基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的核反應(yīng)堆控制課程教學(xué)改革

孫培偉 魏新宇

［摘 要］工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念主張注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)和實(shí)際問題的解決，關(guān)注產(chǎn)出和持續(xù)改進(jìn)，基于該理念，文章探討了核反應(yīng)堆控制課程的教學(xué)改革。這個(gè)改革以西安交通大學(xué)為例，對(duì)課程的培養(yǎng)目標(biāo)和現(xiàn)狀進(jìn)行分析，梳理目前存在的主要問題，開展案例教學(xué)和項(xiàng)目討論相結(jié)合的改革實(shí)踐，強(qiáng)化以學(xué)生為中心的理念，注重開展啟發(fā)式討論，強(qiáng)調(diào)虛擬仿真技術(shù)在核反應(yīng)堆控制課程教學(xué)中的作用，在教學(xué)實(shí)踐中踐行工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念。

［關(guān)鍵詞］工程教育專業(yè)認(rèn)證；核反應(yīng)堆控制；案例教學(xué)；虛擬仿真

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）08-0026-03

2016年6月，我國(guó)加入了《華盛頓協(xié)議》，這意味著通過中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)（CEEAA）認(rèn)證的中國(guó)工程專業(yè)本科學(xué)位得到了簽訂這個(gè)協(xié)議的其他正式成員的承認(rèn)?！度A盛頓協(xié)議》倡導(dǎo)從工程知識(shí)、問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案、研究、個(gè)人和團(tuán)隊(duì)、溝通、項(xiàng)目管理、終身學(xué)習(xí)等方面來認(rèn)證學(xué)生的能力，注重培養(yǎng)學(xué)生在理論應(yīng)用、實(shí)際工程分析、項(xiàng)目問題處理和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的綜合實(shí)踐能力[1]。工程教育專業(yè)認(rèn)證強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的教育理念、產(chǎn)出導(dǎo)向的教育體系、持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量觀。

西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)科成立于1958年，是我國(guó)最早成立的核專業(yè)之一，核反應(yīng)堆控制屬于該專業(yè)最重要的研究方向之一。西安交通大學(xué)核工程與核技術(shù)專業(yè)2019年開始參與工程教育專業(yè)認(rèn)證，核反應(yīng)堆控制課程（簡(jiǎn)稱本課程）是專業(yè)核心課程，在工程教育專業(yè)認(rèn)證中具有重要的支撐作用。本課程通常側(cè)重于理論教學(xué)，學(xué)生實(shí)踐機(jī)會(huì)較少，影響到學(xué)生動(dòng)手能力和工程實(shí)際認(rèn)識(shí)水平的提高。而本課程屬于理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程，其中針對(duì)實(shí)際壓水堆核電廠控制系統(tǒng)的講解尤其需要結(jié)合工程實(shí)際，因此有必要結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求以及本課程的實(shí)際進(jìn)行教學(xué)改革。本文分析了本課程目前的培養(yǎng)目標(biāo)和現(xiàn)狀，基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念提出了課程教學(xué)改革的方案。

一、國(guó)內(nèi)外部分高校核反應(yīng)堆控制相關(guān)課程的教學(xué)特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)大學(xué)課程教學(xué)以往普遍注重引導(dǎo)學(xué)生掌握系統(tǒng)的理論知識(shí)，而大多數(shù)加入《華盛頓協(xié)議》的發(fā)達(dá)國(guó)家更推崇有利于促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力發(fā)展的課程教學(xué)模式，其教師在理論授課過程中更傾向于將時(shí)間留給師生交流。比如美國(guó)的哈佛大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)等高校的課程有演講課、討論課、輔導(dǎo)課、實(shí)驗(yàn)課、個(gè)案研究、項(xiàng)目研究、角色扮演等，學(xué)生積極主動(dòng)參與到教學(xué)中來并處于教學(xué)的中心地位，通過思考并發(fā)表自己的見解，從而使自己的實(shí)踐能力得到提升。核反應(yīng)堆控制及其相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)踐也是如此。美國(guó)的麻省理工學(xué)院將核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與控制的相關(guān)內(nèi)容放在核反應(yīng)堆安全課程中。他們由于有自己的實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)堆，因此安排了大量的實(shí)操實(shí)驗(yàn)，這對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與提高學(xué)生實(shí)踐能力起到了積極的作用。美國(guó)的田納西大學(xué)的核工程系開設(shè)了核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與儀控課程，該課程的教學(xué)內(nèi)容與西安交通大學(xué)核反應(yīng)堆控制課程目前的教學(xué)內(nèi)容較為相近，也是包括理論與實(shí)踐兩大塊，在實(shí)踐教學(xué)中積極采用討論式教學(xué)，以項(xiàng)目為牽引、小組為單位，不僅注重鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，還注重提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。日本的早稻田大學(xué)開設(shè)的課程為核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與核電廠控制，跟理論教學(xué)比較而言更注重核電廠控制的實(shí)踐教學(xué)，對(duì)堆型的介紹比較全面詳細(xì)。

國(guó)內(nèi)的工程教育專業(yè)認(rèn)證起步較晚，高校對(duì)核反應(yīng)堆控制及其相關(guān)課程的教學(xué)大都還是采用以教師講授為主的模式。目前有些學(xué)校開展了一些相關(guān)課程的教改工作，積極向工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)看齊[2-5]。比如華北電力大學(xué)的核反應(yīng)堆儀表課程通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境等措施提高學(xué)生的實(shí)踐能力和提升教學(xué)效果。南華大學(xué)的核反應(yīng)堆物理課程以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，將核反應(yīng)堆控制教學(xué)內(nèi)容融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，以提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。中山大學(xué)中法核學(xué)院的辦學(xué)融入了法國(guó)工程師培養(yǎng)的理念，把其核反應(yīng)堆控制的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容放在核反應(yīng)堆運(yùn)行課程中講授。該門課程有16個(gè)理論課時(shí)、24個(gè)實(shí)踐課時(shí)，充分鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)與探索的積極性，獲得了良好的教學(xué)效果。這些都是值得借鑒的。

二、西安交通大學(xué)核反應(yīng)堆控制課程對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求和有待改進(jìn)的問題

（一）能力培養(yǎng)要求

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，西安交通大學(xué)核工程與核技術(shù)專業(yè)建立了課程教學(xué)對(duì)學(xué)生畢業(yè)要求達(dá)成的支撐關(guān)系，并據(jù)此制訂了核反應(yīng)堆控制課程的培養(yǎng)目標(biāo)及其相關(guān)要求：（1）能重復(fù)主要的反應(yīng)性控制方法、核電廠穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方案和運(yùn)行模式，能列舉典型壓水堆核電廠的關(guān)鍵控制系統(tǒng)，并結(jié)合專業(yè)知識(shí)描述各控制系統(tǒng)的原理和方法。（2）能夠運(yùn)用微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性、差分方程、脈沖傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間表達(dá)式等數(shù)學(xué)模型方法描述核反應(yīng)堆的動(dòng)態(tài)行為。（3）能夠熟練利用穩(wěn)定性判據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，針對(duì)不同的反應(yīng)堆堆型，討論核反應(yīng)堆及其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（4）學(xué)習(xí)核電廠虛擬仿真軟件的操作方法，利用虛擬仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，選擇關(guān)鍵參數(shù)，準(zhǔn)確采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制趨勢(shì)圖。（5）利用虛擬仿真軟件，模擬計(jì)算不同工況下核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，并解釋控制系統(tǒng)的性能。

其中培養(yǎng)目標(biāo)（1）和（3）支撐畢業(yè)要求1“工程知識(shí)”中的指標(biāo)點(diǎn)1.3：能夠?qū)⒑斯こ膛c核技術(shù)專業(yè)知識(shí)和數(shù)學(xué)模型方法用于推演、分析涉核裝置的工程問題。培養(yǎng)目標(biāo)（2）支撐畢業(yè)要求2“問題分析”中的指標(biāo)點(diǎn)2.2：能夠基于數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的科學(xué)原理與數(shù)學(xué)模型方法，正確表達(dá)核工程與核技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。培養(yǎng)目標(biāo)（4）支撐畢業(yè)要求4“研究”中的指標(biāo)點(diǎn)4.3：能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或搭建實(shí)驗(yàn)裝置，安全、科學(xué)地開展實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確采集和獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。培養(yǎng)目標(biāo)（5）支撐畢業(yè)要求5“使用現(xiàn)代工具”中的指標(biāo)點(diǎn)5.3：能夠針對(duì)具體的對(duì)象開發(fā)或選用滿足特定需求的現(xiàn)代儀器設(shè)備和先進(jìn)分析測(cè)試工具，模擬和預(yù)測(cè)核工程與核技術(shù)專業(yè)問題，并能夠分析其局限性。

（二）有待改進(jìn)的問題

從工程教育專業(yè)認(rèn)證的視角來看，教育需要關(guān)注“教育產(chǎn)出”（學(xué)生學(xué)到了什么），而非“教育輸出”（教師教了什么），按照“反向設(shè)計(jì)，正向施工”的基本思路，以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)科學(xué)合理的課程大綱，采用匹配的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。從這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來看，核反應(yīng)堆控制課程目前的教學(xué)還存在以下幾個(gè)有待改進(jìn)的地方。

1.課程理論性強(qiáng)，學(xué)生課堂參與度不夠

核反應(yīng)堆控制是一門理論與實(shí)際結(jié)合非常緊密的課程，其理論基礎(chǔ)是核反應(yīng)堆動(dòng)力學(xué)與自動(dòng)控制原理，其實(shí)踐環(huán)節(jié)是核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，目前共有32個(gè)理論學(xué)時(shí)、4個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。理論課時(shí)以教師講授為主，講授方式以PPT演示和板書公式推導(dǎo)相結(jié)合為主。課程內(nèi)容理論性比較強(qiáng)，基礎(chǔ)理論、公式推導(dǎo)所占比重較大，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性較差，教學(xué)效果不理想。根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，重視問題的分析和理論的應(yīng)用，讓學(xué)生積極參與課堂教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。

2.實(shí)踐環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單，學(xué)生實(shí)踐能力鍛煉不夠

核反應(yīng)堆控制課程主要培養(yǎng)核工程與核技術(shù)專業(yè)學(xué)生對(duì)核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的理解、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、控制能力，但目前仍側(cè)重于考核學(xué)生掌握理論知識(shí)的程度，弱化了對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)和考核。工程教育專業(yè)認(rèn)證要求重視解決實(shí)際工程問題，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生盡快走向現(xiàn)場(chǎng)，了解工程實(shí)際，特別是積極采用虛擬仿真的手段提升學(xué)生學(xué)以致用的能力。

3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新緩慢，未能緊跟發(fā)展形勢(shì)

近十年來，我國(guó)的核工業(yè)發(fā)展非常迅速，“華龍一號(hào)”、AP1000、高溫氣冷堆等新堆型投入或即將投入運(yùn)行，“玲龍一號(hào)”、鈉冷快堆、空間堆等多種特殊堆型也正在建設(shè)中，但是課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)課目前只有4個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是基于二代壓水堆的仿真模型進(jìn)行反應(yīng)性控制的實(shí)驗(yàn)。隨著三代和四代核電技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置與工程實(shí)際的發(fā)展脫節(jié)。工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的是教育產(chǎn)出，而教育產(chǎn)出具有一定的滯后性，工程認(rèn)證對(duì)產(chǎn)出的評(píng)價(jià)也是考核學(xué)生畢業(yè)一年后工作的情況，因此對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)必須有一定前瞻性。

三、西安交通大學(xué)核反應(yīng)堆控制課程案例教學(xué)和項(xiàng)目討論相結(jié)合的改革實(shí)踐

針對(duì)上述有待改進(jìn)的問題，西安交通大學(xué)核反應(yīng)堆控制課程結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)（1）、（2）和（3）對(duì)“工程知識(shí)”和“問題分析”方面的畢業(yè)要求，開展案例教學(xué)和項(xiàng)目討論相結(jié)合的教學(xué)，其具體教學(xué)模式如圖1所示。

課堂教學(xué)對(duì)學(xué)生課程理論體系的構(gòu)筑、實(shí)踐能力的培養(yǎng)有著重要作用。本課程根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，注重理論知識(shí)的應(yīng)用，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提升學(xué)生課堂參與度，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。本課程主要包括核反應(yīng)堆各種數(shù)學(xué)模型、核反應(yīng)堆及其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、實(shí)際壓水堆核電廠控制系統(tǒng)等內(nèi)容。因此，西安交通大學(xué)核反應(yīng)堆控制課程重視引入案例進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，以提高學(xué)生的參與度。

由于學(xué)生很少接觸核電廠現(xiàn)場(chǎng)，僅僅靠文字說明和圖片難以讓學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解。核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的教學(xué)應(yīng)注重書本內(nèi)容與工程實(shí)際的結(jié)合，引入相關(guān)的案例（如表1所示），展示工作的具體步驟，彌補(bǔ)學(xué)生所欠缺的工程背景和核電廠現(xiàn)場(chǎng)知識(shí)，讓學(xué)生提前接觸將來會(huì)在實(shí)際工作中碰到的問題，有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力。比如在提到切爾諾貝利事故中存在的核反應(yīng)堆功率失控問題時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考并提出其背后存在的穩(wěn)定性問題，引出核反應(yīng)堆穩(wěn)定性討論，結(jié)合理論講解和討論，探究穩(wěn)定性背后的機(jī)理并確定解決方案。這樣引導(dǎo)學(xué)生深度參與問題探究，啟發(fā)學(xué)生思考并積極尋求答案，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和能力。

此外，采用項(xiàng)目教學(xué)法開展課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)。教師將相對(duì)獨(dú)立的項(xiàng)目交由學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組獨(dú)立處理，即以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體，充分調(diào)動(dòng)所有學(xué)生的積極性。在實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)時(shí)不是簡(jiǎn)單地讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下重復(fù)一個(gè)結(jié)果、得到一個(gè)結(jié)論，而是讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下學(xué)習(xí)找到結(jié)果的途徑，重點(diǎn)在于引導(dǎo)學(xué)生把理論知識(shí)和動(dòng)手能力進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

四、基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新

（一）合理設(shè)計(jì)綜合性、系統(tǒng)性、激勵(lì)性實(shí)驗(yàn)

以系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)取代簡(jiǎn)單操作性、指令性實(shí)驗(yàn)，目前有反應(yīng)性擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)和反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)屬于機(jī)理驗(yàn)證和分析實(shí)驗(yàn)，操作簡(jiǎn)單，背后的機(jī)理較為清晰。若結(jié)合壓水堆核電廠的控制設(shè)計(jì)負(fù)荷跟蹤實(shí)驗(yàn)，會(huì)讓學(xué)生加深對(duì)核電廠整體運(yùn)行和調(diào)節(jié)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)強(qiáng)化對(duì)運(yùn)行過程中穩(wěn)壓器壓力、液位及蒸汽發(fā)生器液位的調(diào)節(jié)能力，深入理解穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方案。如果操作正確，通過動(dòng)態(tài)評(píng)分方式給予鼓勵(lì)性評(píng)價(jià)，建立激勵(lì)機(jī)制。這樣開展綜合性、系統(tǒng)性、激勵(lì)性的實(shí)驗(yàn)是對(duì)實(shí)踐教學(xué)方法的創(chuàng)新。

（二）結(jié)合最新科研成果開展實(shí)踐教學(xué)

在實(shí)踐教學(xué)中展示和體現(xiàn)最新的科研成果，比如將目前在發(fā)展的“華龍一號(hào)”、AP1000、示范快堆等新型堆的控制方法和控制系統(tǒng)納入實(shí)踐教學(xué)中，不僅能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，還能將最新的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與核電廠的運(yùn)行理念傳達(dá)給學(xué)生。

五、結(jié)語

開展工程教育專業(yè)認(rèn)證，對(duì)于提高我國(guó)工程教育質(zhì)量，適應(yīng)政府、行業(yè)和社會(huì)要求，提升我國(guó)工程教育國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。西安交通大學(xué)核工程與核技術(shù)專業(yè)在開展工程教育專業(yè)認(rèn)證的過程中，認(rèn)真體會(huì)、理解、貫徹工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，對(duì)核反應(yīng)堆控制課程存在的問題進(jìn)行了梳理和總結(jié)，實(shí)施了案例教學(xué)與項(xiàng)目討論相結(jié)合的課程教學(xué)改革，以學(xué)生為中心，推動(dòng)課程理論與相關(guān)實(shí)踐的有效結(jié)合，重視發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的重要作用，提高實(shí)驗(yàn)效果，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：龐丹丹］