新工科背景下留學(xué)生專業(yè)課程改革
——以“高等反應(yīng)堆物理”課程為例

郝 琛，劉光皓，崔 媛

（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001）

2017 年國家率先提出新工科建設(shè)的發(fā)展命題，明確指出新工科建設(shè)需要借鑒國際經(jīng)驗加強國際合作[1]。一年后，教育部再次強調(diào)加強國際交流與合作，通過“絲綢之路”中國政府獎學(xué)金支持新工科領(lǐng)域來華留學(xué)人才培養(yǎng)，為沿線國家培養(yǎng)行業(yè)領(lǐng)軍人才和優(yōu)秀技能人才[2]。加強與“一帶一路”國家留學(xué)生交流是新工科背景下實現(xiàn)更好發(fā)展的重要途徑?！笆奈濉逼陂g，推動共建“一帶一路”高質(zhì)量發(fā)展，架設(shè)文明互學(xué)互鑒橋梁[3]，不斷推進各個學(xué)科主干專業(yè)課程的改革升級，做好留學(xué)生來華教育工作，提升留學(xué)生的綜合素質(zhì)具有重要意義。哈爾濱工程大學(xué)以“三海一核”為辦學(xué)特色，核學(xué)科創(chuàng)建于1958 年“哈軍工”時期，具有深厚的科研底蘊及紅色傳承，為我國核工業(yè)培養(yǎng)了大批技術(shù)骨干?！案叩确磻?yīng)堆物理”是核學(xué)科的一門專業(yè)必修課程，主要面向留學(xué)生以及中國博士研究生開設(shè)。課程從核反應(yīng)堆設(shè)計及性能評估中重要的基本物理和工程概念出發(fā)，推導(dǎo)核反應(yīng)堆堆芯物理研究的數(shù)學(xué)模型，講授中子輸運數(shù)學(xué)模型的不同簡化模式及相關(guān)數(shù)學(xué)技術(shù)在實際堆芯分析中的應(yīng)用方法。為支持“一帶一路”沿線新興核能國家，培養(yǎng)核領(lǐng)域符合新工科要求、專業(yè)知識堅實且具有國際視野的高層次技術(shù)及管理人才，需要不斷創(chuàng)新教學(xué)模式，探索與實踐教學(xué)過程化管理。

一、“高等反應(yīng)堆物理”課程改革分析

（一）國內(nèi)外“高等反應(yīng)堆物理”課程現(xiàn)狀分析

根據(jù)對清華大學(xué)、密歇根大學(xué)等國內(nèi)外核能領(lǐng)域先進高校調(diào)研結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)此類高校在課程設(shè)置及考核方式方面有以下優(yōu)勢，值得“高等反應(yīng)堆物理”課程改革借鑒。

1.課程結(jié)構(gòu)須合理設(shè)置，涵蓋內(nèi)容應(yīng)盡量全面。在具備一定專業(yè)基礎(chǔ)上，課程內(nèi)容涵蓋中子輸運理論、中子時空動力學(xué)、蒙特卡洛方法應(yīng)用等。授課方式包含公式理論推導(dǎo)，加強學(xué)生對底層理論的理解和認識。此外，包括講義講解，回歸書本知識，能夠在教師講和學(xué)生學(xué)的基礎(chǔ)上推動教材和講義的更新?lián)Q代，不斷優(yōu)選出經(jīng)典教材。

2.考核方式多樣，同時具有針對性。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，美國更加注重學(xué)生計算能力的培養(yǎng)，其主要目的在于美國2061 戰(zhàn)略[4]，明顯看出美國更加注重學(xué)生使用計算機的能力。這受益于核能領(lǐng)域諸如SCALE、MCNP 等國外先進核能計算程序開發(fā)方面的優(yōu)勢。現(xiàn)階段，核能領(lǐng)域具有先進水平的高校在考核方式上有所改革，已經(jīng)打破紙質(zhì)考試的界限，引入了公式推導(dǎo)、編程大作業(yè)等多種考核方式。這有利于學(xué)生使用和開發(fā)先進軟件，使他們更為全面地理解和掌握知識點。

3.注重培養(yǎng)學(xué)生理論應(yīng)用于實踐的能力。理論是實踐的基礎(chǔ)，做好理論儲備的同時，推動反應(yīng)堆物理計算向應(yīng)用化發(fā)展是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。培養(yǎng)學(xué)生不僅能考試、會考試，更應(yīng)當(dāng)能夠分析和解決實際問題，符合新工科的發(fā)展理念。

（二）“高等反應(yīng)堆物理”課程改革難點分析

“高等反應(yīng)堆物理”是核學(xué)科的核心專業(yè)課，曾經(jīng)的課堂是“教師講、學(xué)生聽、交作業(yè)、最后考”的模式。雖然進行了考核方式的部分升級，但是不觸動根本的修修補補式課改，尚不能夠解決新工科建設(shè)條件下的留學(xué)生教學(xué)問題，全新的課程改革面臨以下三個難題。

1.留學(xué)生基礎(chǔ)薄弱與課程難度之間的矛盾尤為明顯。一方面，哈爾濱工程大學(xué)留學(xué)生多來自巴基斯坦、土耳其、加納、墨西哥等亞非拉國家，教育基礎(chǔ)差異很大，且普遍較為薄弱。這就造成了留學(xué)生水平參差不齊，教師較難把握。另一方面，“高等反應(yīng)堆物理”課程本身涉及物理、數(shù)學(xué)、計算機多學(xué)科交叉，需要多種知識的靈活運用，內(nèi)容多，知識點難。受限于大學(xué)課時要求，教師講授的進度往往過快，導(dǎo)致留學(xué)生難以理解基礎(chǔ)知識，最終影響課程效果。

2.留學(xué)生國家文化與中國文化差異較大，語言交流存在問題。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，留學(xué)生漢語水平雖然能滿足日常交流需求，但是離達到專業(yè)課層面還有差距。語言交流制約著教學(xué)效果，因此課程采用全英文授課，解決語言交流問題。在文化深度上，弘揚核工業(yè)精神，加強人文關(guān)懷，讓更多留學(xué)生了解到中國核能從“跟跑”到“并跑”過程，展現(xiàn)中國核能發(fā)展自信。

3.留學(xué)生創(chuàng)新實踐能力不足，實踐環(huán)節(jié)落后于核能新技術(shù)的發(fā)展。以往留學(xué)生課堂以理論教學(xué)為主，具體實踐環(huán)節(jié)有所欠缺。國內(nèi)各高校已經(jīng)注重實踐環(huán)節(jié)，紛紛建立了核能領(lǐng)域?qū)嶒炇遥贿^各個實驗室建設(shè)年限有長有短，水平有高有低，不少國外先進程序受限于版權(quán)等問題無法引進。各高校已經(jīng)開始自主開發(fā)程序，但面臨著基礎(chǔ)相差較大、軟件不成熟的問題。實踐資源有限以及留學(xué)生在交流上的困難造成了創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)上的滯后。

以上幾個問題讓留學(xué)生來華學(xué)習(xí)之路變得更加困難，對所學(xué)知識掌握有限，多數(shù)停留在書本層面，未能挖掘新思維、新方法，最終使得留學(xué)生綜合素質(zhì)需要加強，創(chuàng)新和實踐能力需要培養(yǎng)。

二、“高等反應(yīng)堆物理”課程教學(xué)方式轉(zhuǎn)變

為更好適應(yīng)新工科建設(shè)要求，努力解決“一帶一路”沿線國家留學(xué)生基礎(chǔ)薄弱的問題，切實推進課程向縱深發(fā)展，全面升級，轉(zhuǎn)變培養(yǎng)方式，最終培養(yǎng)出重實踐、高素養(yǎng)的留學(xué)生，“高等反應(yīng)堆物理”課程基于哈爾濱工程大學(xué)“與國際高水平學(xué)者共建研究生課程”項目，在與美國密歇根大學(xué)、普渡大學(xué)及俄亥俄州立大學(xué)著名教授聯(lián)合授課的基礎(chǔ)上，不斷進行實踐與探索，系統(tǒng)地開展深入研究，利用開發(fā)的自主化高保真中子輸運計算程序HNET 服務(wù)于課程改革。與此同時，“核反應(yīng)堆物理”本科課程相繼入選國家精品在線開放課程、國家級一流本科課程和黑龍江省一流本科課程。以上教學(xué)基礎(chǔ)為課程建設(shè)與改革、授課內(nèi)容的優(yōu)化、培養(yǎng)方式的轉(zhuǎn)變提供了經(jīng)驗。

（一）課程改革總體思路

基于“與國際高水平學(xué)者共建研究生課程”項目實施過程中已確定的教學(xué)大綱，以真實反應(yīng)堆物理分析及應(yīng)用的需求為牽引，以過程化管理與考核為抓手，聚國際、國內(nèi)、校內(nèi)優(yōu)勢資源和先進經(jīng)驗，構(gòu)建三“1”教學(xué)模式、“物理+數(shù)學(xué)+計算機”實踐模式、全過程考核模式、虛擬實驗輔助模式的“四位一體”課程過程化管理與考核體系（如圖1 所示），保證“高等反應(yīng)堆物理”課程的實際教學(xué)效果及學(xué)生對知識點的掌握，培養(yǎng)專業(yè)知識堅實且具有國際視野的全球核能人才。針對來華留學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)對癥下藥，重基礎(chǔ)，重實踐，幫助他們在學(xué)業(yè)上取得進步，使得課程改革的成果惠及廣大留學(xué)生。

圖1 “四位一體”課程過程化管理與考核體系

（二）培養(yǎng)方式轉(zhuǎn)變措施

通過課程升級，改變傳統(tǒng)教師直鋪式的枯燥課堂，推進先引導(dǎo)—再討論—輕講解—有回饋的方式完成課程升級路線。全面推行實施“四位一體”課程過程化管理與考核體系，著力加快推進學(xué)生培養(yǎng)方式向符合新工科要求轉(zhuǎn)變。具體措施可分為以下四個方面，如圖2所示。

圖2 “高等反應(yīng)堆物理”課程改革措施示意

1.扎牢基礎(chǔ)，建立三“1”教學(xué)模式。打破傳統(tǒng)授課中以任課教師講授為主，學(xué)生被動接受的狀態(tài)。特別是近年來受新冠肺炎疫情影響，網(wǎng)絡(luò)授課對實體課堂的沖擊更加難以保證授課效果及學(xué)生對知識的完全掌握。針對此問題，創(chuàng)新構(gòu)建三“1”教學(xué)模式，即“教師授課1學(xué)時，突出基礎(chǔ)知識與思路，與之配套1 學(xué)時的課后作業(yè)以深入理解知識，而學(xué)生以組為單位需要準備1 學(xué)時的課上講解內(nèi)容，其中學(xué)生準備講解內(nèi)容的課后時間因人而異，平均32 學(xué)時。原本的32 學(xué)時，通過課后作業(yè)及準備講解內(nèi)容擴展到96 學(xué)時，不僅可以在有限的學(xué)時內(nèi)擴充講授內(nèi)容，使學(xué)生通過規(guī)定任務(wù)更好地掌握知識點；還可以增強任課教師與學(xué)生的互動，實現(xiàn)授課效果與學(xué)生對知識完全掌握的雙贏，特別是夯實留學(xué)生的理論基礎(chǔ)。

2.合理實踐，推行“物理+數(shù)學(xué)+計算機”實踐模式。實踐能力欠缺是新工科背景下學(xué)生存在的突出問題，實踐高于認識，認識指導(dǎo)實踐。通過課程升級，最終實現(xiàn)認識—實踐—再認識—再實踐的發(fā)展過程?！案叩确磻?yīng)堆物理”課程傳統(tǒng)授課注重理論知識講解，學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握僅停留在理論認識層面。根據(jù)實際工程中反應(yīng)堆物理分析需求，結(jié)合“高等反應(yīng)堆物理”多學(xué)科交叉的特點，在升級課程中引入“反應(yīng)堆物理+數(shù)學(xué)+計算機”的實踐模式，即通過設(shè)置最后流動式大作業(yè)的方式，開發(fā)實際反應(yīng)堆物理分析程序模塊，打破常規(guī)式，可以幫助學(xué)生實現(xiàn)學(xué)以致用，進一步明確學(xué)習(xí)目的，提高解決實際問題的能力?！办o態(tài)”大作業(yè)的弊端。其中，“反應(yīng)堆物理”側(cè)重于中子輸運方程及擴散方程的建立；“數(shù)學(xué)”側(cè)重于中子輸運方程及擴散方程的數(shù)值計算方法、公式推導(dǎo)及矩陣求解；“計算機”則是基于上述方程及數(shù)學(xué)方法，開發(fā)反應(yīng)堆物理分析程序或模塊。這樣的實踐模式將授課內(nèi)容及授課形式變得更加立體，不僅可以加深學(xué)生對理論知識的理解和掌握，也可以通過開發(fā)程序培養(yǎng)其解決實際問題的能力，破解留學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的實際困難。

3.推陳出新，建立全過程考核模式。傳統(tǒng)考核方式為期末卷面考試，考核效果受試題難易影響很大，并不能真實反映學(xué)生對課程知識點的掌握情況。課程組取消僅靠卷面考試的考核形式，將課程的考核內(nèi)容分為：期中考試、出勤考核、課后作業(yè)、編程大作業(yè)及小組講解五部分，每部分所占比例分別為15%、5%、20%、40%、20%。這樣的考核形式與三“1”教學(xué)模式和“物理+數(shù)學(xué)+計算機”實踐模式相配合，能夠加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的深入理解，提升解決實際問題的能力，同時可以幫助任課教師隨時了解學(xué)生對知識的掌握程度，避免為考而考，進一步促進教學(xué)效果。在優(yōu)化和保留卷面考試優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，將其保留為學(xué)期中考核的一種方式，推出更多更靈活的實踐型考核方式，逐步建立起全過程考核模式。

4.張弛有度，用好虛擬實驗輔助模式。針對教學(xué)基礎(chǔ)與國內(nèi)外先進實驗室差距問題，一方面應(yīng)當(dāng)加強實驗室硬件升級和軟件引進，另一方面必須加快軟件自主化研究的進程，為教師科研和學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)造良好的平臺環(huán)境。在這個過程中必須把握適度的原則，防過之而避不及，做到張弛有度。哈爾濱工程大學(xué)核學(xué)院擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高保真精細化反應(yīng)堆物理計算程序HNET。為拓展學(xué)生實際堆芯物理分析能力，解決留學(xué)生實踐方面的困難，可為學(xué)生開設(shè)個人賬戶，提供使用實際工程分析軟件的機會，以針對實際問題開展分析與應(yīng)用。同時，擁有針對壓水堆、鈉冷快堆的仿真平臺，并引入了人工智能技術(shù)，讓學(xué)生了解核反應(yīng)堆物理在反應(yīng)堆運行、安全分析中的作用。通過以上輔助模

三、“高等反應(yīng)堆物理”課程改革成果反饋

通過課程升級，教學(xué)相長，經(jīng)過兩年的實踐探索，“高等反應(yīng)堆物理”課程在留學(xué)生中的反饋良好。問卷調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生普遍反映新版課程對自身幫助很大，總體上對課程評分在4~5 分（滿分5分），其中，部分學(xué)生特別喜歡課堂現(xiàn)場問答環(huán)節(jié)，認為能夠很好地加深知識掌握程度。大部分學(xué)習(xí)“高等反應(yīng)堆物理”課程的留學(xué)生認為課程難度適中，實踐環(huán)節(jié)有助于提高自己的編程能力，加深了對反應(yīng)堆物理的認識程度。并且通過課程更好地了解數(shù)字孿生技術(shù)和數(shù)字化反應(yīng)堆等核能領(lǐng)域先進知識，大踏步地趕上反應(yīng)堆發(fā)展的新潮流。平均每年有10 余名來華碩博留學(xué)生通過本課程學(xué)習(xí)，掌握了豐富的理論知識，鍛煉了實踐能力。其中，部分留學(xué)生已經(jīng)畢業(yè)回國，為“一帶一路”建設(shè)貢獻自己的力量。目前，已有巴基斯坦留學(xué)生畢業(yè)回國服務(wù)核電項目發(fā)展，助力我國自主知識產(chǎn)權(quán)的核電機組——“華龍一號”走出國門，向世界講好中國核電故事，推動中國核電“走出去”。

四、結(jié)論

新工科背景下“高等反應(yīng)堆物理”“四位一體”課程過程化管理與考核體系已經(jīng)在留學(xué)生教學(xué)中取得了較好的效果。課改落實了“以學(xué)生為中心”的發(fā)展理念，從學(xué)生角度，使學(xué)生告別枯燥乏味的課堂，充分調(diào)動了學(xué)習(xí)積極性，讓來華留學(xué)生更好接觸到反應(yīng)堆物理核心和前沿領(lǐng)域，學(xué)有所思、學(xué)有所得，最終實現(xiàn)學(xué)以致用。從教師角度，減輕課堂講授的工作量，保證教師有充足的時間投身于課程實踐，有利于教師加深對科研促進教學(xué)的理解。改革所取得成果不限于課程本身，也將為學(xué)校開設(shè)的新工科領(lǐng)域課程提供可借鑒的經(jīng)驗。