核反應堆物理分析課程教學改革研討

[摘 要]核反應堆物理分析是華北電力大學核科學與工程學院下設的核工程與核技術和核輻射防護與核安全兩個本科專業的專業課程。針對核工程與核技術和核輻射防護與核安全兩個本科專業的核反應堆物理分析課程的內容特點和教學實際，通過總結多年來的教學經驗，充分利用學校現有教學資源，因地制宜地對其課堂教學模式、教學方式和教學方法進行一系列改革與實踐，取得了良好的教學效果。

[關鍵詞]反應堆物理 教學實踐 教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）11-0172-02

核反應堆物理分析是華北電力大學核科學與工程學院下設的核工程與核技術和核輻射防護與核安全兩個本科專業的專業課程。核工程與核技術專業于2004年經教育部批準設立，并于2008年被教育部批準為第三批“國家特色專業”建設點，2010年成為國家首批“卓越工程師”計劃試點專業。核輻射防護與核安全專業于2013年經教育部批準設立。早在2011年，該課程就被華北電力大學教務處列為核工程與核技術專業的精品課程。該課程內容涉及反應堆物理的基本概念和反應堆物理分析的理論基礎及實現方法，基礎概念包括中子通量密度、微觀截面、宏觀截面、反應率、中子擴散、中子慢化、反應堆臨界等，基礎理論包括反應堆臨界理論、中子擴散理論、中子輸運理論等。該課程不僅是核工程與核技術人才必備的專業知識，同時也是反應堆屏蔽、反應堆材料等學科的基礎。

伴隨核電事業的發展，核電人才的需求也變得旺盛，在此大背景下，國內高校為滿足市場人才的需要，相繼開設了核工程專業課程。[1]華北電力大學核反應堆教學在原有的基礎上，通過引進國外教材，大力開展多媒體教學及學生實際能力培養建設，初步形成了自己的反應堆物理分析教學體系。[2]

一、優化教學內容，突出課程特點

核反應堆物理分析課程由于其專業性較強，很多地方都有繁雜的數學推導，通過嚴格的數學推導得出重要的結論，因此對學生的數學功底要求相對較強。當然，要想把學生培養成未來卓越的核電工程師，數學對他們來說不是最重要的，最重要的是通過理解得出的重要結論，進而理解反應堆的物理過程，核工程中的重要的物理現象，比如輕水堆中為什么要對中子進行慢化、輕水堆中的氙和釤中毒問題等。除此之外，反應堆物理分析的前后邏輯性很強，這就要求在組織授課材料時前后是連貫統一的，比如前面講完基本概念后接著講中子慢化和慢化能譜，這時候就要講清楚，慢化能譜在核工程設計中的作用是什么。講清這些問題以后下面才好講解擴散方程，多群理論等。每講一節課都要問一下自己，這節課的內容與前后內容的聯系是什么，這節課的內容對幫助學生學習核工程中的反應堆現象具有什么幫助。通過使用西安交通大學的新版教材《核反應堆物理》進一步優化了教學內容，突出了課程特點。另外，盡量創設小班教學環境和學習條件，注重調動全體學生的學習熱情和學習積極性，注重學生創新能力和實踐能力的培養，形成自主、開放、有活力的課堂教學氛圍。教學中不僅僅是教師單方面的講授和灌輸，而是師生互動，組建合作交流的學習小組，以期學生在學習、合作、交流、探討等諸方面有所收獲。

二、綜合運用各種教學手段和方法，做到優勢互補，提高課堂教學質量

現代社會是大信息的社會。大信息的時代也影響到了教學實踐。教學實踐表明，綜合運用各種教學手段和方法，可以做到優勢互補，是提高課堂教學質量的有效途徑。眾所周知，現代多媒體教學可以將多種信息融合到課堂中，能生動、形象、直觀、靈活的突出教師要講的內容。因此，為提高課堂教學質量和講課效率，必須設計和建立一套完善的多媒體課件教學系統。但是，在實際教學過程中也暴露出僅用多媒體教學的不足之處。據學生反映，多媒體畫面瞬息多變、一晃而過、翻頁太快，他們往往來不及思考，概念印象模糊，記憶膚淺，因此必須恰當使用多媒體課件。依據反應堆物理的特點，很多數學公式，重要的物理結論都來源于數學計算，數學推理必須進行板書，給學生一個理解和消化的過程。實踐證明，合理的板書加上合理的多媒體教學能起到更好的教學效果。

三、理論聯系實踐

核反應堆物理分析不僅是一個理論課，更重要的是它與工程實踐緊密聯系在一起。目前核工程中堆芯設計計算采用的計算方法就是求解中子擴散方程，這就是核反應堆物理分析的基礎內容，只不過是采用了先進的求解方法而已。為了讓學生能更深入的學懂核反應堆物理分析，我們針對課程教材還編制了專門的習題集，以供學生練習。除此之外，反應堆物理分析課程設計是真正的應用到了反應堆理論。核反應堆物理通過幾十年的發展，已形成了比較成熟的軟件，但由于核工程專業的敏感性，這些軟件大多都不公開。在這種情況下，我們還是選擇一些開源的軟件，讓學生有機會真正的應用軟件去解決工程實際問題，通過尋找參數，問題實踐，程序編程，結果分析等環節，讓學到的理論真正的與工程結合起來。

四、課程設計建設

伴隨中國核電的大規模發展，核電事業離不開專業的核電人才，而卓越的核電人才離不開核電教育及優秀的教材。因此，教材在整個教育環節中具有重要的地位。就反應堆物理分析教材而言，目前美國高校使用的反應堆物理分析教材如表1所示。從表1可見，美國核反應堆教材相對比較多，并且從難易程度來看，有的較難，適合科研工作者或者高年級學生使用;有的則相對比較簡單，適合初學者使用。總體來說，可供選擇的余地較大。相對國內而言，反應堆物理的教材較少，除了西安交通大學謝仲生、吳宏春等編寫的《反應堆物理分析》在本科教學中廣泛使用以外，其他的圖書，清華大學胡永明的《反應堆物理數值計算方法》，謝仲生和鄧力編著的《中子輸運理論數值計算方法》，杜書華的《輸運問題的計算機模擬》等更適合高年級學生或者研究人員使用。

表1 ? 美國部分高校反應堆物理分析教材列表

從教學平臺上講，美國的反應堆物理教學平臺比中國要好。主要原因如下：（1）反應堆物理計算是需要軟件的，美國經歷幾十年的核工業發展，形成了世界上最強大的核工程軟件，這些軟件一般都受許可證（Licence）限制。如果在美國讀書，學生可以申請這些軟件的許可證，目前的許可證是針對個人的，也就是說許可證只允許申請者個人使用，不允許擴散給其他人。作為學生，很多常用軟件，如NJOY，MCNP，SCALE等都是可以申請得到許可證的。這樣，學生就有機會在前人的基礎上進行學習和科研工作，能更快的進入科學研究中去。而這些在中國是無法實現的，即使大學教授去申請這些軟件，通常都很難申請得到許可證。（2）美國許多核工程強的學校，像麻省理工學院（MIT）、芝加哥大學（阿貢國家實驗室）、普渡大學等都有自己的反應堆，這些反應堆可供學生進行反應堆物理及其他實驗。

為解決上述問題，我們引進了清華大學發布的RMC（反應堆蒙卡）軟件以及加拿大蒙特利爾大學核工程系開發的反應堆模擬軟件DRAGON和DONJON程序給學生做課程設計之用，以提高學生利用核工程軟件解決實際問題能力和提高對課堂理論問題的認識深度。

五、總結

針對核反應堆物理分析課程特點，結合華北電力大學的具體教學情況和實驗室條件，因地制宜地開展該課程課堂教學模式、教學方式和教學方法的改革與實踐，有效地調動了學生的學習興趣，取得了良好的教學效果。同時，通過簡要對比中美反應堆物理教材和教學平臺發現了一些問題。第一，美國通過幾十年的努力，把核工業以前的研究成果，包括軟件等都保留了下來，這些都是重要的學習資料，可為后續培養卓越的核工程人才打下良好的基礎，這是值得我們學習和借鑒的，建議國內未來有更多的像RMC一樣的軟件。第二，建議國內應該有更多更好的反應堆物理教材，因為教材是學生學習的基本材料，好的教材可以起到事半功倍的效果。華北電力大學核學院立足高起點、高標準發展自己的人才培養體系，反應堆物理分析課程的建設也應該立足于高起點、高標準，建立國內一流、國際先進的教學科研平臺。

[ 注 釋 ]

[1] 葉濱，袁長迎，費小丹，等.《核反應堆物理分析》課程以實踐促進教學研討初探[J].課程教育研究，2012（9）：127-128.

[2] 馬續波，陳義學.核反應堆物理分析課程建設[J].華北電力大學學報（社會科學版），2011（S2）：266-267.

[責任編輯：鐘 嵐]