核反应堆物理分析课程教学改革研讨

[摘 要]核反应堆物理分析是华北电力大学核科学与工程学院下设的核工程与核技术和核辐射防护与核安全两个本科专业的专业课程。针对核工程与核技术和核辐射防护与核安全两个本科专业的核反应堆物理分析课程的内容特点和教学实际，通过总结多年来的教学经验，充分利用学校现有教学资源，因地制宜地对其课堂教学模式、教学方式和教学方法进行一系列改革与实践，取得了良好的教学效果。

[关键词]反应堆物理 教学实践 教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）11-0172-02

核反应堆物理分析是华北电力大学核科学与工程学院下设的核工程与核技术和核辐射防护与核安全两个本科专业的专业课程。核工程与核技术专业于2004年经教育部批准设立，并于2008年被教育部批准为第三批“国家特色专业”建设点，2010年成为国家首批“卓越工程师”计划试点专业。核辐射防护与核安全专业于2013年经教育部批准设立。早在2011年，该课程就被华北电力大学教务处列为核工程与核技术专业的精品课程。该课程内容涉及反应堆物理的基本概念和反应堆物理分析的理论基础及实现方法，基础概念包括中子通量密度、微观截面、宏观截面、反应率、中子扩散、中子慢化、反应堆临界等，基础理论包括反应堆临界理论、中子扩散理论、中子输运理论等。该课程不仅是核工程与核技术人才必备的专业知识，同时也是反应堆屏蔽、反应堆材料等学科的基础。

伴随核电事业的发展，核电人才的需求也变得旺盛，在此大背景下，国内高校为满足市场人才的需要，相继开设了核工程专业课程。[1]华北电力大学核反应堆教学在原有的基础上，通过引进国外教材，大力开展多媒体教学及学生实际能力培养建设，初步形成了自己的反应堆物理分析教学体系。[2]

一、优化教学内容，突出课程特点

核反应堆物理分析课程由于其专业性较强，很多地方都有繁杂的数学推导，通过严格的数学推导得出重要的结论，因此对学生的数学功底要求相对较强。当然，要想把学生培养成未来卓越的核电工程师，数学对他们来说不是最重要的，最重要的是通过理解得出的重要结论，进而理解反应堆的物理过程，核工程中的重要的物理现象，比如轻水堆中为什么要对中子进行慢化、轻水堆中的氙和钐中毒问题等。除此之外，反应堆物理分析的前后逻辑性很强，这就要求在组织授课材料时前后是连贯统一的，比如前面讲完基本概念后接着讲中子慢化和慢化能谱，这时候就要讲清楚，慢化能谱在核工程设计中的作用是什么。讲清这些问题以后下面才好讲解扩散方程，多群理论等。每讲一节课都要问一下自己，这节课的内容与前后内容的联系是什么，这节课的内容对帮助学生学习核工程中的反应堆现象具有什么帮助。通过使用西安交通大学的新版教材《核反应堆物理》进一步优化了教学内容，突出了课程特点。另外，尽量创设小班教学环境和学习条件，注重调动全体学生的学习热情和学习积极性，注重学生创新能力和实践能力的培养，形成自主、开放、有活力的课堂教学氛围。教学中不仅仅是教师单方面的讲授和灌输，而是师生互动，组建合作交流的学习小组，以期学生在学习、合作、交流、探讨等诸方面有所收获。

二、综合运用各种教学手段和方法，做到优势互补，提高课堂教学质量

现代社会是大信息的社会。大信息的时代也影响到了教学实践。教学实践表明，综合运用各种教学手段和方法，可以做到优势互补，是提高课堂教学质量的有效途径。众所周知，现代多媒体教学可以将多种信息融合到课堂中，能生动、形象、直观、灵活的突出教师要讲的内容。因此，为提高课堂教学质量和讲课效率，必须设计和建立一套完善的多媒体课件教学系统。但是，在实际教学过程中也暴露出仅用多媒体教学的不足之处。据学生反映，多媒体画面瞬息多变、一晃而过、翻页太快，他们往往来不及思考，概念印象模糊，记忆肤浅，因此必须恰当使用多媒体课件。依据反应堆物理的特点，很多数学公式，重要的物理结论都来源于数学计算，数学推理必须进行板书，给学生一个理解和消化的过程。实践证明，合理的板书加上合理的多媒体教学能起到更好的教学效果。

三、理论联系实践

核反应堆物理分析不仅是一个理论课，更重要的是它与工程实践紧密联系在一起。目前核工程中堆芯设计计算采用的计算方法就是求解中子扩散方程，这就是核反应堆物理分析的基础内容，只不过是采用了先进的求解方法而已。为了让学生能更深入的学懂核反应堆物理分析，我们针对课程教材还编制了专门的习题集，以供学生练习。除此之外，反应堆物理分析课程设计是真正的应用到了反应堆理论。核反应堆物理通过几十年的发展，已形成了比较成熟的软件，但由于核工程专业的敏感性，这些软件大多都不公开。在这种情况下，我们还是选择一些开源的软件，让学生有机会真正的应用软件去解决工程实际问题，通过寻找参数，问题实践，程序编程，结果分析等环节，让学到的理论真正的与工程结合起来。

四、课程设计建设

伴随中国核电的大规模发展，核电事业离不开专业的核电人才，而卓越的核电人才离不开核电教育及优秀的教材。因此，教材在整个教育环节中具有重要的地位。就反应堆物理分析教材而言，目前美国高校使用的反应堆物理分析教材如表1所示。从表1可见，美国核反应堆教材相对比较多，并且从难易程度来看，有的较难，适合科研工作者或者高年级学生使用;有的则相对比较简单，适合初学者使用。总体来说，可供选择的余地较大。相对国内而言，反应堆物理的教材较少，除了西安交通大学谢仲生、吴宏春等编写的《反应堆物理分析》在本科教学中广泛使用以外，其他的图书，清华大学胡永明的《反应堆物理数值计算方法》，谢仲生和邓力编著的《中子输运理论数值计算方法》，杜书华的《输运问题的计算机模拟》等更适合高年级学生或者研究人员使用。

表1   美国部分高校反应堆物理分析教材列表

从教学平台上讲，美国的反应堆物理教学平台比中国要好。主要原因如下：（1）反应堆物理计算是需要软件的，美国经历几十年的核工业发展，形成了世界上最强大的核工程软件，这些软件一般都受许可证（Licence）限制。如果在美国读书，学生可以申请这些软件的许可证，目前的许可证是针对个人的，也就是说许可证只允许申请者个人使用，不允许扩散给其他人。作为学生，很多常用软件，如NJOY，MCNP，SCALE等都是可以申请得到许可证的。这样，学生就有机会在前人的基础上进行学习和科研工作，能更快的进入科学研究中去。而这些在中国是无法实现的，即使大学教授去申请这些软件，通常都很难申请得到许可证。（2）美国许多核工程强的学校，像麻省理工学院（MIT）、芝加哥大学（阿贡国家实验室）、普渡大学等都有自己的反应堆，这些反应堆可供学生进行反应堆物理及其他实验。

为解决上述问题，我们引进了清华大学发布的RMC（反应堆蒙卡）软件以及加拿大蒙特利尔大学核工程系开发的反应堆模拟软件DRAGON和DONJON程序给学生做课程设计之用，以提高学生利用核工程软件解决实际问题能力和提高对课堂理论问题的认识深度。

五、总结

针对核反应堆物理分析课程特点，结合华北电力大学的具体教学情况和实验室条件，因地制宜地开展该课程课堂教学模式、教学方式和教学方法的改革与实践，有效地调动了学生的学习兴趣，取得了良好的教学效果。同时，通过简要对比中美反应堆物理教材和教学平台发现了一些问题。第一，美国通过几十年的努力，把核工业以前的研究成果，包括软件等都保留了下来，这些都是重要的学习资料，可为后续培养卓越的核工程人才打下良好的基础，这是值得我们学习和借鉴的，建议国内未来有更多的像RMC一样的软件。第二，建议国内应该有更多更好的反应堆物理教材，因为教材是学生学习的基本材料，好的教材可以起到事半功倍的效果。华北电力大学核学院立足高起点、高标准发展自己的人才培养体系，反应堆物理分析课程的建设也应该立足于高起点、高标准，建立国内一流、国际先进的教学科研平台。

[ 注 释 ]

[1] 叶滨，袁长迎，费小丹，等.《核反应堆物理分析》课程以实践促进教学研讨初探[J].课程教育研究，2012（9）：127-128.

[2] 马续波，陈义学.核反应堆物理分析课程建设[J].华北电力大学学报（社会科学版），2011（S2）：266-267.

[责任编辑：钟 岚]