核反應(yīng)堆物理分析課程教學(xué)改革研討

[摘 要]核反應(yīng)堆物理分析是華北電力大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院下設(shè)的核工程與核技術(shù)和核輻射防護(hù)與核安全兩個(gè)本科專業(yè)的專業(yè)課程。針對(duì)核工程與核技術(shù)和核輻射防護(hù)與核安全兩個(gè)本科專業(yè)的核反應(yīng)堆物理分析課程的內(nèi)容特點(diǎn)和教學(xué)實(shí)際，通過(guò)總結(jié)多年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，充分利用學(xué)校現(xiàn)有教學(xué)資源，因地制宜地對(duì)其課堂教學(xué)模式、教學(xué)方式和教學(xué)方法進(jìn)行一系列改革與實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]反應(yīng)堆物理 教學(xué)實(shí)踐 教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2015）11-0172-02

核反應(yīng)堆物理分析是華北電力大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院下設(shè)的核工程與核技術(shù)和核輻射防護(hù)與核安全兩個(gè)本科專業(yè)的專業(yè)課程。核工程與核技術(shù)專業(yè)于2004年經(jīng)教育部批準(zhǔn)設(shè)立，并于2008年被教育部批準(zhǔn)為第三批“國(guó)家特色專業(yè)”建設(shè)點(diǎn)，2010年成為國(guó)家首批“卓越工程師”計(jì)劃試點(diǎn)專業(yè)。核輻射防護(hù)與核安全專業(yè)于2013年經(jīng)教育部批準(zhǔn)設(shè)立。早在2011年，該課程就被華北電力大學(xué)教務(wù)處列為核工程與核技術(shù)專業(yè)的精品課程。該課程內(nèi)容涉及反應(yīng)堆物理的基本概念和反應(yīng)堆物理分析的理論基礎(chǔ)及實(shí)現(xiàn)方法，基礎(chǔ)概念包括中子通量密度、微觀截面、宏觀截面、反應(yīng)率、中子擴(kuò)散、中子慢化、反應(yīng)堆臨界等，基礎(chǔ)理論包括反應(yīng)堆臨界理論、中子擴(kuò)散理論、中子輸運(yùn)理論等。該課程不僅是核工程與核技術(shù)人才必備的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)也是反應(yīng)堆屏蔽、反應(yīng)堆材料等學(xué)科的基礎(chǔ)。

伴隨核電事業(yè)的發(fā)展，核電人才的需求也變得旺盛，在此大背景下，國(guó)內(nèi)高校為滿足市場(chǎng)人才的需要，相繼開設(shè)了核工程專業(yè)課程。[1]華北電力大學(xué)核反應(yīng)堆教學(xué)在原有的基礎(chǔ)上，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外教材，大力開展多媒體教學(xué)及學(xué)生實(shí)際能力培養(yǎng)建設(shè)，初步形成了自己的反應(yīng)堆物理分析教學(xué)體系。[2]

一、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出課程特點(diǎn)

核反應(yīng)堆物理分析課程由于其專業(yè)性較強(qiáng)，很多地方都有繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出重要的結(jié)論，因此對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)功底要求相對(duì)較強(qiáng)。當(dāng)然，要想把學(xué)生培養(yǎng)成未來(lái)卓越的核電工程師，數(shù)學(xué)對(duì)他們來(lái)說(shuō)不是最重要的，最重要的是通過(guò)理解得出的重要結(jié)論，進(jìn)而理解反應(yīng)堆的物理過(guò)程，核工程中的重要的物理現(xiàn)象，比如輕水堆中為什么要對(duì)中子進(jìn)行慢化、輕水堆中的氙和釤中毒問(wèn)題等。除此之外，反應(yīng)堆物理分析的前后邏輯性很強(qiáng)，這就要求在組織授課材料時(shí)前后是連貫統(tǒng)一的，比如前面講完基本概念后接著講中子慢化和慢化能譜，這時(shí)候就要講清楚，慢化能譜在核工程設(shè)計(jì)中的作用是什么。講清這些問(wèn)題以后下面才好講解擴(kuò)散方程，多群理論等。每講一節(jié)課都要問(wèn)一下自己，這節(jié)課的內(nèi)容與前后內(nèi)容的聯(lián)系是什么，這節(jié)課的內(nèi)容對(duì)幫助學(xué)生學(xué)習(xí)核工程中的反應(yīng)堆現(xiàn)象具有什么幫助。通過(guò)使用西安交通大學(xué)的新版教材《核反應(yīng)堆物理》進(jìn)一步優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，突出了課程特點(diǎn)。另外，盡量創(chuàng)設(shè)小班教學(xué)環(huán)境和學(xué)習(xí)條件，注重調(diào)動(dòng)全體學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)積極性，注重學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，形成自主、開放、有活力的課堂教學(xué)氛圍。教學(xué)中不僅僅是教師單方面的講授和灌輸，而是師生互動(dòng)，組建合作交流的學(xué)習(xí)小組，以期學(xué)生在學(xué)習(xí)、合作、交流、探討等諸方面有所收獲。

二、綜合運(yùn)用各種教學(xué)手段和方法，做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量

現(xiàn)代社會(huì)是大信息的社會(huì)。大信息的時(shí)代也影響到了教學(xué)實(shí)踐。教學(xué)實(shí)踐表明，綜合運(yùn)用各種教學(xué)手段和方法，可以做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是提高課堂教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。眾所周知，現(xiàn)代多媒體教學(xué)可以將多種信息融合到課堂中，能生動(dòng)、形象、直觀、靈活的突出教師要講的內(nèi)容。因此，為提高課堂教學(xué)質(zhì)量和講課效率，必須設(shè)計(jì)和建立一套完善的多媒體課件教學(xué)系統(tǒng)。但是，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中也暴露出僅用多媒體教學(xué)的不足之處。據(jù)學(xué)生反映，多媒體畫面瞬息多變、一晃而過(guò)、翻頁(yè)太快，他們往往來(lái)不及思考，概念印象模糊，記憶膚淺，因此必須恰當(dāng)使用多媒體課件。依據(jù)反應(yīng)堆物理的特點(diǎn)，很多數(shù)學(xué)公式，重要的物理結(jié)論都來(lái)源于數(shù)學(xué)計(jì)算，數(shù)學(xué)推理必須進(jìn)行板書，給學(xué)生一個(gè)理解和消化的過(guò)程。實(shí)踐證明，合理的板書加上合理的多媒體教學(xué)能起到更好的教學(xué)效果。

三、理論聯(lián)系實(shí)踐

核反應(yīng)堆物理分析不僅是一個(gè)理論課，更重要的是它與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系在一起。目前核工程中堆芯設(shè)計(jì)計(jì)算采用的計(jì)算方法就是求解中子擴(kuò)散方程，這就是核反應(yīng)堆物理分析的基礎(chǔ)內(nèi)容，只不過(guò)是采用了先進(jìn)的求解方法而已。為了讓學(xué)生能更深入的學(xué)懂核反應(yīng)堆物理分析，我們針對(duì)課程教材還編制了專門的習(xí)題集，以供學(xué)生練習(xí)。除此之外，反應(yīng)堆物理分析課程設(shè)計(jì)是真正的應(yīng)用到了反應(yīng)堆理論。核反應(yīng)堆物理通過(guò)幾十年的發(fā)展，已形成了比較成熟的軟件，但由于核工程專業(yè)的敏感性，這些軟件大多都不公開。在這種情況下，我們還是選擇一些開源的軟件，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)真正的應(yīng)用軟件去解決工程實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)尋找參數(shù)，問(wèn)題實(shí)踐，程序編程，結(jié)果分析等環(huán)節(jié)，讓學(xué)到的理論真正的與工程結(jié)合起來(lái)。

四、課程設(shè)計(jì)建設(shè)

伴隨中國(guó)核電的大規(guī)模發(fā)展，核電事業(yè)離不開專業(yè)的核電人才，而卓越的核電人才離不開核電教育及優(yōu)秀的教材。因此，教材在整個(gè)教育環(huán)節(jié)中具有重要的地位。就反應(yīng)堆物理分析教材而言，目前美國(guó)高校使用的反應(yīng)堆物理分析教材如表1所示。從表1可見，美國(guó)核反應(yīng)堆教材相對(duì)比較多，并且從難易程度來(lái)看，有的較難，適合科研工作者或者高年級(jí)學(xué)生使用;有的則相對(duì)比較簡(jiǎn)單，適合初學(xué)者使用。總體來(lái)說(shuō)，可供選擇的余地較大。相對(duì)國(guó)內(nèi)而言，反應(yīng)堆物理的教材較少，除了西安交通大學(xué)謝仲生、吳宏春等編寫的《反應(yīng)堆物理分析》在本科教學(xué)中廣泛使用以外，其他的圖書，清華大學(xué)胡永明的《反應(yīng)堆物理數(shù)值計(jì)算方法》，謝仲生和鄧力編著的《中子輸運(yùn)理論數(shù)值計(jì)算方法》，杜書華的《輸運(yùn)問(wèn)題的計(jì)算機(jī)模擬》等更適合高年級(jí)學(xué)生或者研究人員使用。

表1 ? 美國(guó)部分高校反應(yīng)堆物理分析教材列表

從教學(xué)平臺(tái)上講，美國(guó)的反應(yīng)堆物理教學(xué)平臺(tái)比中國(guó)要好。主要原因如下：（1）反應(yīng)堆物理計(jì)算是需要軟件的，美國(guó)經(jīng)歷幾十年的核工業(yè)發(fā)展，形成了世界上最強(qiáng)大的核工程軟件，這些軟件一般都受許可證（Licence）限制。如果在美國(guó)讀書，學(xué)生可以申請(qǐng)這些軟件的許可證，目前的許可證是針對(duì)個(gè)人的，也就是說(shuō)許可證只允許申請(qǐng)者個(gè)人使用，不允許擴(kuò)散給其他人。作為學(xué)生，很多常用軟件，如NJOY，MCNP，SCALE等都是可以申請(qǐng)得到許可證的。這樣，學(xué)生就有機(jī)會(huì)在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行學(xué)習(xí)和科研工作，能更快的進(jìn)入科學(xué)研究中去。而這些在中國(guó)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，即使大學(xué)教授去申請(qǐng)這些軟件，通常都很難申請(qǐng)得到許可證。（2）美國(guó)許多核工程強(qiáng)的學(xué)校，像麻省理工學(xué)院（MIT）、芝加哥大學(xué)（阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）、普渡大學(xué)等都有自己的反應(yīng)堆，這些反應(yīng)堆可供學(xué)生進(jìn)行反應(yīng)堆物理及其他實(shí)驗(yàn)。

為解決上述問(wèn)題，我們引進(jìn)了清華大學(xué)發(fā)布的RMC（反應(yīng)堆蒙卡）軟件以及加拿大蒙特利爾大學(xué)核工程系開發(fā)的反應(yīng)堆模擬軟件DRAGON和DONJON程序給學(xué)生做課程設(shè)計(jì)之用，以提高學(xué)生利用核工程軟件解決實(shí)際問(wèn)題能力和提高對(duì)課堂理論問(wèn)題的認(rèn)識(shí)深度。

五、總結(jié)

針對(duì)核反應(yīng)堆物理分析課程特點(diǎn)，結(jié)合華北電力大學(xué)的具體教學(xué)情況和實(shí)驗(yàn)室條件，因地制宜地開展該課程課堂教學(xué)模式、教學(xué)方式和教學(xué)方法的改革與實(shí)踐，有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果。同時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)要對(duì)比中美反應(yīng)堆物理教材和教學(xué)平臺(tái)發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。第一，美國(guó)通過(guò)幾十年的努力，把核工業(yè)以前的研究成果，包括軟件等都保留了下來(lái)，這些都是重要的學(xué)習(xí)資料，可為后續(xù)培養(yǎng)卓越的核工程人才打下良好的基礎(chǔ)，這是值得我們學(xué)習(xí)和借鑒的，建議國(guó)內(nèi)未來(lái)有更多的像RMC一樣的軟件。第二，建議國(guó)內(nèi)應(yīng)該有更多更好的反應(yīng)堆物理教材，因?yàn)榻滩氖菍W(xué)生學(xué)習(xí)的基本材料，好的教材可以起到事半功倍的效果。華北電力大學(xué)核學(xué)院立足高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展自己的人才培養(yǎng)體系，反應(yīng)堆物理分析課程的建設(shè)也應(yīng)該立足于高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)，建立國(guó)內(nèi)一流、國(guó)際先進(jìn)的教學(xué)科研平臺(tái)。

[ 注 釋 ]

[1] 葉濱，袁長(zhǎng)迎，費(fèi)小丹，等.《核反應(yīng)堆物理分析》課程以實(shí)踐促進(jìn)教學(xué)研討初探[J].課程教育研究，2012（9）：127-128.

[2] 馬續(xù)波，陳義學(xué).核反應(yīng)堆物理分析課程建設(shè)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2011（S2）：266-267.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]