新工科背景下留學生專業課程改革
——以“高等反應堆物理”課程為例

郝 琛，劉光皓，崔 媛

（哈爾濱工程大學，黑龍江哈爾濱 150001）

2017 年國家率先提出新工科建設的發展命題，明確指出新工科建設需要借鑒國際經驗加強國際合作[1]。一年后，教育部再次強調加強國際交流與合作，通過“絲綢之路”中國政府獎學金支持新工科領域來華留學人才培養，為沿線國家培養行業領軍人才和優秀技能人才[2]。加強與“一帶一路”國家留學生交流是新工科背景下實現更好發展的重要途徑。“十四五”期間，推動共建“一帶一路”高質量發展，架設文明互學互鑒橋梁[3]，不斷推進各個學科主干專業課程的改革升級，做好留學生來華教育工作，提升留學生的綜合素質具有重要意義。哈爾濱工程大學以“三海一核”為辦學特色，核學科創建于1958 年“哈軍工”時期，具有深厚的科研底蘊及紅色傳承，為我國核工業培養了大批技術骨干。“高等反應堆物理”是核學科的一門專業必修課程，主要面向留學生以及中國博士研究生開設。課程從核反應堆設計及性能評估中重要的基本物理和工程概念出發，推導核反應堆堆芯物理研究的數學模型，講授中子輸運數學模型的不同簡化模式及相關數學技術在實際堆芯分析中的應用方法。為支持“一帶一路”沿線新興核能國家，培養核領域符合新工科要求、專業知識堅實且具有國際視野的高層次技術及管理人才，需要不斷創新教學模式，探索與實踐教學過程化管理。

一、“高等反應堆物理”課程改革分析

（一）國內外“高等反應堆物理”課程現狀分析

根據對清華大學、密歇根大學等國內外核能領域先進高校調研結果，可以發現此類高校在課程設置及考核方式方面有以下優勢，值得“高等反應堆物理”課程改革借鑒。

1.課程結構須合理設置，涵蓋內容應盡量全面。在具備一定專業基礎上，課程內容涵蓋中子輸運理論、中子時空動力學、蒙特卡洛方法應用等。授課方式包含公式理論推導，加強學生對底層理論的理解和認識。此外，包括講義講解，回歸書本知識，能夠在教師講和學生學的基礎上推動教材和講義的更新換代，不斷優選出經典教材。

2.考核方式多樣，同時具有針對性。調研發現，美國更加注重學生計算能力的培養，其主要目的在于美國2061 戰略[4]，明顯看出美國更加注重學生使用計算機的能力。這受益于核能領域諸如SCALE、MCNP 等國外先進核能計算程序開發方面的優勢。現階段，核能領域具有先進水平的高校在考核方式上有所改革，已經打破紙質考試的界限，引入了公式推導、編程大作業等多種考核方式。這有利于學生使用和開發先進軟件，使他們更為全面地理解和掌握知識點。

3.注重培養學生理論應用于實踐的能力。理論是實踐的基礎，做好理論儲備的同時，推動反應堆物理計算向應用化發展是不可逆轉的趨勢。培養學生不僅能考試、會考試，更應當能夠分析和解決實際問題，符合新工科的發展理念。

（二）“高等反應堆物理”課程改革難點分析

“高等反應堆物理”是核學科的核心專業課，曾經的課堂是“教師講、學生聽、交作業、最后考”的模式。雖然進行了考核方式的部分升級，但是不觸動根本的修修補補式課改，尚不能夠解決新工科建設條件下的留學生教學問題，全新的課程改革面臨以下三個難題。

1.留學生基礎薄弱與課程難度之間的矛盾尤為明顯。一方面，哈爾濱工程大學留學生多來自巴基斯坦、土耳其、加納、墨西哥等亞非拉國家，教育基礎差異很大，且普遍較為薄弱。這就造成了留學生水平參差不齊，教師較難把握。另一方面，“高等反應堆物理”課程本身涉及物理、數學、計算機多學科交叉，需要多種知識的靈活運用，內容多，知識點難。受限于大學課時要求，教師講授的進度往往過快，導致留學生難以理解基礎知識，最終影響課程效果。

2.留學生國家文化與中國文化差異較大，語言交流存在問題。在教學過程中發現，留學生漢語水平雖然能滿足日常交流需求，但是離達到專業課層面還有差距。語言交流制約著教學效果，因此課程采用全英文授課，解決語言交流問題。在文化深度上，弘揚核工業精神，加強人文關懷，讓更多留學生了解到中國核能從“跟跑”到“并跑”過程，展現中國核能發展自信。

3.留學生創新實踐能力不足，實踐環節落后于核能新技術的發展。以往留學生課堂以理論教學為主，具體實踐環節有所欠缺。國內各高校已經注重實踐環節，紛紛建立了核能領域實驗室，不過各個實驗室建設年限有長有短，水平有高有低，不少國外先進程序受限于版權等問題無法引進。各高校已經開始自主開發程序，但面臨著基礎相差較大、軟件不成熟的問題。實踐資源有限以及留學生在交流上的困難造成了創新實踐環節上的滯后。

以上幾個問題讓留學生來華學習之路變得更加困難，對所學知識掌握有限，多數停留在書本層面，未能挖掘新思維、新方法，最終使得留學生綜合素質需要加強，創新和實踐能力需要培養。

二、“高等反應堆物理”課程教學方式轉變

為更好適應新工科建設要求，努力解決“一帶一路”沿線國家留學生基礎薄弱的問題，切實推進課程向縱深發展，全面升級，轉變培養方式，最終培養出重實踐、高素養的留學生，“高等反應堆物理”課程基于哈爾濱工程大學“與國際高水平學者共建研究生課程”項目，在與美國密歇根大學、普渡大學及俄亥俄州立大學著名教授聯合授課的基礎上，不斷進行實踐與探索，系統地開展深入研究，利用開發的自主化高保真中子輸運計算程序HNET 服務于課程改革。與此同時，“核反應堆物理”本科課程相繼入選國家精品在線開放課程、國家級一流本科課程和黑龍江省一流本科課程。以上教學基礎為課程建設與改革、授課內容的優化、培養方式的轉變提供了經驗。

（一）課程改革總體思路

基于“與國際高水平學者共建研究生課程”項目實施過程中已確定的教學大綱，以真實反應堆物理分析及應用的需求為牽引，以過程化管理與考核為抓手，聚國際、國內、校內優勢資源和先進經驗，構建三“1”教學模式、“物理+數學+計算機”實踐模式、全過程考核模式、虛擬實驗輔助模式的“四位一體”課程過程化管理與考核體系（如圖1 所示），保證“高等反應堆物理”課程的實際教學效果及學生對知識點的掌握，培養專業知識堅實且具有國際視野的全球核能人才。針對來華留學生的薄弱環節對癥下藥，重基礎，重實踐，幫助他們在學業上取得進步，使得課程改革的成果惠及廣大留學生。

圖1 “四位一體”課程過程化管理與考核體系

（二）培養方式轉變措施

通過課程升級，改變傳統教師直鋪式的枯燥課堂，推進先引導—再討論—輕講解—有回饋的方式完成課程升級路線。全面推行實施“四位一體”課程過程化管理與考核體系，著力加快推進學生培養方式向符合新工科要求轉變。具體措施可分為以下四個方面，如圖2所示。

圖2 “高等反應堆物理”課程改革措施示意

1.扎牢基礎，建立三“1”教學模式。打破傳統授課中以任課教師講授為主，學生被動接受的狀態。特別是近年來受新冠肺炎疫情影響，網絡授課對實體課堂的沖擊更加難以保證授課效果及學生對知識的完全掌握。針對此問題，創新構建三“1”教學模式，即“教師授課1學時，突出基礎知識與思路，與之配套1 學時的課后作業以深入理解知識，而學生以組為單位需要準備1 學時的課上講解內容，其中學生準備講解內容的課后時間因人而異，平均32 學時。原本的32 學時，通過課后作業及準備講解內容擴展到96 學時，不僅可以在有限的學時內擴充講授內容，使學生通過規定任務更好地掌握知識點；還可以增強任課教師與學生的互動，實現授課效果與學生對知識完全掌握的雙贏，特別是夯實留學生的理論基礎。

2.合理實踐，推行“物理+數學+計算機”實踐模式。實踐能力欠缺是新工科背景下學生存在的突出問題，實踐高于認識，認識指導實踐。通過課程升級，最終實現認識—實踐—再認識—再實踐的發展過程。“高等反應堆物理”課程傳統授課注重理論知識講解，學生對課程內容的掌握僅停留在理論認識層面。根據實際工程中反應堆物理分析需求，結合“高等反應堆物理”多學科交叉的特點，在升級課程中引入“反應堆物理+數學+計算機”的實踐模式，即通過設置最后流動式大作業的方式，開發實際反應堆物理分析程序模塊，打破常規式，可以幫助學生實現學以致用，進一步明確學習目的，提高解決實際問題的能力。“靜態”大作業的弊端。其中，“反應堆物理”側重于中子輸運方程及擴散方程的建立；“數學”側重于中子輸運方程及擴散方程的數值計算方法、公式推導及矩陣求解；“計算機”則是基于上述方程及數學方法，開發反應堆物理分析程序或模塊。這樣的實踐模式將授課內容及授課形式變得更加立體，不僅可以加深學生對理論知識的理解和掌握，也可以通過開發程序培養其解決實際問題的能力，破解留學生學習過程中遇到的實際困難。

3.推陳出新，建立全過程考核模式。傳統考核方式為期末卷面考試，考核效果受試題難易影響很大，并不能真實反映學生對課程知識點的掌握情況。課程組取消僅靠卷面考試的考核形式，將課程的考核內容分為：期中考試、出勤考核、課后作業、編程大作業及小組講解五部分，每部分所占比例分別為15%、5%、20%、40%、20%。這樣的考核形式與三“1”教學模式和“物理+數學+計算機”實踐模式相配合，能夠加深學生對基礎理論知識的深入理解，提升解決實際問題的能力，同時可以幫助任課教師隨時了解學生對知識的掌握程度，避免為考而考，進一步促進教學效果。在優化和保留卷面考試優勢的基礎上，將其保留為學期中考核的一種方式，推出更多更靈活的實踐型考核方式，逐步建立起全過程考核模式。

4.張弛有度，用好虛擬實驗輔助模式。針對教學基礎與國內外先進實驗室差距問題，一方面應當加強實驗室硬件升級和軟件引進，另一方面必須加快軟件自主化研究的進程，為教師科研和學生學習創造良好的平臺環境。在這個過程中必須把握適度的原則，防過之而避不及，做到張弛有度。哈爾濱工程大學核學院擁有完全自主知識產權的高保真精細化反應堆物理計算程序HNET。為拓展學生實際堆芯物理分析能力，解決留學生實踐方面的困難，可為學生開設個人賬戶，提供使用實際工程分析軟件的機會，以針對實際問題開展分析與應用。同時，擁有針對壓水堆、鈉冷快堆的仿真平臺，并引入了人工智能技術，讓學生了解核反應堆物理在反應堆運行、安全分析中的作用。通過以上輔助模

三、“高等反應堆物理”課程改革成果反饋

通過課程升級，教學相長，經過兩年的實踐探索，“高等反應堆物理”課程在留學生中的反饋良好。問卷調查結果顯示，學生普遍反映新版課程對自身幫助很大，總體上對課程評分在4~5 分（滿分5分），其中，部分學生特別喜歡課堂現場問答環節，認為能夠很好地加深知識掌握程度。大部分學習“高等反應堆物理”課程的留學生認為課程難度適中，實踐環節有助于提高自己的編程能力，加深了對反應堆物理的認識程度。并且通過課程更好地了解數字孿生技術和數字化反應堆等核能領域先進知識，大踏步地趕上反應堆發展的新潮流。平均每年有10 余名來華碩博留學生通過本課程學習，掌握了豐富的理論知識，鍛煉了實踐能力。其中，部分留學生已經畢業回國，為“一帶一路”建設貢獻自己的力量。目前，已有巴基斯坦留學生畢業回國服務核電項目發展，助力我國自主知識產權的核電機組——“華龍一號”走出國門，向世界講好中國核電故事，推動中國核電“走出去”。

四、結論

新工科背景下“高等反應堆物理”“四位一體”課程過程化管理與考核體系已經在留學生教學中取得了較好的效果。課改落實了“以學生為中心”的發展理念，從學生角度，使學生告別枯燥乏味的課堂，充分調動了學習積極性，讓來華留學生更好接觸到反應堆物理核心和前沿領域，學有所思、學有所得，最終實現學以致用。從教師角度，減輕課堂講授的工作量，保證教師有充足的時間投身于課程實踐，有利于教師加深對科研促進教學的理解。改革所取得成果不限于課程本身，也將為學校開設的新工科領域課程提供可借鑒的經驗。