“新工科”背景下地方高校《核反應堆物理分析》課程教學的改革與實踐

陳珍平　郭倩　謝金森　于濤　王振華

摘 要：《核反應堆物理分析》是核工程專業重要的專業基礎課程，它在核工程系列專業課程中處于核心地位。由于該課程涵蓋內容多，理論性較強，物理概念抽象，對數學功底要求高，且由于“核”特殊性無法開展現場實驗，導致學生在學習時倍感枯燥，難以掌握，從而興趣度大大降低，達不到預期教學效果。文章結合“新工科”背景下地方高校的專業發展現狀，重點針對本門課程的教學環節，探索通過仿真實驗教學配合課程的理論教學，提高學生對課程學習的積極性和主動性，幫助學生加深對課程知識的理解和構建清晰的理論體系，提升整體教學質量。

關鍵詞：新工科；地方高校；核反應堆物理；仿真實驗

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）06-0072-03

Abstract： The Nuclear Reactor Physics Analysis which is one of the most important basic courses for students majoring in nuclear engineering plays a significant role in the education of the nuclear engineering specialized courses. However， the course covers many sophisticated and metaphysical nuclear theories and methods. Furthermore， the nuclear experiments related to reactor physics are difficult to be carried out in local universities. As a result， the undergraduate students will feel bored and lose the interests in learning. Considering the current situations of the course in local universities， the reactor physics' simulation experiment coordinated with the theory teaching is adopted in the teaching course. Students' enthusiasm and initiative of learning are improved. In addition， the experiments help students clearly understand the theories.

Keywords： emerging engineering； local universities； nuclear reactor physics； simulation experiment

《核反應堆物理分析》是核工程專業重要的專業基礎課程，它在核工程系列專業課程如《核反應堆熱工水力學》《核反應堆安全分析》《核電廠控制與運行》《核電廠概率安全評價》等課程中處于核心地位。但是，目前在本門課程教學過程中發現由于此課程內容較多，理論性很強，物理概念抽象，對數學功底要求較高，且由于“核”特殊性無法開展現場實驗，導致學生在學習時倍感枯燥，難以掌握，從而興趣度大大下降，導致達不到預期教學效果。本文主要探索通過仿真實驗教學配合《核反應堆物理分析》的理論教學，以提升教學質量。

一、國內外核反應堆物理仿真實驗教學發展現狀與分析

對于歐美核強國而言，由于其核工程發展歷史悠久、專業成熟度高、課程教育重視實踐等特點，在進行《核反應堆物理分析》課程教學過程中，普遍配合仿真實驗教學，以加深學生對于課程知識點的認識和理解，培養學生獨立解決問題的能力，增進創新意識。以美國為例，美國能源部牽頭為其國內的核工程高校開發了可用于開展核工程仿真實驗的VERA平臺，基于VERA平臺可以進行核反應堆物理相關的仿真實驗。而歐盟中的核強國如法國、德國等國家由于采用的是工程師培養制度，在核工程專業相關課程教學過程中更加注重實驗教學。

相對于歐美核強國而言，由于國內本身核工程的專業成熟度以及核工程相關技術的自主化程度仍處于發展階段，使得在國內高校的核工程專業課程教學中，特別是核反應堆物理相關的實驗教學難以實際開展。因此，部分核工程院校逐漸開始嘗試通過仿真實驗來提升核反應堆物理課程的教學質量。例如，西安交通大學建立了核電廠與火電廠系統虛擬仿真實驗教學中心，圍繞核反應堆相關專業課程開展了系列仿真實驗教學課程。華北電力大學基于堆芯物理數值仿真程序輔助開展核反應堆物理課程設計。西南科技大學利用SIREP仿真模擬器以法國1300MW四環路機組數據為參考，對反應堆一、二回路主要系統及其控制調節進行了模擬仿真，可以整體運行模擬從冷停堆到滿負荷功率運行的全過程以及各種瞬態過程的堆芯中子物理學效應。武漢大學、哈爾濱工程大學和南華大學等高校都配套建立了核工程虛擬仿真實驗教學中心，以輔助《核反應堆物理分析》以及其他核工程類專業課程開展仿真實驗教學。

二、基于核反應堆物理仿真實驗提升課程教學質量的改革與實踐

通過對仿真實驗的教學內容、教學過程和教學實踐三個方面的重點建設，建立符合我校實際的仿真實驗教學體系。首先，進行核反應堆物理仿真實驗教學內容建設，主要根據當前《核反應堆物理分析》課程的授課教材，結合國內外其他高校仿真實驗的建設情況，篩選出若干重要的物理概念和理論，并根據目前我校仿真實驗平臺資源的保有情況，確定合理可行的仿真實驗教學內容；其次，開展核反應堆物理仿真實驗教學過程設計，根據已經確定的仿真實驗教學內容，設計針對性的實驗環節、教學方法、教學結果評價等教學要素，形成科學合理的仿真實驗教學過程體系，使得仿真實驗教學的開展具有切實的可行性和可操作性；最后，實施核反應堆物理仿真實驗教學改革實踐，基于已構建的仿真實驗教學體系，在核工程專業中開展仿真實驗教學實踐，并對教學實踐結果進行定性與定量評價，將評價結果反饋的后續的教學環節中，進而對后續的仿真實驗教學環節進行改進，形成優化的教學模式，最終將優化的教學模式推廣到核類其他專業的課程教學實踐中。

（一）核反應堆物理仿真實驗教學內容建設

1. 仿真實驗內容選題。主要根據當前《核反應堆物理分析》課程的授課教材，同時結合國內外其他高校仿真實驗教學內容的建設情況，篩選出若干重要的物理概念和理論，并根據目前我校仿真實驗平臺資源的保有情況，進行實驗開展的可行性論證之后，最終確定10個實驗項目作為仿真實驗教學內容。

2. 仿真實驗平臺搭建。以我校“核能與核技術工程國家級虛擬仿真實驗教學中心”的相關實驗平臺為依托，針對表1確定的10個仿真實驗項目，搭建相應的仿真實驗平臺，如表2所示。

（二）核反應堆物理仿真實驗教學過程設計

1. 實驗項目分類。基于表1擬定的仿真實驗教學內容和表2搭建的仿真實驗平臺，將10個實驗項目分為四類：驗證性項目（2個）、設計性項目（2個）、綜合性項目（3個）和創新性項目（3個）。

2. 明確實驗目的。每個仿真實驗項目的實驗目的主要圍繞《核反應堆物理分析》課程相關章節的教學重點和難點展開，其主要目的在于通過仿真實驗幫助學生加深對課程知識點的認識與理解，獲得更直觀與感性的認知，幫助學生構建更加清晰的物理概念和理論體系。

3. 確定教學方法。根據仿真實驗的類別（驗證性、設計性、綜合性和創新性），以及不同類別實驗項目的預期目標不同，分別采用案例法、講授法、討論法和自學法進行實驗教學。

4. 建立評價指標。根據仿真實驗類別、實驗目的和教學目標的不同，在學生完成相應的仿真實驗項目之后，需要提供相應的實驗報告、設計報告和創新總結報告等材料，作為實驗教學的重要評價指標。

（三）核反應堆物理仿真實驗教學改革實踐

1. 仿真實驗教學實踐。基于已構建的仿真實驗教學體系，在核工程專業《核反應堆物理分析》教學任務中，選取兩個本科班級開展核反應堆物理仿真實驗教學試點工作，開展“理論+實驗”的教學改革實踐。

2. 教學效果評價。在《核反應堆物理分析》教學過程中，對仿真實驗教學的教學過程數據進行記錄，同時借助期末考試、平時作業以及開放習題等過程的成績數據，對仿真教學實踐的結果進行定性與定量評價，檢驗實驗教學對理論教學的質量提升情況。

3. 評價結果反饋。將仿真實驗教學的評價結果反饋的后續的教學環節中，進而對后續的仿真實驗教學環節進行改進，形成更優化的教學模式，最終將優化的教學模式推廣到核類其他專業課程的教學實踐中。

三、“新工科”背景下開展仿真實驗教學實踐的作用與意義

核反應堆實驗通常具有高危、高成本、高消耗或極端環境，具有不可及或不可逆的操作特點，難以在高校開展，而依靠常規的實驗設備又無法滿足教學需求，對學生掌握相關的知識和技能帶來很大的不便。因此，考慮到核反應堆實驗在實施上的困難性和特殊性，探索通過模擬仿真的手段來開展實驗教學。

（一）基于仿真實驗教學可提高學生對核反應堆物理課程的學習積極性和主動性

《核反應堆物理分析》是一門以高等數學、概率論、原子核物理等為基礎的理論性課程，是核工程專業的重要專業基礎課程。由于本門課程理論性較強，涉及中子物理的相關概念較為抽象，且由于“核”特殊性無法開展現場實驗，導致很多學生在學習時倍感枯燥，難以掌握，達不到預期教學目標。然而，心理學原理告訴我們，教學最好的方法和目的是在于調動學生的學習積極性，高度發揮學生的主觀能動性。學生對課程中的理論學習缺乏興趣，而實驗教學過程則能充分調動學生的積極性、參與意識和表現意識。因此，通過仿真實驗既能使學生更形象生動地掌握原來枯燥無味的核反應堆物理課本知識，鍛煉學生的動手能力和創造能力，從而最大限度地激發學生的學習興趣，提高學生的積極性和主動性。

（二）基于仿真實驗教學能幫助學生構建清晰的核反應堆物理概念和課程理論體系

通過仿真實驗教學，雖然可以有效地激發學生們濃厚的學習興趣和調動每一個學生的積極參與，但是《核反應堆物理分析》是一門專業性極強的理論課程，其涉及中子截面、核反應、中子擴散理論等眾多晦澀難懂的微觀物理概念，使學生在課程學習中難以建立起直觀的理論認識和清晰的物理概念。因此，基于仿真實驗教學可幫助學生在實際的仿真實驗操作中去解決課程理論中似懂非懂、似是而非的問題，使學生在具體的仿真實驗過程中掌握專業知識。同時，教師在演示仿真實驗過程中還可啟發學生觀察實驗現象、過程，并進行思維分析。學生在仿真實驗操作過程中能形象、生動、直觀地理解和掌握課本知識，并學會以科學認真的態度將理論知識與實踐應用相結合去考慮問題、分析問題和解決問題。因此，基于核反應堆物理仿真實驗教學，能夠幫助學生構建清晰的核反應堆物理概念和課程理論體系。

（三）基于仿真實驗教學可檢驗學生對課程理論的學習效果并促進教學活動的改進

《核反應堆物理分析》是一門“難教、難學、難懂”的專業性極強的理論課程。學生對于本門課程反應堆物理理論的掌握程度將直接影響后續《核反應堆熱工水力學》《核反應堆安全分析》《核電廠控制與運行》《核電廠概率安全評價》等專業課的學習效果。因此，在核反應堆物理課程實際教學過程中，有必要采取多樣化手段對學生的學習效果進行測試與檢驗。而實驗是檢驗理論學習的最好方法。因此，針對課程中的一些重要物理理論、概念和現象，建立針對性的仿真實驗，通過學生進行自主地設計實驗、開展實驗、數據處理、現象分析等環節可以有效檢驗學生對于課程理論的掌握程度和學習效果。同時，通過學生學習效果的檢驗反饋，可以反過來對課程的理論教學過程進行定期地優化與更新，促進教學活動的改進，進而使得整個課程的理論教學和實驗教學相得益彰，構建良性循環的課程教學體系。

四、結束語

針對我校核工程專業《核反應堆物理分析》課程的教學現狀，分析了目前純理論教學模式存在的弊端，探討了基于仿真實驗教學的改革與實踐，開展了核反應堆物理仿真實驗教學環節設計，初步分析了其對于提升課程整體教學質量帶來的潛在優勢與好處，為后續進一步深入開展實踐教學提供一定的理論指導。

參考文獻：

[1]馬續波.核反應堆物理分析課程教學改革研討[J].大學教育，2015.

[2]葉濱，袁長迎，費小丹，等.《核反應堆物理分析》課程以實驗促進教學研究初探[J].課程教育研究，2012.

[3]曾文杰，謝金森，程品晶，等.高校核專業虛擬仿真實驗教學建設探索——問題與對策[J].教育教學論壇，2017.

[4]劉雪嶺，王悅.流體力學課程虛擬仿真教學資源庫平臺開發[J].高教學刊，2017（04）：76-77.

[5]王文軻，張偉，張燕，等.工業工程仿真實驗實踐教學平臺設計與構建研究[J].高教學刊，2017（15）：74-75+78.

[6]張紅霞，楊淵，王向前.高校經管類學科虛擬仿真實驗教學中心的建設[J].高教學刊，2015（18）：238-239.

[7]馬續波.核反應堆物理分析課程教學改革研討[J].大學教育，201

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