行、調(diào)節(jié)和控制過程。它可以幫助學生了解核電站原理、進行人機界面真實體驗以及掌握運行調(diào)節(jié)控制技能，如進行機組沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、達臨界、正常啟停等實操培訓。該系統(tǒng)還能模擬事故場景工況，可以幫助學生直觀了解事故場景基本原理，進行重要參數(shù)的趨勢觀察和分析、相關(guān)人機界面實操。圖1和圖2分別是該系統(tǒng)的功能特點及現(xiàn)場實際布置圖。

核電廠DCS系統(tǒng)可同時進行核電廠正常啟停和典型事故實操，正常啟停過程工況場景要求見表1和圖3，典型事故工況包括一回路小破口、蒸汽發(fā)生器傳熱管破口、一回路小破口疊加蒸汽發(fā)生器傳熱管破口、手動停堆、手動停機等，具有雙操作員對同一操作的處理功能，真實地反映反應(yīng)堆控制的操作流程。在模擬機組正常啟停方面，能夠進行包括CPR1000核電站從反應(yīng)堆熱停堆至汽輪機滿功率運行的操作過程；在事故和故障方面，能夠模擬跳機不跳堆、反應(yīng)堆跳堆、主泵跳閘、主給水泵跳閘等事故和故障；在穩(wěn)態(tài)運行方面，能夠維持在汽輪機滿功率負荷運行、低負荷運行、機組熱停堆等穩(wěn)態(tài)運行；在加速模擬方面，能夠進行系統(tǒng)局部加速，包括一回路溫度加速等功能。

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學生利用DCS系統(tǒng)，可了解核電站原理、進行人機界面真實體驗以及掌握運行調(diào)節(jié)控制技能，如進行機組沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、臨界、正常啟停等實操訓練，對提升學生對核反應(yīng)堆的系統(tǒng)認知、鞏固所學基礎(chǔ)知識具有重要意義。

2018年，西安交通大學和中廣核集團以共建合作基地為契機，通過優(yōu)勢互補深度融合，在西安交通大學核電廠與火電廠系統(tǒng)國家級虛擬仿真實驗教學中心成功建成了DCS系統(tǒng)。

中廣核集團負責提供軟件和硬件、CPR1000核電站機組真實數(shù)據(jù)，負責系統(tǒng)安裝調(diào)試，以及實驗指導教師的培訓。西安交通大學負責提供實驗平臺、實驗指導教師、實驗方案實施和日常系統(tǒng)維護。

二、實驗教學方案

實驗教學方案制訂的指導思想如下：

一是利用DCS系統(tǒng)是核反應(yīng)堆系統(tǒng)性控制系統(tǒng)的特點，打破課程設(shè)置壁壘，多課程融合，體現(xiàn)實驗的系統(tǒng)性和綜合性。

二是根據(jù)DCS系統(tǒng)功能，針對CPR1000核電站機組，設(shè)計成必修實驗環(huán)節(jié)和自主實驗環(huán)節(jié)，體現(xiàn)實驗的實用性和靈活性。

三是引入企業(yè)開發(fā)人員和校內(nèi)指導教師共同指導實驗，使理論指導實踐、實踐提升理論，體現(xiàn)實驗的理論性和工程性。

根據(jù)上述思想，設(shè)置的實驗見表2。

三、初步成效

通過2年的探索與實踐，虛擬仿真實驗教學取得了如下初步成效。

首先，通過這些實驗，學生掌握了抽象的核電站重要控制、堆臨界、機組啟動、重大故障及事故處理，加深了對核電站控制的理解，身臨其境地體驗了反應(yīng)堆達臨界、機組從達臨界至滿功率運行的全過程，激發(fā)了學生的學習興趣和熱情，也為將來更深入的專業(yè)知識學習奠定了堅實的基礎(chǔ)。

其次，加強實踐教學，形成了“以賽促教、以賽促學”模式，組織學生參加全國“核+X”等多項專業(yè)大賽并獲獎?；诤穗姀SDCS系統(tǒng)完成的獲獎項目見表3。

最后，通過這些實驗，各用人單位反饋學生對核電廠的認識更深刻，核電廠相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識更扎實，入職后上手更快，思路更為清晰。

四、結(jié)論

校企協(xié)同育人已基本達成共識，但如何具體實施尚是一個值得探索的問題。本文以共建實驗平臺為出發(fā)點，通過深度融合共同設(shè)計、建造、完成實驗教學環(huán)節(jié)，一方面可以幫助高校改善實驗室軟硬件條件，優(yōu)化和完善實踐教學計劃，提高學生實踐動手能力；另一方面可以幫助企業(yè)提升人才的崗位勝任力，實現(xiàn)了校企雙贏，同時對學生的理論知識鞏固、實踐知識提升、動手能力培養(yǎng)、創(chuàng)新意識養(yǎng)成具有重要意義，對校企協(xié)同育人模式探索提供了有益借鑒。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 本刊綜合報道.圖解：關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見 [J].中國科技產(chǎn)業(yè)，2018（2）：68-69.

[2] 教育部等四部門關(guān)于公布首批全國職業(yè)教育教師企業(yè)實踐基地名單的通知（教師函〔2019〕9號）[Z].2019.

[3] 吳宏春，張斌，李云召，等 .培養(yǎng)核工程人才實踐能力的虛擬仿真實驗探索 [J].高等工程教育研究，2019（S1）：211-214.

[4] 李橋，梁華，李明媚.軟件工程專業(yè)校企協(xié)同育人機制的探索與研究[J].教育現(xiàn)代化，2019（97）：3-5.

［責任編輯：劉鳳華］