核輻射測量實驗教學改革的探索與實踐

劉燕 吳現成 許春萍 張美琴 楊坤杰

摘要：以《核輻射測量》實驗教學為例，初步研究了“以學生為中心”教與學在實驗教學中應用，從教學內容、教學方法以及考核方式等方面進行了探索與實踐。實踐表明：學生實驗成績在新的教學方法實施后有所提升，學生實際動手能力以及分析問題解決問題的能力有所增強。本工作希望對高校其他專業的實踐教學改革方面提供有用的參考。

關鍵詞：以學生為中心;實驗教學;教學方法;核輻射測量

0 引言

隨著深化本科教育教學改革的推進，強化實踐教學環節在高等教育中越來越受到重視。以核工程類專業為例，著力于培養具有創新精神和實踐能力的應用型本科人才[1]，強化實踐教學環節已經從實驗平臺的建設[2]逐步深入到實驗課程內容的優化[3，4]和教學方法的思考[5，6]，以至實驗成績的評定[7]。從教學理念來看，高等教育逐漸從“以教師為中心”向“以學生為中心”轉變[8，9]，更加注重以學生的需求出發、能夠接受實踐的檢驗。然而，雖然 “以學生為中心”的教學改革被普遍關注，卻仍處于探索階段，且多為課堂教學模式的變革，并未深入到實踐教學方面，尤其缺乏“以學生為中心”在實驗教學的教學實施過程的研究。

基于此，本工作將“以學生為中心”的教學理念拓展到高校的實驗教學中來，并以煙臺大學核工程與核技術專業的《核輻射測量》實驗為例進行研究，在分析近五年學生的實驗教學的基礎上，從教學內容、教學方法與教學手段、考核方式等方面對“以學生為中心”的教與學在實驗教學的應用進行了深入的實踐與探索。

1 “以學生為中心”的教與學在實驗教學的探索

簡而言之，“以學生為中心”的教與學，可以理解為以學生的學習成績為中心、以學生的學習需求為中心，本工作將這一教學理念深入《核輻射測量》實驗教學的各個環節，具體內容可概述為以下幾個方面：

1.1以學生需求為中心的實驗內容優化

隨著核科學技術在能源、航天、醫療、環境以及材料等領域的廣泛應用[10，11]，煙臺大學緊密圍繞國家、區域重大戰略需求，于2009年開始建設“核工程與核技術”專業，并于2011年招收該專業本科生，培養適應核物理學科的新發展、符合國家和山東省核事業發展要求的新型核物理人才，能從事核工程及核技術方面的研究、設計、制造、運行、應用和管理的工程技術人才，從而為我國核電技術的發展提供必要的人才輸出。在核工程與核技術專業《核輻射測量》的實驗教學中，其教學內容及培養目標主要基于兩個因素：

一方面，通過對國內核工程類高校涉及核輻射物理及探測技術課程的調研，了解到該課程主要講述各種核輻射探測器的基本結構、工作原理、主要特性及其應用，是核工程與核技術、輻射防護與環境工程等專業的主干課程之一。該類課程的教學內容因高校具體的實驗教學條件、人才培養目標不同而不同，如清華大學工程物理系的《核輻射物理及探測學》、華北電力大學的《核輻射物理基礎》[3]、復旦大學的《核輻射探測與測量方法》[12]、南華大學的《核輻射探測》[13]、西南科技大學的《核輻射物理與探測學》[14]、長沙環境保護職業技術學院的《核輻射探測技術》[15]，等。

另一方面，總結了近幾年畢業學生的從業領域，并結合國內其他高校畢業學生就業流向，確定以培養核能工程和輻射防護的應用型技術人才為目標逐步修訂學生的實驗內容：即在實驗內容上突出射線測量方法基本原理，培養學生應用核輻射測量方法解決科學和工程問題能力，即讓學生更了解探測器的性質以及性能、學到“如何分析時候壞了”，各種插件的使用以及插件的性能評價，根據實驗的需求自己搭建實驗裝置，且能考慮評估實驗條件的影響，而且能夠通過數據的處理發現問題、解決問題，等。

綜合考慮核工程與核技術專業人才培養的主要方向及其未來發展特色，煙臺大學將這一課程命名為《核輻射測量》，教授學生在γ射線測量方法、β射線測量方法、α射線測量方法、氡氣測量方法、中子測量方法、X射線測量方法以及核分析技術等方面的基本原理，并培養學生應用核輻射測量方法解決科學和工程問題能力。

該課程特別注重實踐性和應用性，實驗教學更是專業教學培養的重要環節。結合以上分析，該課程的實驗內容設置了六個實驗：放射性衰變漲落的統計規律、探測器坪曲線的測量、γ射線的吸收與物質吸收系數的測量、使用單道譜儀測量γ譜線實驗、NaI（Tl）閃爍探測器γ能譜的測量、穿過物質后γ能譜的變化。

1.2以學生學習為中心的實驗邏輯

《核輻射測量》實驗的開展在核電子學基礎實驗中心下設的核電子學與儀器綜合實驗室進行，主要儀器有多臺套NIM機箱（含單道、線性放大器、智能定標器等插件）、通用示波器、NaI（Tl）探測器、β/γ符合探頭、金硅面壘探測器、塑料閃爍探測器、多道分析儀等，開設的實驗及學時分配如表1所示。

其中，實驗一和實驗二為驗證性實驗，分別驗證放射性衰變漲落的統計規律和探測器的坪曲線，讓學生學習到核輻射探測類實驗的基本方法并熟悉實驗數據的處理、分析及展示方法;自實驗三開始難度有所增加，學生開始根據實驗目的自己搭設實驗設備，并且在實驗進行中綜合考慮放射源活度、定標器閾值與道寬、源距等影響因素;實驗四是經典的核輻射探測實驗，學生需要掌握單道的原理與使用的基礎上，通過示波器等設備調節出合適的探測器工作電壓、線性放大器參數，進而得到并分析137Cs放射源的γ能譜;實驗五為NaI（Tl）閃爍探測器γ能譜的測量，通過實驗觀測到完整的γ能譜，一方面學生可以深入了解γ譜線諸峰的形成并對能量分辨率有更直觀的了解，另一方面，實驗也要求學生對得到的能譜進行作圖處理，讓其更好掌握作圖的方法;實驗六是綜合性比較強的實驗，雖然在之前的實驗中學生已經對譜線有所認知并學到了作圖的方法，然而將穿過物質后γ能譜的變化展示到一張圖片上并描述其變化，在規定的學時內還是比較緊張的，此外需要與實驗三進行綜合分析并形成實驗報告。此外，傳統上核輻射探測類的實驗，如金硅面壘探測器的使用、符合與反符合實驗，考慮課程教學體系及學時安排等因素被安排在《核電子學》實驗中。

1.3以學生學習效果為中心的實驗進行

在《核輻射測量》的實驗教學中突出學生的學習效果，提高學生發現問題、解決問題的能力，所以在實驗環節、考核方式方面進行了細分，并對實驗記錄提出了具體的要求，這一方面的探索主要體現在兩個方面：

（一）. 實驗指導書方面的改進：

1）. 考慮到學生實驗的循序漸進過程，在開始的兩個實驗會提供實驗數據的表格，后面的實驗則引導學生根據實驗需要觀測與記錄的物理量自己規劃表格，同樣的，開始提供的實驗步驟詳細一些，后面的實驗則需要學生根據實驗目標設計實驗步驟;

2）. 在實驗要求的描述上考慮學生的感受，比如2011級的講義中要求“實驗前一定要預習實驗，并提前將實驗預習報告寫好”，2013級以后更改為“為便于實驗順利開展，需在課前預習實驗，并提前將實驗預習報告寫好”;

3）. 每個實驗后面設置一些啟發性的思考題，如實驗四單道的使用方面，設置了“有沒有其他的方法才實現本實驗？”這一個思考題，讓學生根據已有的《核電子學》和《核輻射測量》知識進行思考。

此外，實驗講義的各個細節上，逐漸處處體現出 “以學生為中心”，如在講義“實驗要求”中會一些通俗的說明，將實驗預習本、實驗報告、實驗記錄等問題一一交代清楚。

（二）. 實驗分組形式方面的教學改革

1）. 每個實驗組人數不超過3人，這樣可以有效減少學生實驗過程中不動手、只參觀的現象，而且，三個學生更有利于實驗過程的分工與配合，一般情況下在實驗條件調試好之后，一人操作、一人記錄、一人進行數據的處理;

2）. 實驗過程的精細化，將每個實驗調整為4組實驗，這樣指導老師指導一個實驗不超過12個人，會更好的掌握和考核學生的實驗狀態，在預習報告的查看與提問環節方面會更加有效;

3）. 值得一提的是，指導老師在實驗開始前可以大致瀏覽一遍上一次的實驗報告，對學生實驗報告中出現的明顯問題及時與學生進行當面溝通。

1.4突出教師指導的實驗要求和考核方式

（一）. 《核輻射測量》實驗的具體要求

學生在整個實驗環節，除了需要學習實驗說明書、相關操作及實驗室安全規范，并按照指導老師的要求開展以及填寫實驗記錄等等之外，還需要做的以下幾點：

1）. 需在課前預習實驗，并提前將實驗預習報告寫好，在實驗儀器預熱的過程中，溫習實驗目的，核實實驗內容，確定待觀測物理量;

2）. 實驗記錄均需記錄在實驗預習報告本上，為驗證實驗完成程度，實驗結束后，須由老師簽字確認實驗數據，方可關閉實驗儀器，進而離開實驗室;

3）. 實驗結束在接下來的實驗時，需要提交剛結束實驗的實驗報告。

（二）. 《核輻射測量》實驗的考核方式

不同于以往的三七開的實驗成績方式，學生的實驗成績一開始就實行分段的方式，由三部分構成（實驗成績為百分制）：

1）. 預習情況（25）：其中包括預習報告（10）和回答問題（15），前者主要考評學生對實驗目的、原理的掌握以及對實驗步驟的思考，后者則在實驗預熱的同時展開，指導老師對實驗原理或實驗時的具體問題的進行現場提問，以加深學生對實驗的理解;

2）. 實驗操作（45）：其低層次的目的是考核學生實驗態度和紀律、驗證實驗操作的規范性，關鍵是對學生分析問題和解決問題的能力以及實驗配合與合作情況進行考核，不斷挖掘學生的實驗潛力;

3）. 實驗報告（30）：一份良好的實驗報告應該是實驗敘述簡潔明了、過程描述合理清晰、數據處理科學準確、分析和討論合理深入。一方面，指導老師在編輯實驗指導材料的時候對實驗報告提出具體的要求;另一方面，指導老師在每個實驗后面都設計關于實驗影響因素或者實驗現實應用之類的思考題。這樣，可以指引學生將實驗結果與理論預期進行比較，對實驗中觀測到的現象和實驗結果進行合理的解釋，分析和造成實驗誤差的原因并對實驗提出自己的見解和建議。

2 近幾年實驗成績分析

煙臺大學自2011年招收第一屆核工程與核技術本科生，已經有五屆學生修讀過核輻射測量這一門專業基礎課程，自2013年開始逐步探索“以學生為中心”的教學改革，參加實驗的人數與平均成績如表2所示。

從表中可以看出，自2012級學生開始，每年大約有80名學生參加《核輻射測量》課程的實驗教學，學生實驗成績大致在80分左右，尤以最近的2014級學生平均成績最高。另外，實驗成績隨分數區段的分布情況也是很重要的分析方法，近五年核輻射測量實驗課程的成績分段情況如圖1所示，圖中橫坐標為分數區間，縱坐標為不同分數區間的學生人數占比。

對比2011級和2012級的學生實驗成績，學生人數由52人變為78人，學生的不及格率有了明顯的提升，70分以下學生的比例大致從15%升高到46%，80分以上的學生比例由56%左右降低至46%。在此過程中，在綜合考慮了影響實驗成績以及學生實驗教學效果后，對2013級和2014級的學生實驗教學做了一些改革，在實驗講義以及實驗分組方面進行了一些改革，如上文所述。

從圖2可以看出，嘗試教法改革后的2013級及以后的學生實驗成績有明顯的變化，不及格率以及70分以下的情況有了明顯的減少，優秀率有了明顯的提升。目前，2015級學生已經進入大四環節，對之前的四屆學生（2011級-2014級）實驗成績中優秀率、80分以上（即良好以上）占比以及考研率進行簡單對比，如圖2所示。從圖中可以看出，雖然2011級-2013級學生核輻射測量實驗成績優秀率有一些波動，但其良好及以上的比率一直有所提升。值得注意的是，這四屆學生的考研率一直在穩步提升，眾所周知，核工程類專業不僅厚基礎而且重實踐，從某些角度上講考研率的上升的趨勢也反映出學生對核工程與核技術專業核心課程的把握水平，一定程度上也反映出《核輻射測量》實驗教學探索的成效。

3 結語

本工作將“以學生為中心”的教學理念深入高校實驗教學中，具體的工作可以總結為以下幾個方面：

1）. 以煙臺大學核工程與核技術專業《核輻射測量》的實驗教學為例，探索了“以學生為中心”在高校實驗教學的教學方法改革，從教學內容、教學方法、教學手段及考核方式方面進行了改進與探索;

2）. 通過論述了近四年2011級-2014級學生該課程實驗內容設置、實驗要求、考核方式以及實驗講義方面的一些改進;

3）. 從近幾年學生《核輻射測量》實驗成績來看，改進新的教學方法后，提升了學生的實驗教學效果，學生興趣明顯高漲，不僅促進了學生課堂教學的理論知識的理解，而且為本專業在今后的工作、科研工作中實驗方面打下了基礎，提升了學生發現問題以及解決問題的能力。

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作者簡介：第一作者：劉燕（1980-），女，山東聊城，碩士，講師，煙臺大學核裝備與核工程學院，主要從事核技術應用領域研究。

通信作者：楊坤杰（1983-），男，山東諸城，博士，副教授，煙臺大學核裝備與核工程學院，主要從事核技術應用領域研究。

基金項目：煙臺大學教學改革項目（“核輻射測量實驗教學的研究與實踐”，C052）;煙臺大學教學改革項目（基于OBE的《核輻射測量》課程教學模式改革與實踐，jyxm2020013）;煙臺大學第三批在線課程建設“核輻射測量”。