開放式實驗在“核工程虛擬仿真實驗”課程教學中的應用初探

孫覬琳，成守宇，薛若軍，張博文，彭敏俊

（哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

“核工程虛擬仿真實驗”課程是一門以虛擬操作核電站機組為基礎，通過運行方案對比、不同擾動或故障工況下的參數(shù)響應展示、完整進行核電站機組停閉的操作過程，實現(xiàn)綜合應用核工程與核技術專業(yè)全部專業(yè)課程進行實驗與分析的目的。課程的設立與實踐實現(xiàn)了課堂與書本中的講授內(nèi)容立體化、不同課程間的遞進關系結構化、專業(yè)課程培養(yǎng)體系總體化的目標。但隨著時間的推進與新工科教育理念的深入，課程中出現(xiàn)了一些需要優(yōu)化的方向。為了使實驗更加契合新工科的培養(yǎng)模式，實現(xiàn)多級課堂聯(lián)動、學習實踐結合、面向工業(yè)界的工程人才培養(yǎng)目的，充分調(diào)動學生自主學習、創(chuàng)新學習、融會學習的能力，以學生為課堂主體、實驗結果為成果導向，結合虛擬仿真實驗安全、準確、可重復的特點，提出了“核工程虛擬仿真實驗”開放式實驗方案與改革測試。

1 傳統(tǒng)實驗教學中的問題

當前的核工程虛擬仿真實驗教學中，盡管取得了良好的施行效果、評價反饋好，但對于新工科理念的契合上仍有一定不足。總結地講，目前的實驗與新工科理念的偏差有以下幾點。

1.1 課堂學生主體地位不突出

在目前的實驗課程中，采用三元角色布置的課堂，講解教師負責講解實驗的步驟、操作的原理、應用的知識、現(xiàn)象的解釋；演示教師負責執(zhí)行講解教師的步驟，為學生做出示范操作；學生則一面聽著講解教師的描述與分析，一面跟隨演示教師的操作進行實驗。在課程實踐應用以來，三元角色的課堂取得了一定的效果，學生對知識的綜合理解與運用得到了一定程度的鍛煉。但是該模式的弊端也逐漸顯現(xiàn)，且缺點放大較為明顯，具體如下：

（1）相關操作步驟多、速度快，講解教師與學生跟不上演示教師的速度。在擾動響應分析、核電站停止實驗中，演示教師的部分操作需要快速、連續(xù)進行，而講解教師則難以短時間內(nèi)講述清楚應用的知識、操作的重點以及響應的分析。學生則面臨兩難：跟隨演示教師的操作，則會忽略相關講解，聽從講解教師的講解又跟不上操作，導致實驗未能取得預期效果。

（2）課堂由教師主導，學生難以獨立思考并實踐。教師主導的課堂中，學生的思維跟隨教師的思維前進，出現(xiàn)隱形的思維定勢，難以進行自主獨立的思考與實踐。教師的主導在一定程度上限制了學生的思維發(fā)散，導致缺乏創(chuàng)新。

1.2 學生對實驗難易程度的心理預期有偏差

“核工程虛擬仿真實驗”課程不同于專業(yè)課程實驗，不是學習新的理論知識，而是將已學習過的全部理論課程進行綜合、匯總并應用。由此導致學生接觸本實驗課程之前，視本實驗為簡單的實驗，預期難度較低。在課堂教學中，課題組發(fā)現(xiàn)學生對實驗難易程度的心理預期對于實驗的影響有以下幾點：

（1）實驗準備不充分、預習效果差。由于學生對實驗難易程度預估錯誤，導致預習不認真、思考不深刻，對應該掌握的知識沒有進行有效復習，導致預習沒有起到深化知識印象的效果。學生在翻閱實驗指導書時，僅僅觀看了實驗步驟和實驗要求，并沒有充分、深入的進行思考與分析。這一原因直接導致了學生課堂上聽不懂、跟不上、做不完、難分析。

（2）實驗課堂手忙腳亂，機械跟隨。由于學生在準備不充分、注意力較分散的情況下開始實驗，而實驗中很多操作的深度是遞進的，當前的教學中對失敗的同學給出的補做機會又較少，導致學生每進行一步步驟都要與周圍同學確認，大量的時間花費在研究實驗步驟上，機械跟隨演示教師的操作，有意無意忽略了講解教師的理論講解與分析，缺乏自我思考、創(chuàng)新發(fā)揮、鉆研實踐的環(huán)境。

（3）實驗報告同質(zhì)化嚴重，分析缺乏深度。學生在課堂上難以得到有效理論講解，導致難以從理論上分析實驗現(xiàn)象，只能照搬指導書中的描述，參考其他同學的分析。這樣一來，作為評分標準之一的實驗報告同質(zhì)化嚴重，難以區(qū)分學生實驗的效果，也無從知曉學生內(nèi)心的想法是否得到了驗證。

1.3 缺乏綜合性創(chuàng)新與實踐的機會

“核工程虛擬仿真實驗”課程的主要教學目的，除了深化學生的理論知識、進行活學活用外，還需要激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，基于實驗器材進行創(chuàng)新并實踐。但在實際教學過程中，能夠提出新想法、新創(chuàng)意的學生較少，大部分學生進行現(xiàn)象分析后結束實驗報告，不再繼續(xù)深入發(fā)掘。其主要原因有以下兩點：

（1）學時緊張，學生缺乏創(chuàng)新與實踐的時間。在“核工程虛擬仿真實驗”課程需要具體需要操作的實驗環(huán)節(jié)中，運行方案分析實驗占4～6 個學時，事故擾動分析與核電站停止實驗各占8 個學時。以運行方案分析實驗為例，在目前的實驗教學中，在最長6 個學時內(nèi)，學生需要完成三種運行方案的功率變化分析及對比，學時分配剛好能夠完成講解、演示和操作任務，缺乏進行深入思考、分析與驗證的時間。

（2）課堂講解過多，學生接受緩慢，缺乏創(chuàng)新與實踐的主觀能動性。由于學生的主體地位不突出、對實驗難度預期錯誤，導致課堂上需要大量被動接受很多知識點，隨著實驗進行，部分學生出現(xiàn)疲倦、懈怠心理，懶得思考，不想去深入研究，而是以完成課程任務為目的進行實驗分析與總結，喪失了創(chuàng)新創(chuàng)意的主觀能動性，也使得課堂環(huán)境逐漸偏離了實驗設立的初衷。

2 “核工程虛擬仿真實驗”課程的開放式實驗改革

開放式實驗是培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力的重要教學方式，而自主創(chuàng)新、成果主導是教育部“新工科”理念的核心思想，需要強化學生對實際工程項目的認知，針對所學專業(yè)內(nèi)容、核電實際形勢，進行有針對性的、專業(yè)性的創(chuàng)新。針對當前“核工程虛擬仿真實驗”課程與新工科理念的偏差點，結合目前課程中教師與學生的相關信息反饋，課題組教師決定在實驗中引入開放性實驗，對原有教學體系進行改革，以實現(xiàn)成果主導、學生為主、結合實踐、創(chuàng)新發(fā)散的改革目標，強化學生所學的專業(yè)知識、激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，采取的主要措施有以下幾點。

2.1 任務驅(qū)動式實驗課程設計

任務驅(qū)動式教學以成果為導向，是使實驗課程更加契合新工科理念的主要教學方法之一。課題組以需要具體操作步驟最多、應用知識最廣、響應與分析最為復雜的核電站停止實驗為案例，進行了任務驅(qū)動式實驗課程設計。任務驅(qū)動式的教學改革有以下特點：

（1）將理論知識的學習由課上轉(zhuǎn)為課下，引導學生自學。開放式實驗的過程不在課堂中進行，而是學生自行選擇時間準備實驗。課堂的主要內(nèi)容為研討、分析、匯報與總結，因此不再依靠目前的三元角色模式進行。理論知識由學生通過教師的引導進行自學，以便充分認知實驗難度并準備實驗。這樣能夠順利進行實驗，同時發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新的空間，徹底扭轉(zhuǎn)被動學習的缺點。

（2）完成實驗任務為導向，自行設計實驗步驟。改革后的實驗課程，教師負責發(fā)布任務（實驗目的），而實現(xiàn)任務的方法則由學生自行制定。通過設計實驗步驟、制定實驗方法，無形中讓學生復習、運用了專業(yè)理論知識，實現(xiàn)學生為主、成果引領的教學目的。

（3）實驗結果可以不同，但現(xiàn)象必須準確分析。由于制定的方案不同，結果必然不同。因此，改革后的實驗不再拘泥于實驗結果本身，而是要求準確分析實驗現(xiàn)象。通過分析實驗現(xiàn)象，一方面深化了所學知識并靈活運用，另一方面引入了較大的創(chuàng)新發(fā)散空間，學生能夠通過分析提出一些創(chuàng)新性的想法。

2.2 人機界面優(yōu)化

目前的實驗器材基于核電站全范圍培訓模擬器改造，是科研成果應用于教學的轉(zhuǎn)化體。通過先進的科研成果，能夠起到良好的作用。但科研成果主要面向工程技術人員與已有基礎的研究者，對于學生而言難度偏大。為了保證實驗課程質(zhì)量，課題組對原有實驗器材的人機界面進行了優(yōu)化改造，具體體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）刪減了大量沒有操作的監(jiān)控、輔助系統(tǒng)，合并了常用操作的界面。以一回路界面為例，原實驗器材中有三十余篇畫面，學生難以記憶與準確尋找。合并后，設立一回路總貌圖1 幅；主冷卻劑系統(tǒng)、設備冷卻水控制系統(tǒng)、化容控制系等子系統(tǒng)9 幅。匯總后的總貌圖如圖1所示。

圖1 匯總后的一回路系統(tǒng)總貌圖畫面

（2）增設幫助頁面。由于實驗改革為開放性實驗，因此必須在必要時以明確的方式提醒學生需要的操作。由于實驗的開放性，該部分工作難以依靠教師完成。因此，課題組在相關操作畫面上添加了幫助提示，以指導學生自主進行實驗。汽輪機組操作畫面的幫助提示如圖2所示。

圖2 增加提示后的汽輪機組操作畫面

2.3 增設創(chuàng)新創(chuàng)意實驗與驗證環(huán)節(jié)

虛擬仿真實驗最大的特點就是安全，因此學生所有的創(chuàng)新想法和嘗試都是允許的，全部實驗過程和環(huán)節(jié)都是向?qū)W生開放的。教師僅需要在點評環(huán)節(jié)指出實際過程中的危險因素，以及學生的想法是否合理可行。由于整體實驗實行任務驅(qū)動、開放式實驗，為了進一步挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力、使學生對知識的理解更加深入，課題組在實驗課程中設立了創(chuàng)新創(chuàng)意實驗與驗證環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)通過如下方式進行：

（1）在全部實驗完成后，設立研討課，基于學生在實驗準備環(huán)節(jié)、實驗環(huán)節(jié)、結果分析環(huán)節(jié)中存在的疑問進行解答與評論，對學生仍然存有疑惑的步驟，或?qū)W生提出的新想法進行鼓勵與支持，指導學生在指定時間內(nèi)到達實驗室進行多次實驗驗證，并對相關想法的合理性、可行性與理論依據(jù)向?qū)W生進行講解。

（2）在課程評價體系中對創(chuàng)新性問題的提出與解決方案優(yōu)秀的學生進行適當激勵。實驗內(nèi)容以任務驅(qū)動，則創(chuàng)新內(nèi)容也需要有相關激勵導向。對于能夠提出有意義問題并指定合理可行研究方案的學生，應當予以評價獎勵；對于未能提出創(chuàng)新性問題的學生，應當予以引導；當學生的創(chuàng)新方案十分優(yōu)秀，在實驗器材改良中應用時，在實驗器材封面畫面、實驗指導書中表明學生的名字及貢獻。以名譽獎勵、激勵的辦法，鼓勵學生提出創(chuàng)新想法并制定解決方案。

3 結論

通過任務驅(qū)動式的實驗課程設計、帶有幫助提示的人機交互界面，能夠充分調(diào)動學生的自主能動性，實現(xiàn)自我學習、自我實驗、自我分析、自我總結的開放式實驗目的。將傳統(tǒng)的課上講解與演示，改革為學生自行制定實驗方案與步驟，教師隨時指導的模式，能夠讓學生成為課堂的主角與引領者，并對實驗的難易程度、應用的理論知識有明確的認識，課堂不再成為填鴨式的教學場所，而是由學生主導、教師輔助的自主學習新課堂，更加契合新工科建設的思想與目的。“核工程虛擬仿真實驗”課程最大的優(yōu)勢是安全性與直觀性，通過增設創(chuàng)新創(chuàng)意實驗與驗證環(huán)節(jié)，能夠讓學生有時間、有機會、有環(huán)境提出自己的想法與思路，并通過實驗器材自行進行驗證與分析，能夠最大程度利用虛擬仿真實驗的特點。改革后的“核工程虛擬仿真實驗”課程，能夠加強學生對各專業(yè)課程理論知識的掌握，充分發(fā)揮學生的自主創(chuàng)新能力，深入學習與日后工作打下堅實的基礎。