基于校企共建DCS系统的核工程专业虚拟仿真实验教学模式探索与实践

赵媛媛　张斌　吴宏春

［摘 要］深入推进产学合作协同育人、产教融合，是解决高校和企业人才输出与人才需求脱节问题的重要途径，也是高校创新人才培养机制的重要方式，更是提高复合型、应用型人才培养质量的有效途径。文章结合西安交通大学核能与广核共建DCS开放实验室协同育人实践基地，提出基于校企合作、协同育人的实验教学模式及培养方案，其实践取得了良好的成效。

［关键词］协同育人；核能；实验教学

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）09-0213-04

2017年12月5日，国务院办公厅印发了《关于深化产教融合的若干意见》（以下简称《意见》）。《意见》提出要逐步提高行业企业参与办学程度，健全多元化办学体制，全面推行校企协同育人，用10年左右时间，形成教育和产业统筹融合、良性互动的发展格局，完善健全需求导向的人才培养模式，基本解决人才教育供给与产业需求重大结构性矛盾 [1]。党的十九大明确提出“深化产教融合、校企合作”的要求，实现应用型专业的培养目标关键是强化实践教学，搭建好校企共建开放实验室平台，从而达到实践育人、协同育人的目的。企业和高校深化产教融合和校企合作，充分利用企业实践基地自身优势与高校教师智力资源，围绕产业关键技术、核心工艺和共性问题开展协同创新，探索企业与高校资源共享、利益共赢的机制，加快推动基础研究成果向产业技术转化[2]。

实践教学对于学生技能的培养、知识的获取、能力的形成与发展起着重要的作用。因此，在安排理论教学的同时，必须加强实践教学，使理论与实践相结合，使学生所掌握的知识向实践能力方面转化。实践教学环节的安排，必须有利于开发学生的智力、培养和发展学生的能力。

大力发展核科学技术研究、培养创新型人才是我国国防安全和能源经济的重大需求。由于核工程专业的特殊性，实验平台的建设非常昂贵，且安全性要求极高，所以目前我国大部分院校没有涉核实验平台，导致核工程专业的人才培养在感性认知方面存在明显不足。

由于涉核实验平台的严重短缺，许多高校不得不把学生派到核电厂或核工程研究设计院进行实习。但核设施的操作有非常严格的安全要求，学生基本不能参与操作，只能参观或听现场教学，这虽然能起到一定的弥补作用，但犹如“隔靴搔痒”，无法系统建立起学生对核工程专业的感性认知。随着第四次信息工业革命的到来，虚拟仿真技术的飞速发展给虚拟仿真实验带来了契机。虚拟仿真实验虽然尚不能完全替代实际工程实验，但几乎可以模拟所有的工程现象，而且还可以进行实际工程实验无法进行的仿真实验，对帮助学生建立起感性认知体系有很大的帮助。所以，近年来很多高校开展了虚拟仿真实验教学平台建设，通过开展虚拟实验，让学生揭示并掌握“核”的机理和规律[3]。但虚拟仿真实验平台如何建设、如何实验，才能使得“虚拟”实验平台真正做到“仿真”，仍然是个值得探索的问题。

近年来，由于校企合作不够紧密，高校培养的人才无法完全满足企业对人才的要求，人才培养模式和人才輸出质量滞后于行业新技术的发展[4]。企业为了解决这一问题，往往不得不投入大量的精力对新招员工进行岗前培训，以弥补其在高校所学知识的严重不足。因此，加强校企协同，与在校大学生共同完成实践性教育也是企业的最大期待。

基于此，西安交通大学与中广核集团深度合作，依托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，共同搭建了核电厂反应堆真实使用的DCS系统，并基于该系统开发了一系列虚拟仿真实验，在感性认知培养和实践能力提升方面取得了良好效果。

一、校企共建DCS系统

西安交通大学在核工程专业人才培养方面一直享有盛誉，中广核集团作为国际一流的核能集团，是全球领先的核能供应商与服务商，曾成功建设大亚湾核电站，填补了国内大型商用核电站的空白，实现了中国大型商用核电站的起步。

核电厂DCS系统由中广核核电运营公司培训中心开发，利用CPR1000核电站机组真实数据进行仿真，逼真模拟核电站的系统设备运行、调节和控制过程。它可以帮助学生了解核电站原理、进行人机界面真实体验以及掌握运行调节控制技能，如进行机组冲转、并网、达临界、正常启停等实操培训。该系统还能模拟事故场景工况，可以帮助学生直观了解事故场景基本原理，进行重要参数的趋势观察和分析、相关人机界面实操。图1和图2分别是该系统的功能特点及现场实际布置图。

核电厂DCS系统可同时进行核电厂正常启停和典型事故实操，正常启停过程工况场景要求见表1和图3，典型事故工况包括一回路小破口、蒸汽发生器传热管破口、一回路小破口叠加蒸汽发生器传热管破口、手动停堆、手动停机等，具有双操作员对同一操作的处理功能，真实地反映反应堆控制的操作流程。在模拟机组正常启停方面，能够进行包括CPR1000核电站从反应堆热停堆至汽轮机满功率运行的操作过程；在事故和故障方面，能够模拟跳机不跳堆、反应堆跳堆、主泵跳闸、主给水泵跳闸等事故和故障；在稳态运行方面，能够维持在汽轮机满功率负荷运行、低负荷运行、机组热停堆等稳态运行；在加速模拟方面，能够进行系统局部加速，包括一回路温度加速等功能。

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学生利用DCS系统，可了解核电站原理、进行人机界面真实体验以及掌握运行调节控制技能，如进行机组冲转、并网、临界、正常启停等实操训练，对提升学生对核反应堆的系统认知、巩固所学基础知识具有重要意义。

2018年，西安交通大学和中广核集团以共建合作基地为契机，通过优势互补深度融合，在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成功建成了DCS系统。

中广核集团负责提供软件和硬件、CPR1000核电站机组真实数据，负责系统安装调试，以及实验指导教师的培训。西安交通大学负责提供实验平台、实验指导教师、实验方案实施和日常系统维护。

二、实验教学方案

实验教学方案制订的指导思想如下：

一是利用DCS系统是核反应堆系统性控制系统的特点，打破课程设置壁垒，多课程融合，体现实验的系统性和综合性。

二是根据DCS系统功能，针对CPR1000核电站机组，设计成必修实验环节和自主实验环节，体现实验的实用性和灵活性。

三是引入企业开发人员和校内指導教师共同指导实验，使理论指导实践、实践提升理论，体现实验的理论性和工程性。

根据上述思想，设置的实验见表2。

三、初步成效

通过2年的探索与实践，虚拟仿真实验教学取得了如下初步成效。

首先，通过这些实验，学生掌握了抽象的核电站重要控制、堆临界、机组启动、重大故障及事故处理，加深了对核电站控制的理解，身临其境地体验了反应堆达临界、机组从达临界至满功率运行的全过程，激发了学生的学习兴趣和热情，也为将来更深入的专业知识学习奠定了坚实的基础。

其次，加强实践教学，形成了“以赛促教、以赛促学”模式，组织学生参加全国“核+X”等多项专业大赛并获奖。基于核电厂DCS系统完成的获奖项目见表3。

最后，通过这些实验，各用人单位反馈学生对核电厂的认识更深刻，核电厂相关的专业基础知识更扎实，入职后上手更快，思路更为清晰。

四、结论

校企协同育人已基本达成共识，但如何具体实施尚是一个值得探索的问题。本文以共建实验平台为出发点，通过深度融合共同设计、建造、完成实验教学环节，一方面可以帮助高校改善实验室软硬件条件，优化和完善实践教学计划，提高学生实践动手能力；另一方面可以帮助企业提升人才的岗位胜任力，实现了校企双赢，同时对学生的理论知识巩固、实践知识提升、动手能力培养、创新意识养成具有重要意义，对校企协同育人模式探索提供了有益借鉴。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 本刊综合报道.图解：关于深化产教融合的若干意见 [J].中国科技产业，2018（2）：68-69.

[2] 教育部等四部门关于公布首批全国职业教育教师企业实践基地名单的通知（教师函〔2019〕9号）[Z].2019.

[3] 吴宏春，张斌，李云召，等 .培养核工程人才实践能力的虚拟仿真实验探索 [J].高等工程教育研究，2019（S1）：211-214.

[4] 李桥，梁华，李明媚.软件工程专业校企协同育人机制的探索与研究[J].教育现代化，2019（97）：3-5.

［责任编辑：刘凤华］