四川大学核工程与核技术实验室的建设与规划

陈秀莲，刘 军，覃 雪，周 荣

四川大学核学科始建于1958年,是国内较早开办核专业的几所高校之一。四川大学核工程与核技术实验室承担着核学院本科实验教学任务。根据教育部“高等学校核工程与核技术专业教学规范”,应全面提高实验课程的地位,合理搭建理论课程与实验课程的联系架构,注重发挥学生的主体作用,为学生个性发展提供更大空间。目前全面介绍核工程与核技术专业实验[1-4]建设的文献不多,本文分析四川大学核工程与核技术实验室现阶段建设情况,提出未来5年实验室整体发展规划[5-8],不断加强对实验教学内容与教学方法以及实验室管理的研究和改革,以适应飞速发展、日新月异的核科技,从而培养出 “具有深厚人文底蕴、扎实专业知识、强烈创新意识、宽广国际视野的国家栋梁和社会精英”[9]。

1 当前实验室建设情况

1.1 实验课程设置介绍

2010～2013年,在学校985专业实验建设项目的支持下,核工程与核技术实验建设主要完成了健全实验课程门类的建设任务,新建设了反应堆物理模拟实验与辐射剂量与防护实验2门课程,改造和丰富了核电子学实验、辐射探测实验与核物理与核技术实验3门课程,并编写了相应实验课程指导教材,满足了核专业实验教学的基本需求。此外,调整了部分实验课上课时间：核电子学实验、辐射剂量与防护实验分别与相应理论课程同步进行,辐射探测实验、核物理与核技术实验和反应堆物理模拟实验在相应理论课结束的下一学期开放。

1.2 实验室安全

实验室安全是实验教学和科学研究顺利进行的保障[10-11]。实验室安全包括人员安全和仪器安全。在2014年门禁系统启用后,实验室开始全面实施安全准入制度,所有进入实验室人员都进行了安全培训并参加笔试,考试合格后,实验员为其 “一卡通”开放门禁权限允许进入实验室。安全准入制度的实施,大大增强了实验人员对安全的重视,实验室安全系数有了很大提高,为开放式实验教学模式提供了安全保障。

1.3 实验教学模式建设

秉着 “学以致用、融会贯通”的培养目标,结合现阶段实验教师不足,仪器台套数不够等具体情况,针对核专业实验课程提出 “以学生为主的开放互动性实验教学模式”。实验课程只有明确的实验大纲和相关要求,没有规定的实验教材,没有现成的实验系统。学生分组、分阶段进行,整个过程开放式管理,不设固定实验时间,以时间换取空间,提高仪器的利用效率。

第一轮,每组学生在教师的指导下负责一个实验,自主设计实验方案、自主搭建实验系统、自主测量数据和分析实验结果。最终各组学生汇总答辩并展示实验报告,给出组成绩。实验周期为一个月,学生对所选实验有深刻认识,为第二轮实验开展奠定了扎实的基础。

第二轮以学生互教为主,教员组负责指导选修自己负责实验的学员组完成实验,批阅他们的实验报告并给出学员成绩。学员组对指导自己的教员组的实验指导做出评价,给出教员成绩。最终实现“寓学于教”。

第三轮为自主实验阶段,学生可以选择其他没做过的实验,也可以做一些以第一、第二阶段实验为基础的扩展实验。每组 (或个人)根据情况,自由选择。这个阶段,学生对常用仪器有了一定认识,直接由指导老师负责指导。

成绩评定采取 “个人+集体”的评分方式,按下述公式计算：

组成绩A×组员人数R×贡献因子Wj+教员成绩+学员成绩+第三轮成绩 (10)

其中,贡献因子Wj是贡献因子,体现了学生个人在团队实验全过程中的贡献大小。同组学生贡献因子之和为1,它确定每个学生成绩的关键和难点。新的实验教学模式增强了个人参与度评价和学生之间的互相监督,有效提高了学生自觉学习的积极性和主动性,可以避免抄袭实验报告的现象。

针对此次实验教学模式改革,2013年学校教学督导组进行了全程 (改革方案介绍、开题报告、实验现场考察、实验报告展示)跟踪,用学生座谈、访谈的方法对改革方案、实施情况及效果进行了专题调研。学生反映：“这是一次翻天覆地的变化”“以前我们是实验方案的执行者,现在变成了设计者,锻炼了能力” “能得到全方位锻炼”“这次终于不用无聊地抄报告”“要求按论文格式提交实验报告,很正式,为以后科研作铺垫,很好!”“当教员的感觉与学员不一样,责任更大” “对实验的想法要多一点”。这种实验教学模式有效提高了学生学习的积极性,增强了学生自主学习能力和团队精神的培养。

2 未来5年实验室建设规划

目前互联网的流行对传统教育带来前所未有的冲击,网上公开课的广泛应用将教育的竞争推向全球化[12-14]。为适应高等教育发展的新形势、新要求,在已基本健全实验课程门类、实现开放共享的基础上,核工程与核技术实验室提出了未来5年总体建设理念和改革思路：加大实验教学比重,建设门类齐全,层次丰富,特色鲜明的课程体系,打造安全高效的现代化高水平智慧实验室。具体规划如图1所示。

图1 核专业实验课程体系建设

2.1 丰富核专业实验层次

层次教学[15-16]目前在核专业实验课程内容上没有开展。现有核专业实验内容较深,缺少认知实验与理论课程衔接,使理论与实验相结合的人才培养效果打了折扣。为改变这个现状,拟建设 “科普” “认知” “基础” “综合” 和 “创新”5个层次的实验课程体系,涵盖核物理、核工程、核技术、核仪器、辐射防护5个门类的实验项目。

核与辐射科普实验,包括4个实验项目。该课程在本科二年级暑期学期 (学习专业课之前)开出,通过指导学生测量高空、医院、涉核工业产品以及自然人居环境中的辐射,初步认识辐射的广泛来源和基本特性。

核与辐射认知实验,包括4个实验项目。该课程与原子核物理和辐射探测与测量2门专业理论课相结合,根据理论课上课进度开展实验。认知实验主要通过老师演示和学生亲眼观察、亲手操作放射源和各类辐射探测仪器,使学生更加形象深刻地理解基本理论知识。

核与辐射基础实验,包括辐射探测实验、核电子学实验和辐射剂量与防护实验3门课程,实验项目共20个,属于核专业学生必修课程。本层次从3个方向来增长学生核知识,培养学生专业兴趣。其中,辐射探测实验使学生掌握不同探测器的使用方法、不同射线的探测方法、不同辐射参数的基本测量方法、不同实验系统的基本构建方法,培养学生辐射测量的基本动手能力和实验技能。核电子学实验主要是使学生掌握核信号处理的各个基本电路单元的工作原理,使用方法和主要特性参数,培养学生理解、使用、设计、调试、维修核仪器的基础技能。辐射剂量与防护实验使学生认识辐射剂量与辐射源强度、距离、种类的物理关系,掌握不同种类辐射剂量的测量方法。

核与辐射综合实验,包括核物理研究实验、核技术分析实验、核仪器设计实验、核反应堆物理实验和核反应堆工程实验5门课程,实验项目共46个。每门实验课程学生可根据兴趣选择其中部分实验进行。1)核物理研究实验：学生通过这门课程掌握复杂核物理实验的设计、操作,复杂实验数据的处理和结果的分析方法,培养独立进行核物理实验研究的思维方式和动手能力。2)核技术分析实验：学生通过这门课程掌握复杂样品的测试分析方法和复杂数据结果的分析处理方法,培养独立进行核技术分析研究的思维方法和动手能力。3)核仪器设计实验：学生通过这门实验课程,掌握核仪器的设计、加工、安装、调试、维修方法,具备独立设计研制核仪器的能力。4)核反应堆物理实验：学生通过这门课程,掌握反应堆工程物理参数的计算、设计和评价方法,为从事反应堆设计工作打下基础。5)核反应堆工程实验：通过该实验课程教学,让学生对核反应堆热力学系统运行建立初步的直观认识,了解热工系统参数测量技术和控制方法,提升学生设计能力和实践能力。

创新实验主要以大学生创新创业训练计划为载体,实验室有计划、有组织地动员学生、征集项目、提供指导咨询、各类实验测试分析平台和条件等。

2.2 全面提高管理水平

全面建设实验室 “安全管理” “仪器管理”“线上教学”3大信息化平台,提升实验室安全管理水平、仪器使用效率和教学辐射范围。

2.2.1 从放射源安全和人员安全两方面加强实验室安全管理

1)核专业实验室在线安全培训系统。

目前实验室安全考试采取的是纸质考试,每年有260多名学生进出核工程与核技术系实验室,且研究生绝大部分时间都在实验室内学习。建立在线实验室安全学习及培训系统,方便师生安全培训和测试,学生和老师每学期都需要参加培训和测试。安全培训测试与门禁授权联网,保证获得实验室进入授权的人员进过了有效的安全培训,具备了足够的实验室安全知识。

2)放射性人员剂量评估系统。

实验室内接触放射源的主要是教师与研究生、本科生。对于教师,每个季度会有辐射剂量评估。但对于学生以及来实验室参观等人员,目前还没有在放射性实验室所受辐射剂量的评估。由于接受的个人剂量的未知,给进入实验室人员可能造成一定的忧虑心理。该系统充分利用实验室现有的环境辐射剂量仪不间断监测数据和门禁出入数据,采用科学的方法对出入实验室的人员进行个人和群体剂量评估,以掌握实验室出入人员的剂量数据,防范辐射安全事故的发生。

3)放射源智能管理。

由于放射源危害的特殊性,在放射性实验室中,放射源的监管是十分重要。目前实验室放射源的借用和归还都需要管理人员纸质记录,工作量极大且容易疏忽,管理人员所受剂量也相对较高。针对这一问题,实验室拟开发一套智能的放射源监控和监管系统,既能保证放射源的安全不丢失,又能提高工作效率。相较于传统的放射源管理,该系统有以下3个特点。①系统安全防护级别高。系统对放射源进行全天候24小时监控,监测单元对放射源的射线进行记录,若放射源异常、被盗或是非法移动,射线的数量会迅速下降,进而触发报警。②借用放射源更加方便和安全。当工作人员需要借用放射源时,向管理人员提出申请,经过相关审核后,管理人员将反馈给工作人员一张IC卡,刷卡进入源室,装有相应放射源的监测单元会自动打开柜门,工作人员取走或归还放射源。③记录无纸化,存储永久化。管理人员在进行借出和收回放射源的操作时,PC客户端会自动将借用人员的姓名、取放射源和归还放射源的时间、放射源的种类等信息存档,并上传至服务器进行永久保存。因此,放射源的智能管理提高了工作效率,减少了借用和归还放射源的繁琐步骤和程序,大大减少了管理人员的工作量。

4)放射性实验室安全文化建设。

该项目以趣味性核安全知识竞赛和安全宣传的形式常年定期开展,主要在广大师生中牢固树立安全意识,形成注重实验室安全,防范隐患的文化氛围,增强实验室安全运行保障。

2.2.2 加强实验室仪器管理、实验教学内容和考

核的信息化建设

1)核仪器管理系统。

核仪器的一个重要特点是插件式、模块化。为提高仪器的使用周转效率,建设核仪器有序高效网络管理系统,实现仪器使用的网上预约、归还、故障登记、维修调度等功能,充分发挥和挖掘仪器作为教学资产的使用效率。

2)实验课程考核系统。

为促进学生重视实验教学环节,把实验中的关键环节分类整理成实验考核数据库,通过网络动态管理。在实验课结束前对学生进行随机抽查测试,评估实验教学的效果,把控实验教学的质量。

3)认知实验教学视频共享系统。

为提升学生对专业基础知识的掌握,在专业理论基础课程开设的同时,针对所讲述的知识点,与之并行开设相应的演示性实验,并录制视频。学生在学习到这些知识时,可以至少进入实验室一次,现场观看实验演示,并可以通过网络随时查看这些视频,增强学生对理论知识的形象化理解。

3 结束语

随着时代的发展,核工程与核技术实验室将不断加强实验教学、管理变革,在当前实验室建设基础上,逐步实现5年建设规划,以期至2020年底,将实验室建设成为国内高校一流的核专业实验室,以适应高等教育发展的新形势,从而实现培养“具有深厚人文底蕴、扎实专业知识、强烈创新意识、宽广国际视野的国家栋梁和社会精英”的光荣使命。

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