核工程与核技术专业实验教学体系构建

[摘 要] 中国科学技术大学核科学技术学院针对中国科学技术大学办学特色，在一二年级安排通识课程学习，三四年级开始专业学习。核工程与核技术专业在上一轮学科评估中为A+学科，结合核工程与核技术专业新的教学培养方案要求，以及学生的特点，在新形势下出现的新情况，实验学时少，而核工程与核技术专业涉及面宽且学科门类细化，如何构建核工程与核技术专业需要的实验教学体系，提升实验教学的内涵以及外延，提高学生的创新能力，吸引更多的本科生投身祖国的核事业，为建立和学科发展相匹配的实验教学体系采取了相应措施。

[关键词] 核工程与核技术;实验教学体系;创新能力

[基金项目] 2020年度安徽省教育厅教学研究项目“超临界二氧化碳自主创新实验教学研究”（2020jyxm2265）

[作者简介] 李远杰（1984—），男，安徽无为人，博士，中国科学技术大学核科学与技术教学实验中心工程师，主要从事反应堆热工研究。

[中图分类号] G482   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）18-0148-04   [收稿日期] 2020-11-19

一、引言

中国科学技术大学是在理工分家的特殊年代，老一辈科学家站在制高点上围绕国家的“两弹一星”战略需求于1958年成立的理工结合的新型学校。她的创办被称为“我国教育史和科学史上的一项重大事件”。建校后，中国科学院实施“全院办校，所系结合”的办学方针，学校紧紧围绕国家急需的新兴科技领域设置系科专业，创造性地把理科与工科即前沿科学与高新技术相结合，注重基础课教学，高起点、宽口径培养新兴、边缘、交叉学科的尖端科技人才。中国科學技术大学最早成立的十三个系也都是围绕“两弹一星”的研制任务而设立的，实验教学是人才培养的重要环节，从科大诞生的那一天起，老一辈科学家尤其重视实验教学，利用有限的条件变花样让学生参与实验，让理论和实践结合。在改革开放后中国科学技术大学率先在原先的核技术专业基础上，凝聚整个学校的力量，建立了国内第一个国家实验室即国家同步辐射实验室。2009年，中国科学技术大学围绕国家的重大战略需求以及科大核工程与核技术专业没有本科生的现状，成立了核科学技术学院，中国科学技术大学核科学技术学院是国内外唯一同时依托热核聚变实验装置、同步辐射光源等国家大科学装置及实验室，以国际、国内重大科学计划为牵引，围绕国家重大战略需求而建立的培养高端核科学技术和核能工程人才的重要基地。在新时代条件下，很多主客观条件也发生了重大变化，围绕培养学生核心实践教学能力如何科学合理的构建核工程与核技术专业实验教学体系迫在眉睫[1]。

二、核工程与核技术专业实验教学现状

在本科生的培养过程中，中国科学技术大学根据学生的兴趣采取个性化培养，为了保证学生100%自由选择专业，在一二年级全校范围内的基础课都大同小异，很少涉及专业课内容，便于在一二年级结束后，全校范围内根据兴趣再次选择自己适合的专业。中国科学技术大学核科学技术学院每级入学的本科生大约70～80人，三年级分流后留在核学院的学生大约50～60人，为了宽口径、重基础的本科专业培养方案，核科学技术学院只设置一个核工程与核技术专业，不分系，大体主要划分为7个方向。就核科学技术学院的本科生来说，学生从三年级才学习专业核工程与核技术相关专业课程基础课。核工程与核技术专业课的方向很多，再去除大四学年下学期要开展的毕业设计，只有一年半的时间学习专业课。而就专业实验课而言，实验课学时数少，本身就是实验教学面对的共性问题[2]。而针对中国科学技术大学核工程与核技术专业的现状来说，这个问题显得尤为突出。如何在学时有限、时间跨度有限的情况下，有效开展实验教学成为摆在核学院实验教学培养方案面前的一道难题。结合新形势创新型构建满足学时需要及客观环境制约的实验教学体系迫在眉睫。

（一）小型实验室

中国科学技术大学核科学技术学院在没有构建教学实验中心之前，搭建了辐射与防护、核燃料循环、放射化学与辐射化学、核电子学等相关小型各自为政的教学实验室。长期以来，我国高校实验室管理体制是校、院（系）、教研室三级管理模式，教研室及其实验室融为一体，理论教师直接主导实验教学及实验室条件建设，这种管理模式对配合理论教学、验证课堂理论起过一定的积极作用。但实验室小而全、功能单一，人、材、物分散，效率低下，重复建设严重，且难以构成体系。这种管理体制已不能适应新时期人才培养的要求[3]。中国科学技术大学核科学技术学院也面临小实验室在运行过程中以上所出现的突出问题。中国科学技术大学各学院在学校教务处的要求下逐步构建了教学实验中心，实验教学中心在学校纳入统一管理模式，实现人、财、物的集中，以便于统一部署、统一开展实验教学而避免传统各自为政的局面。核科学技术学院按照此种部署，在构建实验教学中心的过程中，甫一着手就已经考虑人、财、物的集中，以避免传统模式带来的不合理因素死灰复燃以及其他难以协调的复杂问题，难以适应新形势下的需要。

（二）大科学装置

核科学技术学院主要依托两个大科学装置分别为国家同步辐射光源装置，超导托卡马克（EAST）实验装置。这两个大科学装置系统很多，运行条件比较苛刻，且这些大装置的运行受到时间的制约。就本科生而言，这些大装置在学生的客观概貌认识过程中发挥了非常重要的作用，但具体实验教学内容难以在大科学装置上面直接有效开展。如何结合大科学装置的优势，有效推进实验教学，成为需要重点考虑的问题[4]。

（三）虚拟仿真平台

由于反应堆比较复杂，为了让学生更直观地了解反应堆，学院结合学校和教育部的部署要求[2]，建有两个虚拟仿真教学实验平台，分别为裂变堆虚拟仿真教学实验和中国磁约束聚变工程实验堆（CFETR）虚拟仿真实验室。这两个实验室在学生初步直观了解反应堆内部结构以及功能发挥了很重要的作用，特别针对核辐射场内无法进入区域，虚拟仿真也发挥了无可替代的作用。但在具体操作过程中，学生初始对此类实验感到新奇，但实践过程中又发现虚拟仿真难以培养实验过程所必备的动手能力[5]。

总之，以上三种方式单独构建课程体系都存在各自的弊端，需要整合凝练构成核心体系。如果说曾经在实验教学方面面临的主要问题是教学时间多，器件少，资源短缺，而我们这个新时代却由一端转移到另外一端，资源丰富、选择余地大、而学时短缺难以取舍，学科划分又越来越细化，必须结合新时代特点以及学科发展的主脉络系统梳理实验教学体系，构建适应新时代发展需求的实验教学体系和管理模式，提升学生的核心实践能力。

三、核工程与核技术实验教学体系内涵

核工程与核技术专业实验教学体系需要系统梳理，只有把握内涵，才能够有效开展实验教学，更好地让学生在实验教学中有较好的收获，具备融会贯通的专业基本实验技能，在未来的未知的实验中具备探索的精神以及所必备的韌性。通过实验教学手段和方式的改进，有效拓展核工程与核技术专业的实验教学的外延。核工程与核技术的实验教学体系主要包括实验内容的构成，实验中心的管理，实验教学的实施以及实验教学的评估[6]。

核工程与核技术专业细化分可以分为五十多种小科目，中国科学技术大学重点就反应堆热工、辐射防护、核医学、核燃料循环、核材料等专业方向开展了系统的讨论研究。反应堆热工利用构建的反应堆热工综合实验创新平台，开展创新性实验诸如利用放射源测量方法让学生自主观察两相流实验流型并测量空泡份额，并完成ONB点实验及CHF实验等;辐射防护平台利用具备的实验器材让学生自主设计实验测量学校的土壤以及大气等构成闭环;核燃料循环让学生根据已经具备的理论知识自主设计反应堆后处理实验，核材料实验诸如通过开展铁碳合金的金相组织观察及放射性活度计算拓展学生的综合实验能力，这些实验开展不仅仅需要学生掌握基础的知识某方面的一点，而更需要把某一方面知识结构融会贯通方能够有效的开展实验。通过以上的手段梳理实验教学的体系内涵，真正有效提高学生实验的能力，开拓学生的创新思维方法。加强实验教学中心创新能力的提升，强化高级、创新类实验课程体系构建，教学实验中压缩并逐步取消相对老化和陈旧以及内容单一的实验课程[7]。

四、核工程与核技术专业实验教学体系举措

实验教学体系最核心的是，根据专业发展需要以及学科特点构建实验教学内容以及必备的辅助教学手段实现实验教学目标的内涵。通过科学构建实验教学课程以及实验教学项目和信息化实验教学平台，并加强实验教学安全准入制度，尤其放射源的分类管理及使用;仪器设备提高共享和使用效率;建立公开透明的教学核查体系，提升实验教学体系的外延。

（一）成立学院实验教学专业委员会

实验教学专业委员会主要成员由各专业方向具备话语权，并在此方向具有很深的研究造诣且能够通盘平衡考虑实验教学内容的专业老师构成，其他成员由学院实验教学老师构成。

针对核科学技术专业学时少和专业方向多之间的突出矛盾，核科学技术学院采取以高质量的实验项目和更为有效的教学手段来弥补实验学时的不足。核工程与核技术专业涉及的方向多，细细划分涉及的实验教学内容太多，每个实验都做现实不可能，不但时间不允许，而且意义也不是特别大，通过凝练实验项目，让学生融会贯通所学的基础知识，能够规范地处理实验问题并提高自己的实验技能才能应对未来无数实验任务的考验。归根到底，实验课教的是实验的思维和实验的方法。没有实验目标、不讲究教学方法、只拼实验项目数量的做法，是低层次的重复，是没有效果的[8]。通过基础性实验和创新型实验的耦合推动实验教学内容的进一步有效整合，形成适合中国科学技术大学核科学技术学院所要求的内容基本体系架构。在这个过程中打破原有的专业方向藩篱，构成独立的一门专业实验核心课程（核工程与核技术实验课），该实验内容核心项目组成由专业方向上极具代表性又能够凝练汇聚专业内容并富有创新性以及一定挑战的核心实验为代表，不是简简单单的随机抽出的实验内容无序叠加构成的。

同时在这个过程中打破原有的实验课时的限制，实验课除安排固定的课时以外，学生只要有时间就可以来开展实验，通过预约不受特定实验课时间的制约，以缓解学时不足和实验项目所造成的突出矛盾。学生系统修完该门课程的时间界限为一年，学生可以利用寒暑假的时间来完成所必修的实验项目内容[9]。

（二）发挥信息化平台联系纽带功能

以信息化建设为抓手，以实验平台及内容为基础，构建学生和实验教学的联系纽带主要建设实验中心信息化平台，该平台发挥的功能包括学生实验的开放预约、仪器资源的共享以及考核体系的评价及反馈。

1.内容固定及自主搭配。核工程专业实验课程体系构建的内容由6个必选实验以及4个选做实验构成，实验时间跨度为一年，总学分为4个学分。学生在信息平台系统里面选修4个选做实验构成每一个学生该门实验课的内容，实验课老师在网站系统根据学生选修的内容做好学期实验的安排。

2.实验时间的自由。6个必选实验既可以固定时间也可以自由选择时间，学生根据个人时间的安排，学生通过手机或电脑在实验中心信息化平台登录系统对实验进行预约，预约成功后根据学生的时间需求安排实验，以实验中心的全时的开放时间来换取学生的自由时间来有效开展实验教学。

3.构建学生的成绩管理系统及评价系统。学生的成绩管理系统和学校的教务系统相互衔接，构建学生的课程评价系统，利用信息化平台，根据学生在实验中的表现以及各部分成绩的构成在网上自动生成学生的分数评价，10个实验的成绩构成相互独立，采用最小二乘法的平均构成学生的最终成绩。

学生的实验成绩由四个部分组成，即实验预习（20%）、现场操作（30%）、实验报告（20%）、实验考试（30%）。预习的考核主要依据学生课前预习时提出的问题的多少以及问题的重要性和深度;现场考核学生实验时的态度、参与程度、操作是否正确，每次实验结束老师把实际表现录入系统;实验报告主要关注学生对实验数据处理、误差分析、课后思考题;实验考试方式为学生实验结束后两周内学生在实验教学中心的安排下根据一年中所开展的实验，到实验中心进行随意抽签，当场进行实验考试。通过构建人性化、自主化考核制度，达到让学生在实验中体会快乐以及提高实验能力[ 10 ]。

4.構建实验老师的评价系统及实验项目反馈系统。学生对每个实验项目结束后，需要对该项目的内容以及授课老师的情况给予评价，以便于对实验内容以及教学方法的改进和提高。

5.自主设计综合创新实验平台。中国科学技术大学核学院结合科研优势，结合学生的特点，开展自主设计综合创新实验平台，提升学生的创新能力。比如搭建了超临界二氧化碳自主创新实验教学平台，超临界问题对反应堆热工能量传递具有非常重要的意义，利用该平台学生开展换热关系量测实验以及传热恶化演示实验。基于空泡份额装置实验利用放射源法测量空泡份额，结合真实放射源的实验数据，量测空泡份额。

五、结语

中国科学技术大学的核科学技术实验教学中心从开始创建就秉承开放、自由、共享的原则，积极调动学生的能动性，最大程度激发学生开展实验的兴趣，开拓并举、严谨治学，以期逐步形成了浓厚的求学探知的氛围和“知识一兴趣一素质一能力”综合培养、教学与科研相互促进的实验教学特色。在虚拟仿真实验中心的建设中，随着科学技术的进步，不仅具有成熟的核电站模型以及核电站虚拟仿真实验教学，也有中国将建设的未来的聚变工程试验堆（CFETR）前沿的科研成果、新技术加入实验教学中，以期形成思维能力和动手能力相互耦合发展的教学体系。

参考文献

[1]张增明，王中平，张宪锋，等.国家级物理虚拟仿真实验教学中心的建设实践[J].实验技术与管理，2015，32（12）：

146-149.

[2]教育部办公厅.教育部办公厅关于批准北京大学地球科学虚拟仿真实验教学中心等100个国家虚拟仿真教学实验中心的通知[EB/OL].（2014-03-06）[2015-05-05].http：//ww

w.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201602/t20160219_22

9805.html.

[3]杨昌跃，蔡绪福，周天楠，等.多层次、模块化实验教学体系的构建与改革[J].实验科学与技术，2015，13（2）：119-121.

[4]刘海刚.实验教学团队建设模式的探讨[J].实验室研究与探索，2011，30（9）：340-342.

[5]姜爱民，李明第，李轶，等.实验教学管理体系几个重要环节的改革与实践[J].实验室科学，2011，14（5）：45-48.

[6]周合兵，杨美珠.科学编制实验教学大纲的实践和探索[J].实验科学与技术，2009，7（1）：96-98.

[7]蔡共宣，李晓华，王彦林.改革实验教学，提高学生创新能力[J].实验科学与技术，2011，9（4）：85-87.

[8]董庆贺，杨青，等.高校实验教学中心存在的问题及对策研究[J].实验科学与技术，2015，13（5）：149-152.

[9]周亦敏，陆伟成，汪河清.计算机工程实验教学体系的构成与改革[J].实验室研究与探索，2005，24（4）：66-67.

[10]赵青山，郭丽华，李晴.实验教学改革与管理分析[J].实验科学与技术，2011，9（6）：176-178.

Construction of Experiment Teaching System for the Major of Nuclear Engineering and

Nuclear Technology

LI Yuan-jie

（Nuclear Science and Technology Teaching and Experiment Center， University of Science and

Technology of China， Hefei， Anhui 230026， China）

Abstract： According to the characteristics of USTC， the School of Nuclear Science and Technology of USTC offers general education courses in the first and second grade， and begins professional learning in the third and fourth grade. The nuclear engineering and technology major is an A+ discipline in the latest round of discipline evaluation. Combined with the requirements of the new teaching and training program of the nuclear engineering and technology major， as well as the characteristics of the students and the problems under the new situation， such as few experiment classes， the wide range of knowledge and the detailed discipline classification of the major， this paper proposes the following corresponding measures： to build the experiment teaching system of the nuclear engineering and nuclear technology major; to improve the connotation and extension of experiment teaching; to improve students innovation ability; to attract more undergraduates to devote themselves to the nuclear cause of China， and to establish an experiment teaching system matching with the development of the discipline.

Key words： nuclear engineering and nuclear technology; experiment teaching system; innovation ability