基于工程教育专业认证的核反应堆控制课程教学改革——以西安交通大学为例.pdf

收稿时间 2022-03-07基金项目 西安交通大学2020年本科教学改革研究项目“基于工程教育认证的核反应堆控制课程教学改革与实践”（40）。作者简介 孙培伟（1981），男，山东人，博士，副教授，研究方向为核反应堆控制与仿真。摘要 工程教育专业认证的理念主张注重对学生能力的培养和实际问题的解决，关注产出和持续改进，基于该理念，文章探讨了核反应堆控制课程的教学改革。这个改革以西安交通大学为例，对课程的培养目标和现状进行分析，梳理目前存在的主要问题，开展案例教学和项目讨论相结合的改革实践，强化以学生为中心的理念，注重开展启发式讨论，强调虚拟仿真技术在核反应堆控制课程教学中的作用，在教学实践中践行工程教育专业认证的理念。关键词 工程教育专业认证；核反应堆控制；案例教学；虚拟仿真中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 2095-3437（2023）08-0026-032023年4月April，2023University Education2016年6月，我国加入了 华盛顿协议，这意味着通过中国工程教育专业认证协会（CEEAA）认证的中国工程专业本科学位得到了签订这个协议的其他正式成员的承认。华盛顿协议 倡导从工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、个人和团队、沟通、项目管理、终身学习等方面来认证学生的能力，注重培养学生在理论应用、实际工程分析、项目问题处理和团队协作等方面的综合实践能力1。工程教育专业认证强调以学生为中心的教育理念、产出导向的教育体系、持续改进的质量观。西安交通大学核科学与技术学科成立于1958年，是我国最早成立的核专业之一，核反应堆控制属于该专业最重要的研究方向之一。西安交通大学核工程与核技术专业2019年开始参与工程教育专业认证，核反应堆控制课程（简称本课程）是专业核心课程，在工程教育专业认证中具有重要的支撑作用。本课程通常侧重于理论教学，学生实践机会较少，影响到学生动手能力和工程实际认识水平的提高。而本课程属于理论与实践相结合的课程，其中针对实际压水堆核电厂控制系统的讲解尤其需要结合工程实际，因此有必要结合工程教育专业认证的要求以及本课程的实际进行教学改革。本文分析了本课程目前的培养目标和现状，基于工程教育专业认证的理念提出了课程教学改革的方案。一、国内外部分高校核反应堆控制相关课程的教学特点国内大学课程教学以往普遍注重引导学生掌握系统的理论知识，而大多数加入 华盛顿协议 的发达国家更推崇有利于促进学生实践能力发展的课程教学模式，其教师在理论授课过程中更倾向于将时间留给师生交流。比如美国的哈佛大学、宾夕法尼亚大学等高校的课程有演讲课、讨论课、辅导课、实验课、个案研究、项目研究、角色扮演等，学生积极主动参与到教学中来并处于教学的中心地位，通过思考并发表自己的见解，从而使自己的实践能力得到提升。核反应堆控制及其相关课程的教学实践也是如此。美国的麻省理工学院将核反应堆动力学与控制的相关内容放在核反应堆安全课程中。他们由于有自己的实验用反应堆，因此安排了大量的实操实验，这对激发学生学习兴趣与提高学生实践能力起到了积极的作用。美国的田纳西大学的核工程系开设了核反应堆动力学与仪控课程，该课程的教学内容与西安交通大学核反应堆控制课程目前的教学内容较为相近，也是包括理论与实践两大块，在实践教学中积极采用讨论式教学，以项目为牵引、小组为单位，不仅注重锻炼学生的实践能力，还注重提高学生的团队协作能力。日本的早稻田大学开设的课程为核反应堆动力学基于工程教育专业认证的核反应堆控制课程教学改革以西安交通大学为例孙培伟1，2魏新宇1，21.西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安7100492.西安交通大学核电厂与火电厂系统国家级虚拟仿真实验教学中心，陕西西安71004926与核电厂控制，跟理论教学比较而言更注重核电厂控制的实践教学，对堆型的介绍比较全面详细。国内的工程教育专业认证起步较晚，高校对核反应堆控制及其相关课程的教学大都还是采用以教师讲授为主的模式。目前有些学校开展了一些相关课程的教改工作，积极向工程教育专业认证的标准看齐2-5。比如华北电力大学的核反应堆仪表课程通过优化教学内容、丰富教学手段、构建实验环境等措施提高学生的实践能力和提升教学效果。南华大学的核反应堆物理课程以虚拟仿真实验室为平台，将核反应堆控制教学内容融入虚拟仿真实验中，以提高学生的实际动手能力。中山大学中法核学院的办学融入了法国工程师培养的理念，把其核反应堆控制的相关教学内容放在核反应堆运行课程中讲授。该门课程有16个理论课时、24个实践课时，充分锻炼了学生的实践能力，调动了学生学习与探索的积极性，获得了良好的教学效果。这些都是值得借鉴的。二、西安交通大学核反应堆控制课程对学生能力培养的要求和有待改进的问题（一一）能力培养要求能力培养要求根据工程教育专业认证的要求，西安交通大学核工程与核技术专业建立了课程教学对学生毕业要求达成的支撑关系，并据此制订了核反应堆控制课程的培养目标及其相关要求：（1）能重复主要的反应性控制方法、核电厂稳态运行方案和运行模式，能列举典型压水堆核电厂的关键控制系统，并结合专业知识描述各控制系统的原理和方法。（2）能够运用微分方程、传递函数、频率特性、差分方程、脉冲传递函数、状态空间表达式等数学模型方法描述核反应堆的动态行为。（3）能够熟练利用稳定性判据进行稳定性分析，针对不同的反应堆堆型，讨论核反应堆及其控制系统的稳定性。（4）学习核电厂虚拟仿真软件的操作方法，利用虚拟仿真软件进行计算，选择关键参数，准确采集实验数据并绘制趋势图。（5）利用虚拟仿真软件，模拟计算不同工况下核反应堆控制系统的瞬态响应，并解释控制系统的性能。其中培养目标（1）和（3）支撑毕业要求1“工程知识”中的指标点1.3：能够将核工程与核技术专业知识和数学模型方法用于推演、分析涉核装置的工程问题。培养目标（2）支撑毕业要求2“问题分析”中的指标点2.2：能够基于数学、自然科学和工程科学的科学原理与数学模型方法，正确表达核工程与核技术领域的复杂工程问题。培养目标（4）支撑毕业要求 4“研究”中的指标点4.3：能够根据实验方案构建实验系统或搭建实验装置，安全、科学地开展实验，准确采集和获取实验数据。培养目标（5）支撑毕业要求5“使用现代工具”中的指标点5.3：能够针对具体的对象开发或选用满足特定需求的现代仪器设备和先进分析测试工具，模拟和预测核工程与核技术专业问题，并能够分析其局限性。（二二）有待改进的问题有待改进的问题从工程教育专业认证的视角来看，教育需要关注“教育产出”（学生学到了什么），而非“教育输出”（教师教了什么），按照“反向设计，正向施工”的基本思路，以培养目标和毕业要求为出发点设计科学合理的课程大纲，采用匹配的教学内容和教学方法。从这个标准来看，核反应堆控制课程目前的教学还存在以下几个有待改进的地方。1.课程理论性强，学生课堂参与度不够核反应堆控制是一门理论与实际结合非常紧密的课程，其理论基础是核反应堆动力学与自动控制原理，其实践环节是核反应堆控制系统的分析与设计，目前共有32个理论学时、4个实验学时。理论课时以教师讲授为主，讲授方式以 PPT 演示和板书公式推导相结合为主。课程内容理论性比较强，基础理论、公式推导所占比重较大，学生学习主动性较差，教学效果不理想。根据工程教育专业认证标准，教学内容应以工程应用为出发点，积极调动学生主动学习的积极性，重视问题的分析和理论的应用，让学生积极参与课堂教学，以培养学生解决复杂工程问题的综合能力。2.实践环节简单，学生实践能力锻炼不够核反应堆控制课程主要培养核工程与核技术专业学生对核反应堆控制系统的理解、设计、运行、控制能力，但目前仍侧重于考核学生掌握理论知识的程度，弱化了对学生实践能力的培养和考核。工程教育专业认证要求重视解决实际工程问题，强化实践教学环节，让学生尽快走向现场，了解工程实际，特别是积极采用虚拟仿真的手段提升学生学以致用的能力。3.实验内容更新缓慢，未能紧跟发展形势近十年来，我国的核工业发展非常迅速，“华龙一号”、AP1000、高温气冷堆等新堆型投入或即将投入运行，“玲龙一号”、钠冷快堆、空间堆等多种特殊堆型也正在建设中，但是课程相关实验课目前只有 4 个学时，实验对象是基于二代压水堆的仿真模型进行反应性控制的实验。随着三代和四代核电技术的发展，相应的实验内容设置与工程实际的发展脱节。工程教育专业认证标准关注的是教育产出，而教育产出具有一定的滞后性，工程认证对产出的评价也是考核学生毕业一年后工作的情况，因此对学生实践能力的培养必须有一定前瞻性。三、西安交通大学核反应堆控制课程案例教学和项目讨论相结合的改革实践针对上述有待改进的问题，西安交通大学核反应堆控制课程结合培养目标（1）、（2）和（3）对“工程知识”和27“问题分析”方面的毕业要求，开展案例教学和项目讨论相结合的教学，其具体教学模式如图1所示。实践案例理论知识学生问题提问解决问题课堂讨论教师图1案例教学和项目讨论相结合的模式课堂教学对学生课程理论体系的构筑、实践能力的培养有着重要作用。本课程根据工程教育专业认证标准，以工程应用为出发点，注重理论知识的应用，调动学生学习积极性，提升学生课堂参与度，培养学生解决复杂工程问题的能力。本课程主要包括核反应堆各种数学模型、核反应堆及其控制系统的稳定性分析、实际压水堆核电厂控制系统等内容。因此，西安交通大学核反应堆控制课程重视引入案例进行启发式教学，以提高学生的参与度。由于学生很少接触核电厂现场，仅仅靠文字说明和图片难以让学生加深对知识的理解。核反应堆控制系统分析和设计的教学应注重书本内容与工程实际的结合，引入相关的案例（如表1所示），展示工作的具体步骤，弥补学生所欠缺的工程背景和核电厂现场知识，让学生提前接触将来会在实际工作中碰到的问题，有利于培养学生运用所学理论知识解决复杂工程问题的能力。比如在提到切尔诺贝利事故中存在的核反应堆功率失控问题时，引导学生思考并提出其背后存在的稳定性问题，引出核反应堆稳定性讨论，结合理论讲解和讨论，探究稳定性背后的机理并确定解决方案。这样引导学生深度参与问题探究，启发学生思考并积极寻求答案，有助于提高学生学习的兴趣和能力。表1核反应堆控制课程案例授课章节授课章节第一章 核反应堆控制概述第二章 核反应堆动力学模型第三章 核反应堆控制系统的稳定性分析第四章 压水堆核电厂控制知识点知识点反应性控制核反应堆的瞬态响应分析核反应堆系统的稳定性分析压水堆功率控制案例内容案例内容切尔诺贝利事故中停堆棒的作用西安脉冲堆的脉冲功率计算“华龙一号”反应堆系统的稳定性分析“华龙一号”功率控制系统的性能要求和具体设计此外，采用项目教学法开展课程实践环节的教学。教师将相对独立的项目交由学生实验小组独立处理，即以项目为主线、教师为引导、学生为主体，充分调动所有学生的积极性。在实施项目教学时不是简单地让学生在教师的指导下重复一个结果、得到一个结论，而是让学生在教师的引导下学习找到结果的途径，重点在于引导学生把理论知识和动手能力进行有机结合，培养学生分析解决问题和团队协作的能力。四、基于虚拟仿真技术的实践教学创新（一一）合理设计综合性合理设计综合性、系统性系统性、激励性实验激励性实验以系统性实验取代简单操作性、指令性实验，目前有反应性扰动实验和反应堆功率调节实验，这两个实验属于机理验证和分析实验，操作简单，背后的机理较为清晰。若结合压水堆核电厂的控制设计负荷跟踪实验，会让学生加深对核电厂整体运行和调节的认识，同时强化对运行过程中稳压器压力、液位及蒸汽发生器液位的调节能力，深入理解稳态运行方案。如果操作正确，通过动态评分方式给予鼓励性评价，建立激励机制。这样开展综合性、系统性、激励性的实验是对实践教学方法的创新。（二二）结合最新科研成果开展实践教学结合最新科研成果开展实践教学在实践教学中展示和体现最新的科研成果，比如将目前在发展的“华龙一号”、AP1000、示范快堆等新型堆的控制方法和控制系统纳入实践教学中，不仅能够提高学生学习的兴趣和积极性，还能将最新的控制系统设计与核电厂的运行理念传达给学生。五、结语开展工程教育专业认证，对于提高我国工程教育质量，适应政府、行业和社会要求，提升我国工程教育国际竞争力具有重要意义。西安交通大学核工程与核技术专业在开展工程教育专业认证的过程中，认真体会、理解、贯彻工程教育专业认证理念，对核反应堆控制课程存在的问题进行了梳理和总结，实施了案例教学与项目讨论相结合的课程教学改革，以学生为中心，推动课程理论与相关实践的有效结合，重视发挥虚拟仿真技术的重要作用，提高实验效果，增强学生的专业实践能力。参考文献1 林健.工程教育认证与工程教育改革和发展 J.高等工程教育研究，2015（2）：10-19.2 胡俐蕊，胡泽坤，黄河夫，等.工程认证背景下计算机科学与技术专业课程思政教学体系建设探索 J.高教学刊，2023，9（11）：193-196.3 邓娟，彭蓉，余琍，等.工程认证背景下基于校企协同育人的课程建设：以软件工程专业“知识工程”课程为例J.高等工程教育研究，2023（2）：75-79.4 张锁荣，刘凯磊，康绍鹏，等.工程认证背景下数控技术课程教学改革与实践 J.高教学刊，2022，8（36）：158-161.5 宋宪臣，黄伟莉，林亮华，等.工程认证背景下“机械原理”课程“线上+线下”混合式教学研究 J.东华理工大学学报（社会科学版），2022，41（1）：76-78.责任编辑责任编辑：庞丹丹庞丹丹2023年4月April，2023University Education28