优势融合，方法创新，打造核电厂系统与设备“金课”
发布时间：2021-05-24
[摘要]文章针对核电厂系统与设备课程的内容特点和教学实际，总结了对学生学习本门课程的三个层次要求，重点介绍了华北电力大学核科学与工程学院在本课程教学方面的改革和创新性尝试。应充分利用现有教学资源，将多方优势融入教学，从而进一步实现教学方式方法创新，包括：完善课程体系建设，传统与新型教学方式相结合，采用先进的多媒体技术，融入科研优势;同时，努力推动课堂内外实践与教学的有机结合，将核电厂系统与设备课程打造成为更加丰富、高效、充实的本科教学“金课”。
[关键词]核电厂系统与设备;教学改革;教学研究;华北电力大学
压水堆核电厂是我国核电厂建设的主要堆型，它的系统组成复杂、设备庞大、类型众多，安全性与可靠性要求高。核电厂系统与设备是核科学与工程专业的核心必修课程，该课程作为核工程专业学生的第一门专业基础必修课，是核工程专业主干核心课程——核反应堆物理分析、核反应堆热工分析、核反应堆安全分析等课程的基础。通过学习该课程，学生能够深刻掌握核电厂主要系统设备的基本工作原理和设计理念。本课程讲授的知识是核工程专业的学生走上工作岗位所必须掌握的基本知识，为学生从事核电厂相关工作奠定关键基础。核电厂系统与设备课程全面介绍了二代压水堆核电厂一回路主系统的功能、组成、关键设备的结构，以及辅助系统、专设安全设施的功能、组成、流程、重要设备特性、运行的基本知识(以核岛部分为主);同时也介绍了AP1000反应堆冷却剂系统的功能、组成、各重要设备的结构，非能动堆芯冷却系统、安全壳和安全壳系统，辅助系统的功能、流程、重要设备特性等，并将二代压水堆核电站和AP1000核电站进行比较分析，使学生对大型压水堆核电厂的总体组成、重要系统、关键设备、发展历程有总体了解。
华北电力大学(以下简称“我校”)根据自身特点，以及多年来服务国家战略、突破工程教育瓶颈的“订单+联合”大核电人才培养模式与实践中积累的经验，逐步形成了具有特色的核电厂系统与设备教学体系。
一、基于课程特点，把握知识学习层次，有的放矢
核电厂系统与设备课程虽然没有大量繁复的计算公式，但是涉及核电厂全方位结构、系统、运行等，知识点较为庞杂，且不同知识点之间互相关联，反映了反应堆系统的高度复杂性，所以称本门课程为“工科中的文科”也不为过。结合这样的学科特点，学生对于本课程的学习分可为以下三个层次。
(一)知识层面
学生掌握核电厂一回路主系统、辅助系统、专设安全设施的系统功能、流程、关键设备特性等，包括系统或部件的组成、数量、关键设计参数，把握其结构特点，知道“是什么”。以反应堆堆芯学习为例，学生首先需学习反应堆堆芯的总体组成、结构、分区方式、换料策略，从堆芯结构组成方面，分别学习燃料组件、燃料元件棒、燃料芯块、包壳、定位格架的结构、功能、数量等;从功能分类方面，学习控制棒组件、可燃毒物组件、中子源组件、阻力塞组件的材料、结构、功能、数量等。在这一层面，学生需要通过理解，结合适当的记忆，对核电厂系统与设备有基础、详细、全面的学习。
(二)认知层面
通过知识层面的学习，激发学生认知核电厂系统与设备课程的兴趣，引导学生领会关键系统或部件的设计特点。仍以反应堆堆芯学习为例，通过图文并茂、形象生动的多媒体教学课件，让学生直观认识到反应堆的“心脏”——反应堆堆芯的结构设计特点、设计原理，进而引发学生思考：反应堆设计上是如何巧妙地设计冷却剂流道从而带走堆芯释放出的巨大能量的?堆本体是如何从设计上减少堆芯对压力容器的辐照的?这不但能够加深学生对基本知识的理解，更能够让学生将不同章节的知识融会贯通。
(三)能力层面
基于知识层面、认知层面的理解，引导学生深入体会核电厂系统与设备课程的“结构+功能+设计理念”的逻辑脉络，即真正具备理解核电厂主要系统与设备的基本工作原理和设计理念的能力。引导学生思考：假设自己是核电厂设计师，结合所学习的知识，在设计一个新型系统时需要考虑哪些方面的因素，如何设计该系统/设备?通过这种方式使学生真正具备解决实际问题的能力，并且激发和培养学生与时俱进、主动跟进核电发展时代前沿的求知欲和能力。
针对本课程的特点，以上三个层次既是对学生学习效果的要求，也是对教师教学的要求。其要求教师不但要把握基本知识的传授，还要考虑如何将晦涩难懂的文字讲得深入浅出，进而启发学生思考核电厂系统与设备相关设计的本质原理，从根本上增强学生理论联系实际和学以致用的能力。
二、教学方式方法创新，多方优势融入教学
随着时代的飞速发展，信息技术、VR、课堂辅助教学软件等新技术迅速兴起，核工程领域的科研工作不断推进，原有的教学方式、方法面临新的挑战。结合我校核科学与工程学院一线教学工作实际，笔者对教育教学方式方法改革与创新手段分析探讨如下。
(一)教材、慕课融合创新，完善课程体系
我校核工程与核技术专业、辐射防护与核安全专业自成立以来，采用大亚湾核电站培训教材《900MW压水堆核电站系统与设备》以及《非能动安全先进核电厂AP1000》作为教材，教材内容较为完整，在培养核电人才方面发挥了巨大作用。以上教材适用于工程化培训，并且随着我国具有自主知识产权的第三代核电技术“华龙一号”的快速发展与建设，对一套融合二代、三代核电技术，且具有更为完整知识体系的教材的需求更为迫切。鉴于此，我校核科学与工程学院正在进行相关教材的编著工作。该教材具有两个主要特点：一是对现有知识体系进行梳理、总结，将二代M310、三代AP1000、“华龙一号”核电技术相关的系统与设备有机融合为一体，做到结构清晰，体系完整;二是基于对基础知识的学习，增加二代、三代核电技术相关设计的变化、改进方案等方面的分析、对比，使学生体会核电系统与设备设计的变化、改进及原因，使学生真正具备理解核电厂主要系统与设备的基本工作原理和设计理念的能力。
同时，与教材的编制相配套，组织课程教学团队教师录制慕课，以此作为学生自主学习的重要辅助手段。慕课课程内容经教学团队充分讨论，抽丝剥茧，选取本课题的关键知识点进行慕课课程讲授及制作。每节课时间为15~20分钟，力求每节慕课能够讲透一个关键知识点，作为本课程的重要辅助学习方式，也为传统教育注入了新鲜血液，这是大信息化时代下的新型教学方式。由此，“课堂(线下)—慕课(线上)”教学相结合，课堂不再由单一授课教师主导，课程也不再被单一教学系统所限制，人工教学管理向智能教学管理转变，适应了信息时代背景下对大学本科教育的最新要求[1]。
我校不但实现了“二代”“三代”核电技术知识的融合，而且实现了“线上”“线下”相结合的新型学习方式，从而建立了一套更为完整、全面的核电厂系统与设备课程教学体系。
(二)传统与新型教学方式相结合，创新课堂教学方法
本门课程涉及的知识点较多，学习起来有一定的困难，这就要求学生在学习过程中集中精力，理解各个系统、设备之间的联系。因此，除了传统的教师讲授的教学方法之外，还要探索新型的教学方式，形成师生互动。
应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[2]。在小班教学条件下，可选择部分教学内容进行“翻转课堂”式教学，如“M310主泵三级轴封流量控制原理”“稳压器自动降压系统先导式安全阀开启原理”等内容，让学生建立学习小组，提前布置学生学习、查阅相关资料，做成PPT，并在课上向班级其他同学进行讲授。这样的课程教学活动以学生为中心，让学生基于学习目标去主动学习、独立思考、发现问题并研究解决问题，学生还可以依据自己的兴趣和能力挖掘得更深，拓展得更广[3]。同时，教师在这一过程中需要注意加强引领，帮助学生解决自学过程中遇到的问题及难点，师生间形成一种快速有效的沟通和反馈，在讨论中提高学生的思辨能力。
现在的学生大多为00后，具有鲜明的时代特征，如果能掌握他们的沟通方式，无疑会拉近教师与学生的距离，有益于教学。课堂上适当地采用一些风趣幽默的语言，更有助于消除学生在课堂上的瞌睡感，让其更好地沉浸到课堂学习中。
尝试引入智慧教学工具，如“雨课堂”等新型工具，实现课堂上实时答题、弹幕互动，为传统课堂教学师生互动提供一种直接、高效的辅助沟通方式[4]。同时，可以将智慧教学工具与慕课等“互联网+教育”方式相结合，实现“课前—课上—课后”每一个教学环节全覆盖。
(三)多媒体手段、实物模型、VR相结合，提升课堂教学效果
为了强化核电厂系统与设备课程教学效果，增强学生对核电厂系统及重要设备的结构和工作原理的理解，核科学与工程学院专门建设了核电厂系统及重要设备模型教学实验室，如图1所示，其主要模型包括M310、AP1000堆芯及压力容器结构模型、安全壳结构模型、主泵模型、蒸汽发生器模型、一回路系统模型、二回路系统模型及控制棒驱动机构模型等，也包括课程中重点讲授的关键结构，如燃料组件(及剖视模型)、控制棒驱动机构结构、主泵轴封结构等。此外，学院建设了虚拟现实(VR)实验室，让学生能够深入核电站内部一探究竟。学生通过与核电厂系统及设备实物模型多方位的、立体性的学习，开阔了视野，活跃了思路。
在教学过程中，需充分发挥多媒体技术教学的优势，基于PowerPoint软件设计图文并茂、形象生动的多媒体教学课件、视频等，直观地展示核电厂中各部件结构、系统的组成与功能[5]，如“反应堆堆芯启动过程”“蒸汽发生器传热管穿管过程”“装换料过程”“CAP1400模块化施工”等，帮助学生对系统的动态运行过程等抽象知识进行直观介绍。同时，充分利用资源，获取核电站系统与设备的实物照片，将书本上的文字对照实物进行学习，让学生直观地看到实际的反应堆结构、部件等，从而让学生更好地理解、掌握各种核反应堆结构及设计、运行原理。
另外，要关注核能领域网站、微信公众号等各类渠道推送的相关信息、案例等[6]，将一些课堂上讲过、但很难亲眼见到的过程以视频的形式直观地搬进课堂，如中央电视台推出的《超级工程》《超级装备》等纪录片，均有重大核电工程、核电装备的相关介绍。将以上内容与课堂讲授相应章节有机结合，不但能够有效提升学生学习兴趣与注意力，还能够使学生快速掌握相关知识点，更能让学生在学习过程中直观感受到“核级”标准之高、要求之严，领略核电大工业之美。
(四)结合科研优势，拓展学生视野，引导学生思考
将科研融入教学，在教学过程中适当地对相关研究成果进行展示与引导，将这些最新研究成果融入教学内容，这一方面对学生深入掌握核电厂系统流程和运行原理大有裨益，另一方面也提高了课程的学术意义，有利于激发和提高学生科研方面的兴趣。例如，如图2所示，讲授AP1000非能动余热排出系统时，结合教师所承担的压水堆国家重大专项项目相关内容，给学生展示高速摄像机拍摄的非能动余热排出热交换器工作过程中的沸腾换热气泡生长、浮升过程，以及第1-3级自动降压系统在内置换料水箱中的冷凝过程等，让学生能够直观看到平时很难观察到的现象，加深学生对关键设备工作原理的理解。在讲授燃料格架设计时，给学生介绍格架搅混翼片的设计研究论文，让学生了解计算流体力学(CFD)方法与实验方法相结合的重要研究方法，让学生提前接触科研，这对学生规划学习、考研等有所帮助。
相关期刊推荐：《大学教育》(半月刊)创刊于2012年，是由广西教育学院主管、广西教育学院杂志社主办的综合性教育类学术期刊，旨在为高校学科建设、学术研究、教育理念和方法提供传播和相互交流的平台，促进高等教育事业蓬勃发展。
将核电当前高速发展形势与教学相融合，不定期地向学生介绍核能行业的最新进展，如AP1000核电站成功商运、“华龙一号”核电站建设情况等。利用课间时间对学生进行核科普，如播放连续举办了四届的“全国高校学生课外‘核+X’创意大赛”历年获奖作品等，对核技术应用、核医学、核能供热等方面进行科普性介绍，以拓宽学生的知识面。通过以上多种手段促使学生主动关注、跟踪当前核电行业的最新发展状况、热点，激发学生的学习兴趣;同时有机结合“课程思政”的相关要求，引导学生提前做好职业生涯规划，为我国核电事业的安全、高效发展贡献自己的力量。
(五)拓展校外实习基地，课堂内外有机结合
我校与中国核工业三大央企，即中核集团、中广核集团和国家电投集团建立了密切的合作关系，积极开拓校外实习基地，已与山东核电有限公司、江苏核电有限公司、秦山核电有限公司、中国核动力研究设计院、中国原子能科学研究院、国家电投集团科学技术研究院等国内知名核电企业及科研院所联合建立了学生课外实践基地(如图4所示)。
专业认知实习、校企联合学生工作站实习等能够使学生有机会直接见到核电站实景，核电厂的一线运维人员、培训教师给学生讲解核电厂系统设备的运行原理，学生甚至可以进入核岛厂房、汽轮机厂房等核电厂内部进行零距离学习参观，真正深入一线观察、感受核电人的工作、生活，把课本上的知识与实际电厂的系统与设备结合起来，从而达到全面深刻地掌握和理解课程知识的目的。
依托“华电大讲堂”等平台，我们邀请核能行业院士、知名专家、学者来做报告，内容涵盖“华龙一号”、钠冷快堆、先进核动力及应用等，这是对课本学习知识的有效补充和拓展，大大拓宽了学生的知识面。
以上课堂内外的有机结合，不但能够加深学生对核电厂系统与设备课程的理解，而且开拓了学生的视野，让他们提前接触企业、了解核电厂工作，为他们尽早规划将来的职业生涯打下很好的基础。
三、总结与展望
本文分析了核电厂系统与设备的课程特点，总结了学生学习该课程的三个层次，重点介绍了华北电力大学核科学与工程学院在本课程教学方面的改革和创新性尝试，具体措施包括：教材、慕课融合创新，完善课程体系;多媒体手段、实物模型、VR相结合，提升课堂教学效果;传统教学方法与新型教学方式相结合，创新课堂教学方法;结合科研优势，拓展学生视野，引导学生思考;拓展校外实习基地，邀请专家做报告，课堂内外有机结合等。以多种形式、多种方式激发学生的学习兴趣，让学生从知识层面、认知层面更好地掌握本课程知识，进而把握“结构+功能+设计理念”的逻辑脉络，真正具备理解核电厂主要系统与设备的基本工作原理和设计理念的能力。
同时，以上新手段、新方法的引入也对任课教师提出了更高的要求，结合教育部印发的《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》(教高函〔2018〕8号)，各高校应严抓本科教育，淘汰“水课”、打造“金课”。这要求任课教师投入更多的精力到教学中，且不断加强培训学习，定期研讨，跟上信息时代高速发展的节奏，这样才能打造更为丰富、高效、充实的本科教学课堂，把核电厂系统与设备这门课程打造成真正的“金课”。——论文作者：张钰浩吕雪峰李向宾牛风雷
