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學(xué)生能力的培養(yǎng)和實際問題的解決，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。這個改革以西安交通大學(xué)為例，對課程的培養(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)和項目討論相結(jié)合的改革實踐，強化以學(xué)生為中心的理念，注重開展啟發(fā)式討論，強調(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］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）08-0026-03

2016年6月，我國加入了《華盛頓協(xié)議》，這意味著通過中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會（CEEAA）認(rèn)證的中國工程專業(yè)本科學(xué)位得到了簽訂這個協(xié)議的其他正式成員的承認(rèn)。《華盛頓協(xié)議》倡導(dǎo)從工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、個人和團隊、溝通、項目管理、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、實際工程分析、項目問題處理和團隊協(xié)作等方面的綜合實踐能力[1]。工程教育專業(yè)認(rèn)證強調(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)生實踐機會較少，影響到學(xué)生動手能力和工程實際認(rèn)識水平的提高。而本課程屬于理論與實踐相結(jié)合的課程，其中針對實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

國內(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，而大多數(shù)加入《華盛頓協(xié)議》的發(fā)達(dá)國家更推崇有利于促進(jìn)學(xué)生實踐能力發(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間留給師生交流。比如美國的哈佛大學(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、實驗課、個案研究、項目研究、角色扮演等，學(xué)生積極主動參與到教學(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)實踐也是如此。美國的麻省理工學(xué)院將核反應(yīng)堆動力學(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驗用反應(yīng)堆，因此安排了大量的實操實驗，這對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與提高學(xué)生實踐能力起到了積極的作用。美國的田納西大學(xué)的核工程系開設(shè)了核反應(yīng)堆動力學(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，也是包括理論與實踐兩大塊，在實踐教學(xué)中積極采用討論式教學(xué)，以項目為牽引、小組為單位，不僅注重鍛煉學(xué)生的實踐能力，還注重提高學(xué)生的團隊協(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踐教學(xué)，對堆型的介紹比較全面詳細(xì)。

國內(nèi)的工程教育專業(yè)認(rèn)證起步較晚，高校對核反應(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)建實驗環(huán)境等措施提高學(xué)生的實踐能力和提升教學(xué)效果。南華大學(xué)的核反應(yīng)堆物理課程以虛擬仿真實驗室為平臺，將核反應(yīng)堆控制教學(xué)內(nèi)容融入虛擬仿真實驗中，以提高學(xué)生的實際動手能力。中山大學(xué)中法核學(xué)院的辦學(xué)融入了法國工程師培養(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)堆運行課程中講授。該門課程有16個理論課時、24個實踐課時，充分鍛煉了學(xué)生的實踐能力，調(diào)動了學(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)運行方案和運行模式，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)知識描述各控制系統(tǒng)的原理和方法。（2）能夠運用微分方程、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)行計算，選擇關(guān)鍵參數(shù)，準(zhǔn)確采集實驗數(shù)據(jù)并繪制趨勢圖。（5）利用虛擬仿真軟件，模擬計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”中的指標(biāo)點1.3：能夠?qū)⒑斯こ膛c核技術(shù)專業(yè)知識和數(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4.3：能夠根據(jù)實驗方案構(gòu)建實驗系統(tǒng)或搭建實驗裝置，安全、科學(xué)地開展實驗，準(zhǔn)確采集和獲取實驗數(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5.3：能夠針對具體的對象開發(fā)或選用滿足特定需求的現(xiàn)代儀器設(shè)備和先進(jìn)分析測試工具，模擬和預(yù)測核工程與核技術(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，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)點設(shè)計科學(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)還存在以下幾個有待改進(jìn)的地方。

1.課程理論性強，學(xué)生課堂參與度不夠

核反應(yīng)堆控制是一門理論與實際結(jié)合非常緊密的課程，其理論基礎(chǔ)是核反應(yīng)堆動力學(xué)與自動控制原理，其實踐環(huán)節(jié)是核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計，目前共有32個理論學(xué)時、4個實驗學(xué)時。理論課時以教師講授為主，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，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，積極調(diào)動學(xué)生主動學(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.實踐環(huán)節(jié)簡單，學(xué)生實踐能力鍛煉不夠

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)生對核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的理解、設(shè)計、運行、控制能力，但目前仍側(cè)重于考核學(xué)生掌握理論知識的程度，弱化了對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)和考核。工程教育專業(yè)認(rèn)證要求重視解決實際工程問題，強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生盡快走向現(xiàn)場，了解工程實際，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.實驗內(nèi)容更新緩慢，未能緊跟發(fā)展形勢

近十年來，我國的核工業(yè)發(fā)展非常迅速，“華龍一號”、AP1000、高溫氣冷堆等新堆型投入或即將投入運行，“玲龍一號”、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)實驗課目前只有4個學(xué)時，實驗對象是基于二代壓水堆的仿真模型進(jìn)行反應(yīng)性控制的實驗。隨著三代和四代核電技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的實驗內(nèi)容設(shè)置與工程實際的發(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)證對產(chǎn)出的評價也是考核學(xué)生畢業(yè)一年后工作的情況，因此對學(xué)生實踐能力的培養(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)和項目討論相結(jié)合的改革實踐

針對上述有待改進(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“工程知識”和“問題分析”方面的畢業(yè)要求，開展案例教學(xué)和項目討論相結(jié)合的教學(xué)，其具體教學(xué)模式如圖1所示。

課堂教學(xué)對學(xué)生課程理論體系的構(gòu)筑、實踐能力的培養(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，注重理論知識的應(yīng)用，調(diào)動學(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，僅僅靠文字說明和圖片難以讓學(xué)生加深對知識的理解。核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的教學(xué)應(yīng)注重書本內(nèi)容與工程實際的結(jié)合，引入相關(guān)的案例（如表1所示），展示工作的具體步驟，彌補學(xué)生所欠缺的工程背景和核電廠現(xiàn)場知識，讓學(xué)生提前接觸將來會在實際工作中碰到的問題，有利于培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)理論知識解決復(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，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，采用項目教學(xué)法開展課程實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)。教師將相對獨立的項目交由學(xué)生實驗小組獨立處理，即以項目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體，充分調(diào)動所有學(xué)生的積極性。在實施項目教學(xué)時不是簡單地讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下重復(fù)一個結(jié)果、得到一個結(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，重點在于引導(dǎo)學(xué)生把理論知識和動手能力進(jìn)行有機結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題和團隊協(xié)作的能力。

四、基于虛擬仿真技術(shù)的實踐教學(xué)創(chuàng)新

（一）合理設(shè)計綜合性、系統(tǒng)性、激勵性實驗

以系統(tǒng)性實驗取代簡單操作性、指令性實驗，目前有反應(yīng)性擾動實驗和反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)實驗，這兩個實驗屬于機理驗證和分析實驗，操作簡單，背后的機理較為清晰。若結(jié)合壓水堆核電廠的控制設(shè)計負(fù)荷跟蹤實驗，會讓學(xué)生加深對核電廠整體運行和調(diào)節(jié)的認(rèn)識，同時強化對運行過程中穩(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)運行方案。如果操作正確，通過動態(tài)評分方式給予鼓勵性評價，建立激勵機制。這樣開展綜合性、系統(tǒng)性、激勵性的實驗是對實踐教學(xué)方法的創(chuàng)新。

（二）結(jié)合最新科研成果開展實踐教學(xué)

在實踐教學(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”、AP1000、示范快堆等新型堆的控制方法和控制系統(tǒng)納入實踐教學(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)計與核電廠的運行理念傳達(dá)給學(xué)生。

五、結(jié)語

開展工程教育專業(yè)認(rèn)證，對于提高我國工程教育質(zhì)量，適應(yīng)政府、行業(yè)和社會要求，提升我國工程教育國際競爭力具有重要意義。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、理解、貫徹工程教育專業(yè)認(rèn)證理念，對核反應(yīng)堆控制課程存在的問題進(jìn)行了梳理和總結(jié)，實施了案例教學(xué)與項目討論相結(jié)合的課程教學(xué)改革，以學(xué)生為中心，推動課程理論與相關(guān)實踐的有效結(jié)合，重視發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的重要作用，提高實驗效果，增強學(xué)生的專業(yè)實踐能力。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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[4］ 張鎖榮，劉凱磊，康紹鵬，等.工程認(rèn)證背景下數(shù)控技術(shù)課程教學(xué)改革與實踐[J].高教學(xué)刊，2022，8（36）：158-161.

[5］ 宋憲臣，黃偉莉，林亮華，等.工程認(rèn)證背景下“機械原理”課程“線上+線下”混合式教學(xué)研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2022，41（1）：76-78.

［責(zé)任編輯：龐丹丹］