核工程與核技術專業實驗教學體系構建

發布時間：2021-06-25所屬分類：教育論文瀏覽：1次

摘 要： [摘要]中國科學技術大學核科學技術學院針對中國科學技術大學辦學特色，在一二年級安排通識課程學習，三四年級開始專業學習。核工程與核技術專業在上一輪學科評估中為A+學科，結合核工程與核技術專業新的教學培養方案要求，以及學生的特點，在新形勢下出現的

　　[摘要]中國科學技術大學核科學技術學院針對中國科學技術大學辦學特色，在一二年級安排通識課程學習，三四年級開始專業學習。核工程與核技術專業在上一輪學科評估中為A+學科，結合核工程與核技術專業新的教學培養方案要求，以及學生的特點，在新形勢下出現的新情況，實驗學時少，而核工程與核技術專業涉及面寬且學科門類細化，如何構建核工程與核技術專業需要的實驗教學體系，提升實驗教學的內涵以及外延，提高學生的創新能力，吸引更多的本科生投身祖國的核事業，為建立和學科發展相匹配的實驗教學體系采取了相應措施。

　　[關鍵詞]核工程與核技術;實驗教學體系;創新能力

　　一、引言

　　中國科學技術大學是在理工分家的特殊年代，老一輩科學家站在制高點上圍繞國家的“兩彈一星”戰略需求于1958年成立的理工結合的新型學校。她的創辦被稱為“我國教育史和科學史上的一項重大事件”。建校后，中國科學院實施“全院辦校，所系結合”的辦學方針，學校緊緊圍繞國家急需的新興科技領域設置系科專業，創造性地把理科與工科即前沿科學與高新技術相結合，注重基礎課教學，高起點、寬口徑培養新興、邊緣、交叉學科的尖端科技人才。中國科學技術大學最早成立的十三個系也都是圍繞“兩彈一星”的研制任務而設立的，實驗教學是人才培養的重要環節，從科大誕生的那一天起，老一輩科學家尤其重視實驗教學，利用有限的條件變花樣讓學生參與實驗，讓理論和實踐結合。在改革開放后中國科學技術大學率先在原先的核技術專業基礎上，凝聚整個學校的力量，建立了國內第一個國家實驗室即國家同步輻射實驗室。2009年，中國科學技術大學圍繞國家的重大戰略需求以及科大核工程與核技術專業沒有本科生的現狀，成立了核科學技術學院，中國科學技術大學核科學技術學院是國內外唯一同時依托熱核聚變實驗裝置、同步輻射光源等國家大科學裝置及實驗室，以國際、國內重大科學計劃為牽引，圍繞國家重大戰略需求而建立的培養高端核科學技術和核能工程人才的重要基地。在新時代條件下，很多主客觀條件也發生了重大變化，圍繞培養學生核心實踐教學能力如何科學合理的構建核工程與核技術專業實驗教學體系迫在眉睫[1]。

　　二、核工程與核技術專業實驗教學現狀

　　在本科生的培養過程中，中國科學技術大學根據學生的興趣采取個性化培養，為了保證學生100%自由選擇專業，在一二年級全校范圍內的基礎課都大同小異，很少涉及專業課內容，便于在一二年級結束后，全校范圍內根據興趣再次選擇自己適合的專業。中國科學技術大學核科學技術學院每級入學的本科生大約70～80人，三年級分流后留在核學院的學生大約50～60人，為了寬口徑、重基礎的本科專業培養方案，核科學技術學院只設置一個核工程與核技術專業，不分系，大體主要劃分為7個方向。就核科學技術學院的本科生來說，學生從三年級才學習專業核工程與核技術相關專業課程基礎課。核工程與核技術專業課的方向很多，再去除大四學年下學期要開展的畢業設計，只有一年半的時間學習專業課。而就專業實驗課而言，實驗課學時數少，本身就是實驗教學面對的共性問題[2]。而針對中國科學技術大學核工程與核技術專業的現狀來說，這個問題顯得尤為突出。如何在學時有限、時間跨度有限的情況下，有效開展實驗教學成為擺在核學院實驗教學培養方案面前的一道難題。結合新形勢創新型構建滿足學時需要及客觀環境制約的實驗教學體系迫在眉睫。

　　(一)小型實驗室

　　中國科學技術大學核科學技術學院在沒有構建教學實驗中心之前，搭建了輻射與防護、核燃料循環、放射化學與輻射化學、核電子學等相關小型各自為政的教學實驗室。長期以來，我國高校實驗室管理體制是校、院(系)、教研室三級管理模式，教研室及其實驗室融為一體，理論教師直接主導實驗教學及實驗室條件建設，這種管理模式對配合理論教學、驗證課堂理論起過一定的積極作用。但實驗室小而全、功能單一，人、材、物分散，效率低下，重復建設嚴重，且難以構成體系。這種管理體制已不能適應新時期人才培養的要求[3]。中國科學技術大學核科學技術學院也面臨小實驗室在運行過程中以上所出現的突出問題。中國科學技術大學各學院在學校教務處的要求下逐步構建了教學實驗中心，實驗教學中心在學校納入統一管理模式，實現人、財、物的集中，以便于統一部署、統一開展實驗教學而避免傳統各自為政的局面。核科學技術學院按照此種部署，在構建實驗教學中心的過程中，甫一著手就已經考慮人、財、物的集中，以避免傳統模式帶來的不合理因素死灰復燃以及其他難以協調的復雜問題，難以適應新形勢下的需要。

　　(二)大科學裝置

　　核科學技術學院主要依托兩個大科學裝置分別為國家同步輻射光源裝置，超導托卡馬克(EAST)實驗裝置。這兩個大科學裝置系統很多，運行條件比較苛刻，且這些大裝置的運行受到時間的制約。就本科生而言，這些大裝置在學生的客觀概貌認識過程中發揮了非常重要的作用，但具體實驗教學內容難以在大科學裝置上面直接有效開展。如何結合大科學裝置的優勢，有效推進實驗教學，成為需要重點考慮的問題[4]。

　　(三)虛擬仿真平臺

　　由于反應堆比較復雜，為了讓學生更直觀地了解反應堆，學院結合學校和教育部的部署要求[2]，建有兩個虛擬仿真教學實驗平臺，分別為裂變堆虛擬仿真教學實驗和中國磁約束聚變工程實驗堆(CFETR)虛擬仿真實驗室。這兩個實驗室在學生初步直觀了解反應堆內部結構以及功能發揮了很重要的作用，特別針對核輻射場內無法進入區域，虛擬仿真也發揮了無可替代的作用。但在具體操作過程中，學生初始對此類實驗感到新奇，但實踐過程中又發現虛擬仿真難以培養實驗過程所必備的動手能力[5]。

　　總之，以上三種方式單獨構建課程體系都存在各自的弊端，需要整合凝練構成核心體系。如果說曾經在實驗教學方面面臨的主要問題是教學時間多，器件少，資源短缺，而我們這個新時代卻由一端轉移到另外一端，資源豐富、選擇余地大、而學時短缺難以取舍，學科劃分又越來越細化，必須結合新時代特點以及學科發展的主脈絡系統梳理實驗教學體系，構建適應新時代發展需求的實驗教學體系和管理模式，提升學生的核心實踐能力。

　　三、核工程與核技術實驗教學體系內涵

　　核工程與核技術專業實驗教學體系需要系統梳理，只有把握內涵，才能夠有效開展實驗教學，更好地讓學生在實驗教學中有較好的收獲，具備融會貫通的專業基本實驗技能，在未來的未知的實驗中具備探索的精神以及所必備的韌性。通過實驗教學手段和方式的改進，有效拓展核工程與核技術專業的實驗教學的外延。核工程與核技術的實驗教學體系主要包括實驗內容的構成，實驗中心的管理，實驗教學的實施以及實驗教學的評估[6]。

　　核工程與核技術專業細化分可以分為五十多種小科目，中國科學技術大學重點就反應堆熱工、輻射防護、核醫學、核燃料循環、核材料等專業方向開展了系統的討論研究。反應堆熱工利用構建的反應堆熱工綜合實驗創新平臺，開展創新性實驗諸如利用放射源測量方法讓學生自主觀察兩相流實驗流型并測量空泡份額，并完成ONB點實驗及CHF實驗等;輻射防護平臺利用具備的實驗器材讓學生自主設計實驗測量學校的土壤以及大氣等構成閉環;核燃料循環讓學生根據已經具備的理論知識自主設計反應堆后處理實驗，核材料實驗諸如通過開展鐵碳合金的金相組織觀察及放射性活度計算拓展學生的綜合實驗能力，這些實驗開展不僅僅需要學生掌握基礎的知識某方面的一點，而更需要把某一方面知識結構融會貫通方能夠有效的開展實驗。通過以上的手段梳理實驗教學的體系內涵，真正有效提高學生實驗的能力，開拓學生的創新思維方法。加強實驗教學中心創新能力的提升，強化高級、創新類實驗課程體系構建，教學實驗中壓縮并逐步取消相對老化和陳舊以及內容單一的實驗課程[7]。

　　四、核工程與核技術專業實驗教學體系舉措

　　實驗教學體系最核心的是，根據專業發展需要以及學科特點構建實驗教學內容以及必備的輔助教學手段實現實驗教學目標的內涵。通過科學構建實驗教學課程以及實驗教學項目和信息化實驗教學平臺，并加強實驗教學安全準入制度，尤其放射源的分類管理及使用;儀器設備提高共享和使用效率;建立公開透明的教學核查體系，提升實驗教學體系的外延。

　　(一)成立學院實驗教學專業委員會

　　實驗教學專業委員會主要成員由各專業方向具備話語權，并在此方向具有很深的研究造詣且能夠通盤平衡考慮實驗教學內容的專業老師構成，其他成員由學院實驗教學老師構成。

　　針對核科學技術專業學時少和專業方向多之間的突出矛盾，核科學技術學院采取以高質量的實驗項目和更為有效的教學手段來彌補實驗學時的不足。核工程與核技術專業涉及的方向多，細細劃分涉及的實驗教學內容太多，每個實驗都做現實不可能，不但時間不允許，而且意義也不是特別大，通過凝練實驗項目，讓學生融會貫通所學的基礎知識，能夠規范地處理實驗問題并提高自己的實驗技能才能應對未來無數實驗任務的考驗。歸根到底，實驗課教的是實驗的思維和實驗的方法。沒有實驗目標、不講究教學方法、只拼實驗項目數量的做法，是低層次的重復，是沒有效果的[8]。通過基礎性實驗和創新型實驗的耦合推動實驗教學內容的進一步有效整合，形成適合中國科學技術大學核科學技術學院所要求的內容基本體系架構。在這個過程中打破原有的專業方向藩籬，構成獨立的一門專業實驗核心課程(核工程與核技術實驗課)，該實驗內容核心項目組成由專業方向上極具代表性又能夠凝練匯聚專業內容并富有創新性以及一定挑戰的核心實驗為代表，不是簡簡單單的隨機抽出的實驗內容無序疊加構成的。

　　相關期刊推薦：《湖北科技學院學報》創刊于1979年，該學報在政治、經濟、法律、教育、文學、藝術、出版、圖書情報學、數學、物理、化學、計算機、地理等學科的學術研究方面有可靠的學科依托和高水平的作者隊伍，在全國已形成越來越廣泛的信息網。設有：向陽湖文化研究、政治?經濟與法律、歷史與文化、文學研究、語言研究、教育、教學與管理、藝術研究、出版研究、圖書情報學研究、數學、物理與材料科學、化學與生命科學、計算機科學、體育、地理與財會、中教園地等欄目。

　　同時在這個過程中打破原有的實驗課時的限制，實驗課除安排固定的課時以外，學生只要有時間就可以來開展實驗，通過預約不受特定實驗課時間的制約，以緩解學時不足和實驗項目所造成的突出矛盾。學生系統修完該門課程的時間界限為一年，學生可以利用寒暑假的時間來完成所必修的實驗項目內容[9]。

　　(二)發揮信息化平臺聯系紐帶功能

　　以信息化建設為抓手，以實驗平臺及內容為基礎，構建學生和實驗教學的聯系紐帶主要建設實驗中心信息化平臺，該平臺發揮的功能包括學生實驗的開放預約、儀器資源的共享以及考核體系的評價及反饋。

　　1.內容固定及自主搭配。核工程專業實驗課程體系構建的內容由6個必選實驗以及4個選做實驗構成，實驗時間跨度為一年，總學分為4個學分。學生在信息平臺系統里面選修4個選做實驗構成每一個學生該門實驗課的內容，實驗課老師在網站系統根據學生選修的內容做好學期實驗的安排。

　　2.實驗時間的自由。6個必選實驗既可以固定時間也可以自由選擇時間，學生根據個人時間的安排，學生通過手機或電腦在實驗中心信息化平臺登錄系統對實驗進行預約，預約成功后根據學生的時間需求安排實驗，以實驗中心的全時的開放時間來換取學生的自由時間來有效開展實驗教學。

　　3.構建學生的成績管理系統及評價系統。學生的成績管理系統和學校的教務系統相互銜接，構建學生的課程評價系統，利用信息化平臺，根據學生在實驗中的表現以及各部分成績的構成在網上自動生成學生的分數評價，10個實驗的成績構成相互獨立，采用最小二乘法的平均構成學生的最終成績。

　　學生的實驗成績由四個部分組成，即實驗預習(20%)、現場操作(30%)、實驗報告(20%)、實驗考試(30%)。預習的考核主要依據學生課前預習時提出的問題的多少以及問題的重要性和深度;現場考核學生實驗時的態度、參與程度、操作是否正確，每次實驗結束老師把實際表現錄入系統;實驗報告主要關注學生對實驗數據處理、誤差分析、課后思考題;實驗考試方式為學生實驗結束后兩周內學生在實驗教學中心的安排下根據一年中所開展的實驗，到實驗中心進行隨意抽簽，當場進行實驗考試。通過構建人性化、自主化考核制度，達到讓學生在實驗中體會快樂以及提高實驗能力[10]。

　　4.構建實驗老師的評價系統及實驗項目反饋系統。學生對每個實驗項目結束后，需要對該項目的內容以及授課老師的情況給予評價，以便于對實驗內容以及教學方法的改進和提高。

　　5.自主設計綜合創新實驗平臺。中國科學技術大學核學院結合科研優勢，結合學生的特點，開展自主設計綜合創新實驗平臺，提升學生的創新能力。比如搭建了超臨界二氧化碳自主創新實驗教學平臺，超臨界問題對反應堆熱工能量傳遞具有非常重要的意義，利用該平臺學生開展換熱關系量測實驗以及傳熱惡化演示實驗�；�于空泡份額裝置實驗利用放射源法測量空泡份額，結合真實放射源的實驗數據，量測空泡份額。

　　五、結語

　　中國科學技術大學的核科學技術實驗教學中心從開始創建就秉承開放、自由、共享的原則，積極調動學生的能動性，最大程度激發學生開展實驗的興趣，開拓并舉、嚴謹治學，以期逐步形成了濃厚的求學探知的氛圍和“知識一興趣一素質一能力”綜合培養、教學與科研相互促進的實驗教學特色。在虛擬仿真實驗中心的建設中，隨著科學技術的進步，不僅具有成熟的核電站模型以及核電站虛擬仿真實驗教學，也有中國將建設的未來的聚變工程試驗堆(CFETR)前沿的科研成果、新技術加入實驗教學中，以期形成思維能力和動手能力相互耦合發展的教學體系。——論文作者：李遠杰