基于校企共建DCS系統(tǒng)的核工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐

趙媛媛　張斌　吳宏春

［摘 要］深入推進(jìn)產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人、產(chǎn)教融合，是解決高校和企業(yè)人才輸出與人才需求脫節(jié)問題的重要途徑，也是高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制的重要方式，更是提高復(fù)合型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑。文章結(jié)合西安交通大學(xué)核能與廣核共建DCS開放實(shí)驗(yàn)室協(xié)同育人實(shí)踐基地，提出基于校企合作、協(xié)同育人的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及培養(yǎng)方案，其實(shí)踐取得了良好的成效。

［關(guān)鍵詞］協(xié)同育人；核能；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

［中圖分類號(hào)］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2022）09-0213-04

2017年12月5日，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見》（以下簡(jiǎn)稱《意見》）。《意見》提出要逐步提高行業(yè)企業(yè)參與辦學(xué)程度，健全多元化辦學(xué)體制，全面推行校企協(xié)同育人，用10年左右時(shí)間，形成教育和產(chǎn)業(yè)統(tǒng)籌融合、良性互動(dòng)的發(fā)展格局，完善健全需求導(dǎo)向的人才培養(yǎng)模式，基本解決人才教育供給與產(chǎn)業(yè)需求重大結(jié)構(gòu)性矛盾 [1]。黨的十九大明確提出“深化產(chǎn)教融合、校企合作”的要求，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)關(guān)鍵是強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，搭建好校企共建開放實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，從而達(dá)到實(shí)踐育人、協(xié)同育人的目的。企業(yè)和高校深化產(chǎn)教融合和校企合作，充分利用企業(yè)實(shí)踐基地自身優(yōu)勢(shì)與高校教師智力資源，圍繞產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)、核心工藝和共性問題開展協(xié)同創(chuàng)新，探索企業(yè)與高校資源共享、利益共贏的機(jī)制，加快推動(dòng)基礎(chǔ)研究成果向產(chǎn)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化[2]。

實(shí)踐教學(xué)對(duì)于學(xué)生技能的培養(yǎng)、知識(shí)的獲取、能力的形成與發(fā)展起著重要的作用。因此，在安排理論教學(xué)的同時(shí)，必須加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，使理論與實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生所掌握的知識(shí)向?qū)嵺`能力方面轉(zhuǎn)化。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的安排，必須有利于開發(fā)學(xué)生的智力、培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的能力。

大力發(fā)展核科學(xué)技術(shù)研究、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是我國(guó)國(guó)防安全和能源經(jīng)濟(jì)的重大需求。由于核工程專業(yè)的特殊性，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)非常昂貴，且安全性要求極高，所以目前我國(guó)大部分院校沒有涉核實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，導(dǎo)致核工程專業(yè)的人才培養(yǎng)在感性認(rèn)知方面存在明顯不足。

由于涉核實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的嚴(yán)重短缺，許多高校不得不把學(xué)生派到核電廠或核工程研究設(shè)計(jì)院進(jìn)行實(shí)習(xí)。但核設(shè)施的操作有非常嚴(yán)格的安全要求，學(xué)生基本不能參與操作，只能參觀或聽現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，這雖然能起到一定的彌補(bǔ)作用，但猶如“隔靴搔癢”，無法系統(tǒng)建立起學(xué)生對(duì)核工程專業(yè)的感性認(rèn)知。隨著第四次信息工業(yè)革命的到來，虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展給虛擬仿真實(shí)驗(yàn)帶來了契機(jī)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)雖然尚不能完全替代實(shí)際工程實(shí)驗(yàn)，但幾乎可以模擬所有的工程現(xiàn)象，而且還可以進(jìn)行實(shí)際工程實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)幫助學(xué)生建立起感性認(rèn)知體系有很大的幫助。所以，近年來很多高校開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，通過開展虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生揭示并掌握“核”的機(jī)理和規(guī)律[3]。但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如何建設(shè)、如何實(shí)驗(yàn)，才能使得“虛擬”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)真正做到“仿真”，仍然是個(gè)值得探索的問題。

近年來，由于校企合作不夠緊密，高校培養(yǎng)的人才無法完全滿足企業(yè)對(duì)人才的要求，人才培養(yǎng)模式和人才輸出質(zhì)量滯后于行業(yè)新技術(shù)的發(fā)展[4]。企業(yè)為了解決這一問題，往往不得不投入大量的精力對(duì)新招員工進(jìn)行崗前培訓(xùn)，以彌補(bǔ)其在高校所學(xué)知識(shí)的嚴(yán)重不足。因此，加強(qiáng)校企協(xié)同，與在校大學(xué)生共同完成實(shí)踐性教育也是企業(yè)的最大期待。

基于此，西安交通大學(xué)與中廣核集團(tuán)深度合作，依托西安交通大學(xué)核電廠與火電廠系統(tǒng)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，共同搭建了核電廠反應(yīng)堆真實(shí)使用的DCS系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)開發(fā)了一系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在感性認(rèn)知培養(yǎng)和實(shí)踐能力提升方面取得了良好效果。

一、校企共建DCS系統(tǒng)

西安交通大學(xué)在核工程專業(yè)人才培養(yǎng)方面一直享有盛譽(yù)，中廣核集團(tuán)作為國(guó)際一流的核能集團(tuán)，是全球領(lǐng)先的核能供應(yīng)商與服務(wù)商，曾成功建設(shè)大亞灣核電站，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大型商用核電站的空白，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)大型商用核電站的起步。

核電廠DCS系統(tǒng)由中廣核核電運(yùn)營(yíng)公司培訓(xùn)中心開發(fā)，利用CPR1000核電站機(jī)組真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，逼真模擬核電站的系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行、調(diào)節(jié)和控制過程。它可以幫助學(xué)生了解核電站原理、進(jìn)行人機(jī)界面真實(shí)體驗(yàn)以及掌握運(yùn)行調(diào)節(jié)控制技能，如進(jìn)行機(jī)組沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、達(dá)臨界、正常啟停等實(shí)操培訓(xùn)。該系統(tǒng)還能模擬事故場(chǎng)景工況，可以幫助學(xué)生直觀了解事故場(chǎng)景基本原理，進(jìn)行重要參數(shù)的趨勢(shì)觀察和分析、相關(guān)人機(jī)界面實(shí)操。圖1和圖2分別是該系統(tǒng)的功能特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置圖。

核電廠DCS系統(tǒng)可同時(shí)進(jìn)行核電廠正常啟停和典型事故實(shí)操，正常啟停過程工況場(chǎng)景要求見表1和圖3，典型事故工況包括一回路小破口、蒸汽發(fā)生器傳熱管破口、一回路小破口疊加蒸汽發(fā)生器傳熱管破口、手動(dòng)停堆、手動(dòng)停機(jī)等，具有雙操作員對(duì)同一操作的處理功能，真實(shí)地反映反應(yīng)堆控制的操作流程。在模擬機(jī)組正常啟停方面，能夠進(jìn)行包括CPR1000核電站從反應(yīng)堆熱停堆至汽輪機(jī)滿功率運(yùn)行的操作過程；在事故和故障方面，能夠模擬跳機(jī)不跳堆、反應(yīng)堆跳堆、主泵跳閘、主給水泵跳閘等事故和故障；在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方面，能夠維持在汽輪機(jī)滿功率負(fù)荷運(yùn)行、低負(fù)荷運(yùn)行、機(jī)組熱停堆等穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；在加速模擬方面，能夠進(jìn)行系統(tǒng)局部加速，包括一回路溫度加速等功能。

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學(xué)生利用DCS系統(tǒng)，可了解核電站原理、進(jìn)行人機(jī)界面真實(shí)體驗(yàn)以及掌握運(yùn)行調(diào)節(jié)控制技能，如進(jìn)行機(jī)組沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、臨界、正常啟停等實(shí)操訓(xùn)練，對(duì)提升學(xué)生對(duì)核反應(yīng)堆的系統(tǒng)認(rèn)知、鞏固所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)具有重要意義。

2018年，西安交通大學(xué)和中廣核集團(tuán)以共建合作基地為契機(jī)，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)深度融合，在西安交通大學(xué)核電廠與火電廠系統(tǒng)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成功建成了DCS系統(tǒng)。

中廣核集團(tuán)負(fù)責(zé)提供軟件和硬件、CPR1000核電站機(jī)組真實(shí)數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)安裝調(diào)試，以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的培訓(xùn)。西安交通大學(xué)負(fù)責(zé)提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師、實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施和日常系統(tǒng)維護(hù)。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案制訂的指導(dǎo)思想如下：

一是利用DCS系統(tǒng)是核反應(yīng)堆系統(tǒng)性控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，打破課程設(shè)置壁壘，多課程融合，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性和綜合性。

二是根據(jù)DCS系統(tǒng)功能，針對(duì)CPR1000核電站機(jī)組，設(shè)計(jì)成必修實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和自主實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性和靈活性。

三是引入企業(yè)開發(fā)人員和校內(nèi)指導(dǎo)教師共同指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，使理論指導(dǎo)實(shí)踐、實(shí)踐提升理論，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的理論性和工程性。

根據(jù)上述思想，設(shè)置的實(shí)驗(yàn)見表2。

三、初步成效

通過2年的探索與實(shí)踐，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得了如下初步成效。

首先，通過這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了抽象的核電站重要控制、堆臨界、機(jī)組啟動(dòng)、重大故障及事故處理，加深了對(duì)核電站控制的理解，身臨其境地體驗(yàn)了反應(yīng)堆達(dá)臨界、機(jī)組從達(dá)臨界至滿功率運(yùn)行的全過程，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，也為將來更深入的專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

其次，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，形成了“以賽促教、以賽促學(xué)”模式，組織學(xué)生參加全國(guó)“核+X”等多項(xiàng)專業(yè)大賽并獲獎(jiǎng)。基于核電廠DCS系統(tǒng)完成的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目見表3。

最后，通過這些實(shí)驗(yàn)，各用人單位反饋學(xué)生對(duì)核電廠的認(rèn)識(shí)更深刻，核電廠相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)更扎實(shí)，入職后上手更快，思路更為清晰。

四、結(jié)論

校企協(xié)同育人已基本達(dá)成共識(shí)，但如何具體實(shí)施尚是一個(gè)值得探索的問題。本文以共建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為出發(fā)點(diǎn)，通過深度融合共同設(shè)計(jì)、建造、完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，一方面可以幫助高校改善實(shí)驗(yàn)室軟硬件條件，優(yōu)化和完善實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力；另一方面可以幫助企業(yè)提升人才的崗位勝任力，實(shí)現(xiàn)了校企雙贏，同時(shí)對(duì)學(xué)生的理論知識(shí)鞏固、實(shí)踐知識(shí)提升、動(dòng)手能力培養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)養(yǎng)成具有重要意義，對(duì)校企協(xié)同育人模式探索提供了有益借鑒。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 本刊綜合報(bào)道.圖解：關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見 [J].中國(guó)科技產(chǎn)業(yè)，2018（2）：68-69.

[2] 教育部等四部門關(guān)于公布首批全國(guó)職業(yè)教育教師企業(yè)實(shí)踐基地名單的通知（教師函〔2019〕9號(hào)）[Z].2019.

[3] 吳宏春，張斌，李云召，等 .培養(yǎng)核工程人才實(shí)踐能力的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探索 [J].高等工程教育研究，2019（S1）：211-214.

[4] 李橋，梁華，李明媚.軟件工程專業(yè)校企協(xié)同育人機(jī)制的探索與研究[J].教育現(xiàn)代化，2019（97）：3-5.

［責(zé)任編輯：劉鳳華］