基于工程教育專業認證的核反應堆控制課程教學改革

孫培偉 魏新宇

［摘 要］工程教育專業認證的理念主張注重對學生能力的培養和實際問題的解決，關注產出和持續改進，基于該理念，文章探討了核反應堆控制課程的教學改革。這個改革以西安交通大學為例，對課程的培養目標和現狀進行分析，梳理目前存在的主要問題，開展案例教學和項目討論相結合的改革實踐，強化以學生為中心的理念，注重開展啟發式討論，強調虛擬仿真技術在核反應堆控制課程教學中的作用，在教學實踐中踐行工程教育專業認證的理念。

［關鍵詞］工程教育專業認證；核反應堆控制；案例教學；虛擬仿真

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）08-0026-03

2016年6月，我國加入了《華盛頓協議》，這意味著通過中國工程教育專業認證協會（CEEAA）認證的中國工程專業本科學位得到了簽訂這個協議的其他正式成員的承認。《華盛頓協議》倡導從工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究、個人和團隊、溝通、項目管理、終身學習等方面來認證學生的能力，注重培養學生在理論應用、實際工程分析、項目問題處理和團隊協作等方面的綜合實踐能力[1]。工程教育專業認證強調以學生為中心的教育理念、產出導向的教育體系、持續改進的質量觀。

西安交通大學核科學與技術學科成立于1958年，是我國最早成立的核專業之一，核反應堆控制屬于該專業最重要的研究方向之一。西安交通大學核工程與核技術專業2019年開始參與工程教育專業認證，核反應堆控制課程（簡稱本課程）是專業核心課程，在工程教育專業認證中具有重要的支撐作用。本課程通常側重于理論教學，學生實踐機會較少，影響到學生動手能力和工程實際認識水平的提高。而本課程屬于理論與實踐相結合的課程，其中針對實際壓水堆核電廠控制系統的講解尤其需要結合工程實際，因此有必要結合工程教育專業認證的要求以及本課程的實際進行教學改革。本文分析了本課程目前的培養目標和現狀，基于工程教育專業認證的理念提出了課程教學改革的方案。

一、國內外部分高校核反應堆控制相關課程的教學特點

國內大學課程教學以往普遍注重引導學生掌握系統的理論知識，而大多數加入《華盛頓協議》的發達國家更推崇有利于促進學生實踐能力發展的課程教學模式，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、賓夕法尼亞大學等高校的課程有演講課、討論課、輔導課、實驗課、個案研究、項目研究、角色扮演等，學生積極主動參與到教學中來并處于教學的中心地位，通過思考并發表自己的見解，從而使自己的實踐能力得到提升。核反應堆控制及其相關課程的教學實踐也是如此。美國的麻省理工學院將核反應堆動力學與控制的相關內容放在核反應堆安全課程中。他們由于有自己的實驗用反應堆，因此安排了大量的實操實驗，這對激發學生學習興趣與提高學生實踐能力起到了積極的作用。美國的田納西大學的核工程系開設了核反應堆動力學與儀控課程，該課程的教學內容與西安交通大學核反應堆控制課程目前的教學內容較為相近，也是包括理論與實踐兩大塊，在實踐教學中積極采用討論式教學，以項目為牽引、小組為單位，不僅注重鍛煉學生的實踐能力，還注重提高學生的團隊協作能力。日本的早稻田大學開設的課程為核反應堆動力學與核電廠控制，跟理論教學比較而言更注重核電廠控制的實踐教學，對堆型的介紹比較全面詳細。

國內的工程教育專業認證起步較晚，高校對核反應堆控制及其相關課程的教學大都還是采用以教師講授為主的模式。目前有些學校開展了一些相關課程的教改工作，積極向工程教育專業認證的標準看齊[2-5]。比如華北電力大學的核反應堆儀表課程通過優化教學內容、豐富教學手段、構建實驗環境等措施提高學生的實踐能力和提升教學效果。南華大學的核反應堆物理課程以虛擬仿真實驗室為平臺，將核反應堆控制教學內容融入虛擬仿真實驗中，以提高學生的實際動手能力。中山大學中法核學院的辦學融入了法國工程師培養的理念，把其核反應堆控制的相關教學內容放在核反應堆運行課程中講授。該門課程有16個理論課時、24個實踐課時，充分鍛煉了學生的實踐能力，調動了學生學習與探索的積極性，獲得了良好的教學效果。這些都是值得借鑒的。

二、西安交通大學核反應堆控制課程對學生能力培養的要求和有待改進的問題

（一）能力培養要求

根據工程教育專業認證的要求，西安交通大學核工程與核技術專業建立了課程教學對學生畢業要求達成的支撐關系，并據此制訂了核反應堆控制課程的培養目標及其相關要求：（1）能重復主要的反應性控制方法、核電廠穩態運行方案和運行模式，能列舉典型壓水堆核電廠的關鍵控制系統，并結合專業知識描述各控制系統的原理和方法。（2）能夠運用微分方程、傳遞函數、頻率特性、差分方程、脈沖傳遞函數、狀態空間表達式等數學模型方法描述核反應堆的動態行為。（3）能夠熟練利用穩定性判據進行穩定性分析，針對不同的反應堆堆型，討論核反應堆及其控制系統的穩定性。（4）學習核電廠虛擬仿真軟件的操作方法，利用虛擬仿真軟件進行計算，選擇關鍵參數，準確采集實驗數據并繪制趨勢圖。（5）利用虛擬仿真軟件，模擬計算不同工況下核反應堆控制系統的瞬態響應，并解釋控制系統的性能。

其中培養目標（1）和（3）支撐畢業要求1“工程知識”中的指標點1.3：能夠將核工程與核技術專業知識和數學模型方法用于推演、分析涉核裝置的工程問題。培養目標（2）支撐畢業要求2“問題分析”中的指標點2.2：能夠基于數學、自然科學和工程科學的科學原理與數學模型方法，正確表達核工程與核技術領域的復雜工程問題。培養目標（4）支撐畢業要求4“研究”中的指標點4.3：能夠根據實驗方案構建實驗系統或搭建實驗裝置，安全、科學地開展實驗，準確采集和獲取實驗數據。培養目標（5）支撐畢業要求5“使用現代工具”中的指標點5.3：能夠針對具體的對象開發或選用滿足特定需求的現代儀器設備和先進分析測試工具，模擬和預測核工程與核技術專業問題，并能夠分析其局限性。

（二）有待改進的問題

從工程教育專業認證的視角來看，教育需要關注“教育產出”（學生學到了什么），而非“教育輸出”（教師教了什么），按照“反向設計，正向施工”的基本思路，以培養目標和畢業要求為出發點設計科學合理的課程大綱，采用匹配的教學內容和教學方法。從這個標準來看，核反應堆控制課程目前的教學還存在以下幾個有待改進的地方。

1.課程理論性強，學生課堂參與度不夠

核反應堆控制是一門理論與實際結合非常緊密的課程，其理論基礎是核反應堆動力學與自動控制原理，其實踐環節是核反應堆控制系統的分析與設計，目前共有32個理論學時、4個實驗學時。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相結合為主。課程內容理論性比較強，基礎理論、公式推導所占比重較大，學生學習主動性較差，教學效果不理想。根據工程教育專業認證標準，教學內容應以工程應用為出發點，積極調動學生主動學習的積極性，重視問題的分析和理論的應用，讓學生積極參與課堂教學，以培養學生解決復雜工程問題的綜合能力。

2.實踐環節簡單，學生實踐能力鍛煉不夠

核反應堆控制課程主要培養核工程與核技術專業學生對核反應堆控制系統的理解、設計、運行、控制能力，但目前仍側重于考核學生掌握理論知識的程度，弱化了對學生實踐能力的培養和考核。工程教育專業認證要求重視解決實際工程問題，強化實踐教學環節，讓學生盡快走向現場，了解工程實際，特別是積極采用虛擬仿真的手段提升學生學以致用的能力。

3.實驗內容更新緩慢，未能緊跟發展形勢

近十年來，我國的核工業發展非常迅速，“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中，但是課程相關實驗課目前只有4個學時，實驗對象是基于二代壓水堆的仿真模型進行反應性控制的實驗。隨著三代和四代核電技術的發展，相應的實驗內容設置與工程實際的發展脫節。工程教育專業認證標準關注的是教育產出，而教育產出具有一定的滯后性，工程認證對產出的評價也是考核學生畢業一年后工作的情況，因此對學生實踐能力的培養必須有一定前瞻性。

三、西安交通大學核反應堆控制課程案例教學和項目討論相結合的改革實踐

針對上述有待改進的問題，西安交通大學核反應堆控制課程結合培養目標（1）、（2）和（3）對“工程知識”和“問題分析”方面的畢業要求，開展案例教學和項目討論相結合的教學，其具體教學模式如圖1所示。

課堂教學對學生課程理論體系的構筑、實踐能力的培養有著重要作用。本課程根據工程教育專業認證標準，以工程應用為出發點，注重理論知識的應用，調動學生學習積極性，提升學生課堂參與度，培養學生解決復雜工程問題的能力。本課程主要包括核反應堆各種數學模型、核反應堆及其控制系統的穩定性分析、實際壓水堆核電廠控制系統等內容。因此，西安交通大學核反應堆控制課程重視引入案例進行啟發式教學，以提高學生的參與度。

由于學生很少接觸核電廠現場，僅僅靠文字說明和圖片難以讓學生加深對知識的理解。核反應堆控制系統分析和設計的教學應注重書本內容與工程實際的結合，引入相關的案例（如表1所示），展示工作的具體步驟，彌補學生所欠缺的工程背景和核電廠現場知識，讓學生提前接觸將來會在實際工作中碰到的問題，有利于培養學生運用所學理論知識解決復雜工程問題的能力。比如在提到切爾諾貝利事故中存在的核反應堆功率失控問題時，引導學生思考并提出其背后存在的穩定性問題，引出核反應堆穩定性討論，結合理論講解和討論，探究穩定性背后的機理并確定解決方案。這樣引導學生深度參與問題探究，啟發學生思考并積極尋求答案，有助于提高學生學習的興趣和能力。

此外，采用項目教學法開展課程實踐環節的教學。教師將相對獨立的項目交由學生實驗小組獨立處理，即以項目為主線、教師為引導、學生為主體，充分調動所有學生的積極性。在實施項目教學時不是簡單地讓學生在教師的指導下重復一個結果、得到一個結論，而是讓學生在教師的引導下學習找到結果的途徑，重點在于引導學生把理論知識和動手能力進行有機結合，培養學生分析解決問題和團隊協作的能力。

四、基于虛擬仿真技術的實踐教學創新

（一）合理設計綜合性、系統性、激勵性實驗

以系統性實驗取代簡單操作性、指令性實驗，目前有反應性擾動實驗和反應堆功率調節實驗，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。若結合壓水堆核電廠的控制設計負荷跟蹤實驗，會讓學生加深對核電廠整體運行和調節的認識，同時強化對運行過程中穩壓器壓力、液位及蒸汽發生器液位的調節能力，深入理解穩態運行方案。如果操作正確，通過動態評分方式給予鼓勵性評價，建立激勵機制。這樣開展綜合性、系統性、激勵性的實驗是對實踐教學方法的創新。

（二）結合最新科研成果開展實踐教學

在實踐教學中展示和體現最新的科研成果，比如將目前在發展的“華龍一號”、AP1000、示范快堆等新型堆的控制方法和控制系統納入實踐教學中，不僅能夠提高學生學習的興趣和積極性，還能將最新的控制系統設計與核電廠的運行理念傳達給學生。

五、結語

開展工程教育專業認證，對于提高我國工程教育質量，適應政府、行業和社會要求，提升我國工程教育國際競爭力具有重要意義。西安交通大學核工程與核技術專業在開展工程教育專業認證的過程中，認真體會、理解、貫徹工程教育專業認證理念，對核反應堆控制課程存在的問題進行了梳理和總結，實施了案例教學與項目討論相結合的課程教學改革，以學生為中心，推動課程理論與相關實踐的有效結合，重視發揮虛擬仿真技術的重要作用，提高實驗效果，增強學生的專業實踐能力。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 林健.工程教育認證與工程教育改革和發展[J].高等工程教育研究，2015（2）：10-19.

[2］ 胡俐蕊，胡澤坤，黃河夫，等.工程認證背景下計算機科學與技術專業課程思政教學體系建設探索[J].高教學刊，2023，9（11）：193-196.

[3］ 鄧娟，彭蓉，余琍，等.工程認證背景下基于校企協同育人的課程建設：以軟件工程專業“知識工程”課程為例[J].高等工程教育研究，2023（2）：75-79.

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

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

［責任編輯：龐丹丹］