開放式實(shí)驗(yàn)在“核工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)中的應(yīng)用初探

孫覬琳，成守宇，薛若軍，張博文，彭敏俊

（哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

“核工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程是一門以虛擬操作核電站機(jī)組為基礎(chǔ)，通過(guò)運(yùn)行方案對(duì)比、不同擾動(dòng)或故障工況下的參數(shù)響應(yīng)展示、完整進(jìn)行核電站機(jī)組停閉的操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)綜合應(yīng)用核工程與核技術(shù)專業(yè)全部專業(yè)課程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析的目的。課程的設(shè)立與實(shí)踐實(shí)現(xiàn)了課堂與書本中的講授內(nèi)容立體化、不同課程間的遞進(jìn)關(guān)系結(jié)構(gòu)化、專業(yè)課程培養(yǎng)體系總體化的目標(biāo)。但隨著時(shí)間的推進(jìn)與新工科教育理念的深入，課程中出現(xiàn)了一些需要優(yōu)化的方向。為了使實(shí)驗(yàn)更加契合新工科的培養(yǎng)模式，實(shí)現(xiàn)多級(jí)課堂聯(lián)動(dòng)、學(xué)習(xí)實(shí)踐結(jié)合、面向工業(yè)界的工程人才培養(yǎng)目的，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新學(xué)習(xí)、融會(huì)學(xué)習(xí)的能力，以學(xué)生為課堂主體、實(shí)驗(yàn)結(jié)果為成果導(dǎo)向，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)安全、準(zhǔn)確、可重復(fù)的特點(diǎn)，提出了“核工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”開放式實(shí)驗(yàn)方案與改革測(cè)試。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問(wèn)題

當(dāng)前的核工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，盡管取得了良好的施行效果、評(píng)價(jià)反饋好，但對(duì)于新工科理念的契合上仍有一定不足?？偨Y(jié)地講，目前的實(shí)驗(yàn)與新工科理念的偏差有以下幾點(diǎn)。

1.1 課堂學(xué)生主體地位不突出

在目前的實(shí)驗(yàn)課程中，采用三元角色布置的課堂，講解教師負(fù)責(zé)講解實(shí)驗(yàn)的步驟、操作的原理、應(yīng)用的知識(shí)、現(xiàn)象的解釋；演示教師負(fù)責(zé)執(zhí)行講解教師的步驟，為學(xué)生做出示范操作；學(xué)生則一面聽著講解教師的描述與分析，一面跟隨演示教師的操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在課程實(shí)踐應(yīng)用以來(lái)，三元角色的課堂取得了一定的效果，學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合理解與運(yùn)用得到了一定程度的鍛煉。但是該模式的弊端也逐漸顯現(xiàn)，且缺點(diǎn)放大較為明顯，具體如下：

（1）相關(guān)操作步驟多、速度快，講解教師與學(xué)生跟不上演示教師的速度。在擾動(dòng)響應(yīng)分析、核電站停止實(shí)驗(yàn)中，演示教師的部分操作需要快速、連續(xù)進(jìn)行，而講解教師則難以短時(shí)間內(nèi)講述清楚應(yīng)用的知識(shí)、操作的重點(diǎn)以及響應(yīng)的分析。學(xué)生則面臨兩難：跟隨演示教師的操作，則會(huì)忽略相關(guān)講解，聽從講解教師的講解又跟不上操作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)未能取得預(yù)期效果。

（2）課堂由教師主導(dǎo)，學(xué)生難以獨(dú)立思考并實(shí)踐。教師主導(dǎo)的課堂中，學(xué)生的思維跟隨教師的思維前進(jìn)，出現(xiàn)隱形的思維定勢(shì)，難以進(jìn)行自主獨(dú)立的思考與實(shí)踐。教師的主導(dǎo)在一定程度上限制了學(xué)生的思維發(fā)散，導(dǎo)致缺乏創(chuàng)新。

1.2 學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)難易程度的心理預(yù)期有偏差

“核工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程不同于專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)，不是學(xué)習(xí)新的理論知識(shí)，而是將已學(xué)習(xí)過(guò)的全部理論課程進(jìn)行綜合、匯總并應(yīng)用。由此導(dǎo)致學(xué)生接觸本實(shí)驗(yàn)課程之前，視本實(shí)驗(yàn)為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，預(yù)期難度較低。在課堂教學(xué)中，課題組發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)難易程度的心理預(yù)期對(duì)于實(shí)驗(yàn)的影響有以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備不充分、預(yù)習(xí)效果差。由于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)難易程度預(yù)估錯(cuò)誤，導(dǎo)致預(yù)習(xí)不認(rèn)真、思考不深刻，對(duì)應(yīng)該掌握的知識(shí)沒有進(jìn)行有效復(fù)習(xí)，導(dǎo)致預(yù)習(xí)沒有起到深化知識(shí)印象的效果。學(xué)生在翻閱實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書時(shí)，僅僅觀看了實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)要求，并沒有充分、深入的進(jìn)行思考與分析。這一原因直接導(dǎo)致了學(xué)生課堂上聽不懂、跟不上、做不完、難分析。

（2）實(shí)驗(yàn)課堂手忙腳亂，機(jī)械跟隨。由于學(xué)生在準(zhǔn)備不充分、注意力較分散的情況下開始實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)中很多操作的深度是遞進(jìn)的，當(dāng)前的教學(xué)中對(duì)失敗的同學(xué)給出的補(bǔ)做機(jī)會(huì)又較少，導(dǎo)致學(xué)生每進(jìn)行一步步驟都要與周圍同學(xué)確認(rèn)，大量的時(shí)間花費(fèi)在研究實(shí)驗(yàn)步驟上，機(jī)械跟隨演示教師的操作，有意無(wú)意忽略了講解教師的理論講解與分析，缺乏自我思考、創(chuàng)新發(fā)揮、鉆研實(shí)踐的環(huán)境。

（3）實(shí)驗(yàn)報(bào)告同質(zhì)化嚴(yán)重，分析缺乏深度。學(xué)生在課堂上難以得到有效理論講解，導(dǎo)致難以從理論上分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，只能照搬指導(dǎo)書中的描述，參考其他同學(xué)的分析。這樣一來(lái)，作為評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)之一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告同質(zhì)化嚴(yán)重，難以區(qū)分學(xué)生實(shí)驗(yàn)的效果，也無(wú)從知曉學(xué)生內(nèi)心的想法是否得到了驗(yàn)證。

1.3 缺乏綜合性創(chuàng)新與實(shí)踐的機(jī)會(huì)

“核工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程的主要教學(xué)目的，除了深化學(xué)生的理論知識(shí)、進(jìn)行活學(xué)活用外，還需要激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，基于實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行創(chuàng)新并實(shí)踐。但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，能夠提出新想法、新創(chuàng)意的學(xué)生較少，大部分學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)象分析后結(jié)束實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不再繼續(xù)深入發(fā)掘。其主要原因有以下兩點(diǎn)：

（1）學(xué)時(shí)緊張，學(xué)生缺乏創(chuàng)新與實(shí)踐的時(shí)間。在“核工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程需要具體需要操作的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，運(yùn)行方案分析實(shí)驗(yàn)占4～6 個(gè)學(xué)時(shí)，事故擾動(dòng)分析與核電站停止實(shí)驗(yàn)各占8 個(gè)學(xué)時(shí)。以運(yùn)行方案分析實(shí)驗(yàn)為例，在目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在最長(zhǎng)6 個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)，學(xué)生需要完成三種運(yùn)行方案的功率變化分析及對(duì)比，學(xué)時(shí)分配剛好能夠完成講解、演示和操作任務(wù)，缺乏進(jìn)行深入思考、分析與驗(yàn)證的時(shí)間。

（2）課堂講解過(guò)多，學(xué)生接受緩慢，缺乏創(chuàng)新與實(shí)踐的主觀能動(dòng)性。由于學(xué)生的主體地位不突出、對(duì)實(shí)驗(yàn)難度預(yù)期錯(cuò)誤，導(dǎo)致課堂上需要大量被動(dòng)接受很多知識(shí)點(diǎn)，隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，部分學(xué)生出現(xiàn)疲倦、懈怠心理，懶得思考，不想去深入研究，而是以完成課程任務(wù)為目的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)，喪失了創(chuàng)新創(chuàng)意的主觀能動(dòng)性，也使得課堂環(huán)境逐漸偏離了實(shí)驗(yàn)設(shè)立的初衷。

2 “核工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程的開放式實(shí)驗(yàn)改革

開放式實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力的重要教學(xué)方式，而自主創(chuàng)新、成果主導(dǎo)是教育部“新工科”理念的核心思想，需要強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目的認(rèn)知，針對(duì)所學(xué)專業(yè)內(nèi)容、核電實(shí)際形勢(shì)，進(jìn)行有針對(duì)性的、專業(yè)性的創(chuàng)新。針對(duì)當(dāng)前“核工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程與新工科理念的偏差點(diǎn)，結(jié)合目前課程中教師與學(xué)生的相關(guān)信息反饋，課題組教師決定在實(shí)驗(yàn)中引入開放性實(shí)驗(yàn)，對(duì)原有教學(xué)體系進(jìn)行改革，以實(shí)現(xiàn)成果主導(dǎo)、學(xué)生為主、結(jié)合實(shí)踐、創(chuàng)新發(fā)散的改革目標(biāo)，強(qiáng)化學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識(shí)、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，采取的主要措施有以下幾點(diǎn)。

2.1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)式實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)以成果為導(dǎo)向，是使實(shí)驗(yàn)課程更加契合新工科理念的主要教學(xué)方法之一。課題組以需要具體操作步驟最多、應(yīng)用知識(shí)最廣、響應(yīng)與分析最為復(fù)雜的核電站停止實(shí)驗(yàn)為案例，進(jìn)行了任務(wù)驅(qū)動(dòng)式實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)。任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)改革有以下特點(diǎn)：

（1）將理論知識(shí)的學(xué)習(xí)由課上轉(zhuǎn)為課下，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)。開放式實(shí)驗(yàn)的過(guò)程不在課堂中進(jìn)行，而是學(xué)生自行選擇時(shí)間準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。課堂的主要內(nèi)容為研討、分析、匯報(bào)與總結(jié)，因此不再依靠目前的三元角色模式進(jìn)行。理論知識(shí)由學(xué)生通過(guò)教師的引導(dǎo)進(jìn)行自學(xué)，以便充分認(rèn)知實(shí)驗(yàn)難度并準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。這樣能夠順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新的空間，徹底扭轉(zhuǎn)被動(dòng)學(xué)習(xí)的缺點(diǎn)。

（2）完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)為導(dǎo)向，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟。改革后的實(shí)驗(yàn)課程，教師負(fù)責(zé)發(fā)布任務(wù)（實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?，而?shí)現(xiàn)任務(wù)的方法則由學(xué)生自行制定。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟、制定實(shí)驗(yàn)方法，無(wú)形中讓學(xué)生復(fù)習(xí)、運(yùn)用了專業(yè)理論知識(shí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生為主、成果引領(lǐng)的教學(xué)目的。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以不同，但現(xiàn)象必須準(zhǔn)確分析。由于制定的方案不同，結(jié)果必然不同。因此，改革后的實(shí)驗(yàn)不再拘泥于實(shí)驗(yàn)結(jié)果本身，而是要求準(zhǔn)確分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，一方面深化了所學(xué)知識(shí)并靈活運(yùn)用，另一方面引入了較大的創(chuàng)新發(fā)散空間，學(xué)生能夠通過(guò)分析提出一些創(chuàng)新性的想法。

2.2 人機(jī)界面優(yōu)化

目前的實(shí)驗(yàn)器材基于核電站全范圍培訓(xùn)模擬器改造，是科研成果應(yīng)用于教學(xué)的轉(zhuǎn)化體。通過(guò)先進(jìn)的科研成果，能夠起到良好的作用。但科研成果主要面向工程技術(shù)人員與已有基礎(chǔ)的研究者，對(duì)于學(xué)生而言難度偏大。為了保證實(shí)驗(yàn)課程質(zhì)量，課題組對(duì)原有實(shí)驗(yàn)器材的人機(jī)界面進(jìn)行了優(yōu)化改造，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）刪減了大量沒有操作的監(jiān)控、輔助系統(tǒng)，合并了常用操作的界面。以一回路界面為例，原實(shí)驗(yàn)器材中有三十余篇畫面，學(xué)生難以記憶與準(zhǔn)確尋找。合并后，設(shè)立一回路總貌圖1 幅；主冷卻劑系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水控制系統(tǒng)、化容控制系等子系統(tǒng)9 幅。匯總后的總貌圖如圖1所示。

圖1 匯總后的一回路系統(tǒng)總貌圖畫面

（2）增設(shè)幫助頁(yè)面。由于實(shí)驗(yàn)改革為開放性實(shí)驗(yàn)，因此必須在必要時(shí)以明確的方式提醒學(xué)生需要的操作。由于實(shí)驗(yàn)的開放性，該部分工作難以依靠教師完成。因此，課題組在相關(guān)操作畫面上添加了幫助提示，以指導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。汽輪機(jī)組操作畫面的幫助提示如圖2所示。

圖2 增加提示后的汽輪機(jī)組操作畫面

2.3 增設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證環(huán)節(jié)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最大的特點(diǎn)就是安全，因此學(xué)生所有的創(chuàng)新想法和嘗試都是允許的，全部實(shí)驗(yàn)過(guò)程和環(huán)節(jié)都是向?qū)W生開放的。教師僅需要在點(diǎn)評(píng)環(huán)節(jié)指出實(shí)際過(guò)程中的危險(xiǎn)因素，以及學(xué)生的想法是否合理可行。由于整體實(shí)驗(yàn)實(shí)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)、開放式實(shí)驗(yàn)，為了進(jìn)一步挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力、使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更加深入，課題組在實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)立了創(chuàng)新創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)通過(guò)如下方式進(jìn)行：

（1）在全部實(shí)驗(yàn)完成后，設(shè)立研討課，基于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、結(jié)果分析環(huán)節(jié)中存在的疑問(wèn)進(jìn)行解答與評(píng)論，對(duì)學(xué)生仍然存有疑惑的步驟，或?qū)W生提出的新想法進(jìn)行鼓勵(lì)與支持，指導(dǎo)學(xué)生在指定時(shí)間內(nèi)到達(dá)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)相關(guān)想法的合理性、可行性與理論依據(jù)向?qū)W生進(jìn)行講解。

（2）在課程評(píng)價(jià)體系中對(duì)創(chuàng)新性問(wèn)題的提出與解決方案優(yōu)秀的學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)激勵(lì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以任務(wù)驅(qū)動(dòng)，則創(chuàng)新內(nèi)容也需要有相關(guān)激勵(lì)導(dǎo)向。對(duì)于能夠提出有意義問(wèn)題并指定合理可行研究方案的學(xué)生，應(yīng)當(dāng)予以評(píng)價(jià)獎(jiǎng)勵(lì)；對(duì)于未能提出創(chuàng)新性問(wèn)題的學(xué)生，應(yīng)當(dāng)予以引導(dǎo)；當(dāng)學(xué)生的創(chuàng)新方案十分優(yōu)秀，在實(shí)驗(yàn)器材改良中應(yīng)用時(shí)，在實(shí)驗(yàn)器材封面畫面、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中表明學(xué)生的名字及貢獻(xiàn)。以名譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì)、激勵(lì)的辦法，鼓勵(lì)學(xué)生提出創(chuàng)新想法并制定解決方案。

3 結(jié)論

通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)、帶有幫助提示的人機(jī)交互界面，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主能動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)、自我實(shí)驗(yàn)、自我分析、自我總結(jié)的開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。將傳統(tǒng)的課上講解與演示，改革為學(xué)生自行制定實(shí)驗(yàn)方案與步驟，教師隨時(shí)指導(dǎo)的模式，能夠讓學(xué)生成為課堂的主角與引領(lǐng)者，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的難易程度、應(yīng)用的理論知識(shí)有明確的認(rèn)識(shí)，課堂不再成為填鴨式的教學(xué)場(chǎng)所，而是由學(xué)生主導(dǎo)、教師輔助的自主學(xué)習(xí)新課堂，更加契合新工科建設(shè)的思想與目的?！昂斯こ烫摂M仿真實(shí)驗(yàn)”課程最大的優(yōu)勢(shì)是安全性與直觀性，通過(guò)增設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證環(huán)節(jié)，能夠讓學(xué)生有時(shí)間、有機(jī)會(huì)、有環(huán)境提出自己的想法與思路，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)器材自行進(jìn)行驗(yàn)證與分析，能夠最大程度利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)。改革后的“核工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程，能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)各專業(yè)課程理論知識(shí)的掌握，充分發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，深入學(xué)習(xí)與日后工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。