優勢融合，方法創新，打造核電廠系統與設備“金課”

張鈺浩 呂雪峰 李向賓 牛風雷

[摘 要]文章針對核電廠系統與設備課程的內容特點和教學實際，總結了對學生學習本門課程的三個層次要求，重點介紹了華北電力大學核科學與工程學院在本課程教學方面的改革和創新性嘗試。應充分利用現有教學資源，將多方優勢融入教學，從而進一步實現教學方式方法創新，包括：完善課程體系建設，傳統與新型教學方式相結合，采用先進的多媒體技術，融入科研優勢;同時，努力推動課堂內外實踐與教學的有機結合，將核電廠系統與設備課程打造成為更加豐富、高效、充實的本科教學“金課”。

[關鍵詞]核電廠系統與設備;教學改革;教學研究;華北電力大學

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）05-0170-04

壓水堆核電廠是我國核電廠建設的主要堆型，它的系統組成復雜、設備龐大、類型眾多，安全性與可靠性要求高。核電廠系統與設備是核科學與工程專業的核心必修課程，該課程作為核工程專業學生的第一門專業基礎必修課，是核工程專業主干核心課程——核反應堆物理分析、核反應堆熱工分析、核反應堆安全分析等課程的基礎。通過學習該課程，學生能夠深刻掌握核電廠主要系統設備的基本工作原理和設計理念。本課程講授的知識是核工程專業的學生走上工作崗位所必須掌握的基本知識，為學生從事核電廠相關工作奠定關鍵基礎。核電廠系統與設備課程全面介紹了二代壓水堆核電廠一回路主系統的功能、組成、關鍵設備的結構，以及輔助系統、專設安全設施的功能、組成、流程、重要設備特性、運行的基本知識（以核島部分為主）;同時也介紹了AP1000反應堆冷卻劑系統的功能、組成、各重要設備的結構，非能動堆芯冷卻系統、安全殼和安全殼系統，輔助系統的功能、流程、重要設備特性等，并將二代壓水堆核電站和AP1000核電站進行比較分析，使學生對大型壓水堆核電廠的總體組成、重要系統、關鍵設備、發展歷程有總體了解。

華北電力大學（以下簡稱“我校”）根據自身特點，以及多年來服務國家戰略、突破工程教育瓶頸的“訂單+聯合”大核電人才培養模式與實踐中積累的經驗，逐步形成了具有特色的核電廠系統與設備教學體系。

一、基于課程特點，把握知識學習層次，有的放矢

核電廠系統與設備課程雖然沒有大量繁復的計算公式，但是涉及核電廠全方位結構、系統、運行等，知識點較為龐雜，且不同知識點之間互相關聯，反映了反應堆系統的高度復雜性，所以稱本門課程為“工科中的文科”也不為過。結合這樣的學科特點，學生對于本課程的學習分可為以下三個層次。

（一）知識層面

學生掌握核電廠一回路主系統、輔助系統、專設安全設施的系統功能、流程、關鍵設備特性等，包括系統或部件的組成、數量、關鍵設計參數，把握其結構特點，知道“是什么”。以反應堆堆芯學習為例，學生首先需學習反應堆堆芯的總體組成、結構、分區方式、換料策略，從堆芯結構組成方面，分別學習燃料組件、燃料元件棒、燃料芯塊、包殼、定位格架的結構、功能、數量等;從功能分類方面，學習控制棒組件、可燃毒物組件、中子源組件、阻力塞組件的材料、結構、功能、數量等。在這一層面，學生需要通過理解，結合適當的記憶，對核電廠系統與設備有基礎、詳細、全面的學習。

（二）認知層面

通過知識層面的學習，激發學生認知核電廠系統與設備課程的興趣，引導學生領會關鍵系統或部件的設計特點。仍以反應堆堆芯學習為例，通過圖文并茂、形象生動的多媒體教學課件，讓學生直觀認識到反應堆的“心臟”——反應堆堆芯的結構設計特點、設計原理，進而引發學生思考：反應堆設計上是如何巧妙地設計冷卻劑流道從而帶走堆芯釋放出的巨大能量的？堆本體是如何從設計上減少堆芯對壓力容器的輻照的？這不但能夠加深學生對基本知識的理解，更能夠讓學生將不同章節的知識融會貫通。

（三）能力層面

基于知識層面、認知層面的理解，引導學生深入體會核電廠系統與設備課程的 “結構+功能+設計理念”的邏輯脈絡，即真正具備理解核電廠主要系統與設備的基本工作原理和設計理念的能力。引導學生思考：假設自己是核電廠設計師，結合所學習的知識，在設計一個新型系統時需要考慮哪些方面的因素，如何設計該系統/設備？通過這種方式使學生真正具備解決實際問題的能力，并且激發和培養學生與時俱進、主動跟進核電發展時代前沿的求知欲和能力。

針對本課程的特點，以上三個層次既是對學生學習效果的要求，也是對教師教學的要求。其要求教師不但要把握基本知識的傳授，還要考慮如何將晦澀難懂的文字講得深入淺出，進而啟發學生思考核電廠系統與設備相關設計的本質原理，從根本上增強學生理論聯系實際和學以致用的能力。

二、教學方式方法創新，多方優勢融入教學

隨著時代的飛速發展，信息技術、VR、課堂輔助教學軟件等新技術迅速興起，核工程領域的科研工作不斷推進，原有的教學方式、方法面臨新的挑戰。結合我校核科學與工程學院一線教學工作實際，筆者對教育教學方式方法改革與創新手段分析探討如下。

（一）教材、慕課融合創新，完善課程體系

我校核工程與核技術專業、輻射防護與核安全專業自成立以來，采用大亞灣核電站培訓教材《900MW壓水堆核電站系統與設備》以及《非能動安全先進核電廠AP1000》作為教材，教材內容較為完整，在培養核電人才方面發揮了巨大作用。以上教材適用于工程化培訓，并且隨著我國具有自主知識產權的第三代核電技術“華龍一號”的快速發展與建設，對一套融合二代、三代核電技術，且具有更為完整知識體系的教材的需求更為迫切。鑒于此，我校核科學與工程學院正在進行相關教材的編著工作。該教材具有兩個主要特點：一是對現有知識體系進行梳理、總結，將二代M310、三代AP1000、“華龍一號”核電技術相關的系統與設備有機融合為一體，做到結構清晰，體系完整;二是基于對基礎知識的學習，增加二代、三代核電技術相關設計的變化、改進方案等方面的分析、對比，使學生體會核電系統與設備設計的變化、改進及原因，使學生真正具備理解核電廠主要系統與設備的基本工作原理和設計理念的能力。

同時，與教材的編制相配套，組織課程教學團隊教師錄制慕課，以此作為學生自主學習的重要輔助手段。慕課課程內容經教學團隊充分討論，抽絲剝繭，選取本課題的關鍵知識點進行慕課課程講授及制作。每節課時間為15～20分鐘，力求每節慕課能夠講透一個關鍵知識點，作為本課程的重要輔助學習方式，也為傳統教育注入了新鮮血液，這是大信息化時代下的新型教學方式。由此，“課堂（線下）—慕課（線上）”教學相結合，課堂不再由單一授課教師主導，課程也不再被單一教學系統所限制，人工教學管理向智能教學管理轉變，適應了信息時代背景下對大學本科教育的最新要求[1]。

通過創新教材編制、配套慕課制作等手段，我校不但實現了“二代”“三代”核電技術知識的融合，而且實現了“線上”“線下”相結合的新型學習方式，從而建立了一套更為完整、全面的核電廠系統與設備課程教學體系。

（二）傳統與新型教學方式相結合，創新課堂教學方法

本門課程涉及的知識點較多，學習起來有一定的困難，這就要求學生在學習過程中集中精力，理解各個系統、設備之間的聯系。因此，除了傳統的教師講授的教學方法之外，還要探索新型的教學方式，形成師生互動。

應盡量創設小班教學環境和學習條件，注重調動全體學生的學習熱情和學習積極性，注重學生創新能力和實踐能力的培養，形成自主、開放、有活力的課堂教學氛圍[2]。在小班教學條件下，可選擇部分教學內容進行“翻轉課堂”式教學，如“M310主泵三級軸封流量控制原理”“穩壓器自動降壓系統先導式安全閥開啟原理”等內容，讓學生建立學習小組，提前布置學生學習、查閱相關資料，做成PPT，并在課上向班級其他同學進行講授。這樣的課程教學活動以學生為中心，讓學生基于學習目標去主動學習、獨立思考、發現問題并研究解決問題，學生還可以依據自己的興趣和能力挖掘得更深，拓展得更廣[3]。同時，教師在這一過程中需要注意加強引領，幫助學生解決自學過程中遇到的問題及難點，師生間形成一種快速有效的溝通和反饋，在討論中提高學生的思辨能力。

現在的學生大多為00后，具有鮮明的時代特征，如果能掌握他們的溝通方式，無疑會拉近教師與學生的距離，有益于教學。課堂上適當地采用一些風趣幽默的語言，更有助于消除學生在課堂上的瞌睡感，讓其更好地沉浸到課堂學習中。

嘗試引入智慧教學工具，如“雨課堂”等新型工具，實現課堂上實時答題、彈幕互動，為傳統課堂教學師生互動提供一種直接、高效的輔助溝通方式[4]。同時，可以將智慧教學工具與慕課等“互聯網+教育”方式相結合，實現“課前—課上—課后”每一個教學環節全覆蓋。

（三）多媒體手段、實物模型、VR相結合，提升課堂教學效果

為了強化核電廠系統與設備課程教學效果，增強學生對核電廠系統及重要設備的結構和工作原理的理解，核科學與工程學院專門建設了核電廠系統及重要設備模型教學實驗室，如圖1所示，其主要模型包括M310、AP1000堆芯及壓力容器結構模型、安全殼結構模型、主泵模型、蒸汽發生器模型、一回路系統模型、二回路系統模型及控制棒驅動機構模型等，也包括課程中重點講授的關鍵結構，如燃料組件（及剖視模型）、控制棒驅動機構結構、主泵軸封結構等。此外，學院建設了虛擬現實（VR）實驗室，讓學生能夠深入核電站內部一探究竟。學生通過與核電廠系統及設備實物模型多方位的、立體性的學習，開闊了視野，活躍了思路。

在教學過程中，需充分發揮多媒體技術教學的優勢，基于 PowerPoint軟件設計圖文并茂、形象生動的多媒體教學課件、視頻等，直觀地展示核電廠中各部件結構、系統的組成與功能[5]，如“反應堆堆芯啟動過程”“蒸汽發生器傳熱管穿管過程”“裝換料過程”“CAP1400模塊化施工”等，幫助學生對系統的動態運行過程等抽象知識進行直觀介紹。同時，充分利用資源，獲取核電站系統與設備的實物照片，將書本上的文字對照實物進行學習，讓學生直觀地看到實際的反應堆結構、部件等，從而讓學生更好地理解、掌握各種核反應堆結構及設計、運行原理。

另外，要關注核能領域網站、微信公眾號等各類渠道推送的相關信息、案例等[6]，將一些課堂上講過、但很難親眼見到的過程以視頻的形式直觀地搬進課堂，如中央電視臺推出的《超級工程》《超級裝備》等紀錄片，均有重大核電工程、核電裝備的相關介紹。將以上內容與課堂講授相應章節有機結合，不但能夠有效提升學生學習興趣與注意力，還能夠使學生快速掌握相關知識點，更能讓學生在學習過程中直觀感受到“核級”標準之高、要求之嚴，領略核電大工業之美。

（四）結合科研優勢，拓展學生視野，引導學生思考

將科研融入教學，在教學過程中適當地對相關研究成果進行展示與引導，將這些最新研究成果融入教學內容，這一方面對學生深入掌握核電廠系統流程和運行原理大有裨益，另一方面也提高了課程的學術意義，有利于激發和提高學生科研方面的興趣。例如，如圖2所示，講授AP1000非能動余熱排出系統時，結合教師所承擔的壓水堆國家重大專項項目相關內容，給學生展示高速攝像機拍攝的非能動余熱排出熱交換器工作過程中的沸騰換熱氣泡生長、浮升過程，以及第1-3級自動降壓系統在內置換料水箱中的冷凝過程等，讓學生能夠直觀看到平時很難觀察到的現象，加深學生對關鍵設備工作原理的理解。在講授燃料格架設計時，給學生介紹格架攪混翼片的設計研究論文，讓學生了解計算流體力學（CFD）方法與實驗方法相結合的重要研究方法，讓學生提前接觸科研，這對學生規劃學習、考研等有所幫助。

將核電當前高速發展形勢與教學相融合，不定期地向學生介紹核能行業的最新進展，如AP1000核電站成功商運、“華龍一號”核電站建設情況等。利用課間時間對學生進行核科普，如播放連續舉辦了四屆的“全國高校學生課外‘核+X創意大賽”歷年獲獎作品等，對核技術應用、核醫學、核能供熱等方面進行科普性介紹，以拓寬學生的知識面。通過以上多種手段促使學生主動關注、跟蹤當前核電行業的最新發展狀況、熱點，激發學生的學習興趣;同時有機結合“課程思政”的相關要求，引導學生提前做好職業生涯規劃，為我國核電事業的安全、高效發展貢獻自己的力量。

（五）拓展校外實習基地，課堂內外有機結合

我校與中國核工業三大央企，即中核集團、中廣核集團和國家電投集團建立了密切的合作關系，積極開拓校外實習基地，已與山東核電有限公司、江蘇核電有限公司、秦山核電有限公司、中國核動力研究設計院、中國原子能科學研究院、國家電投集團科學技術研究院等國內知名核電企業及科研院所聯合建立了學生課外實踐基地（如圖4所示）。

專業認知實習、校企聯合學生工作站實習等能夠使學生有機會直接見到核電站實景，核電廠的一線運維人員、培訓教師給學生講解核電廠系統設備的運行原理，學生甚至可以進入核島廠房、汽輪機廠房等核電廠內部進行零距離學習參觀，真正深入一線觀察、感受核電人的工作、生活，把課本上的知識與實際電廠的系統與設備結合起來，從而達到全面深刻地掌握和理解課程知識的目的。

依托“華電大講堂”等平臺，我們邀請核能行業院士、知名專家、學者來做報告，內容涵蓋“華龍一號”、鈉冷快堆、先進核動力及應用等，這是對課本學習知識的有效補充和拓展，大大拓寬了學生的知識面。

以上課堂內外的有機結合，不但能夠加深學生對核電廠系統與設備課程的理解，而且開拓了學生的視野，讓他們提前接觸企業、了解核電廠工作，為他們盡早規劃將來的職業生涯打下很好的基礎。

三、總結與展望

本文分析了核電廠系統與設備的課程特點，總結了學生學習該課程的三個層次，重點介紹了華北電力大學核科學與工程學院在本課程教學方面的改革和創新性嘗試，具體措施包括：教材、慕課融合創新，完善課程體系;多媒體手段、實物模型、VR相結合，提升課堂教學效果;傳統教學方法與新型教學方式相結合，創新課堂教學方法;結合科研優勢，拓展學生視野，引導學生思考;拓展校外實習基地，邀請專家做報告，課堂內外有機結合等。以多種形式、多種方式激發學生的學習興趣，讓學生從知識層面、認知層面更好地掌握本課程知識，進而把握“結構+功能+設計理念”的邏輯脈絡，真正具備理解核電廠主要系統與設備的基本工作原理和設計理念的能力。

同時，以上新手段、新方法的引入也對任課教師提出了更高的要求，結合教育部印發的《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》（教高函〔2018〕8號），各高校應嚴抓本科教育，淘汰“水課”、打造“金課”。這要求任課教師投入更多的精力到教學中，且不斷加強培訓學習，定期研討，跟上信息時代高速發展的節奏，這樣才能打造更為豐富、高效、充實的本科教學課堂，把核電廠系統與設備這門課程打造成真正的“金課”。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 方群，朱戰霞.慕課與傳統課堂教學方法有機融合的大學課程教學模式初探[J].教育教學論壇，2019（34）：183-186.

[2] 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（11）：172-173.

[3] 楊裴裴，陳桂英.微課時期高校翻轉課堂教學模式的實踐[J].計算機產品與流通，2019（10）：177+184.

[4] 姜海麗，孫秋華，趙言誠，等.基于雨課堂的教學實踐[J].高教學刊，2019（18）：86-88.

[5] 田文喜，張亞培，陳榮華，等.西安交通大學核電廠系統與設備課程教學研究與實踐[J].大學教育，2018（8）：52-54.

[6] 李向賓，王升飛.案例教學在《核反應堆熱工分析》課程中的應用[J].華北電力大學學報（社會科學版），2011（S2）：268-269+273.

[責任編輯：陳 明]