基于任務驅動的核電站停止實驗教學改革初探

摘" 要：“核工程虛擬仿真實驗”是哈爾濱工程大學核工程與核技術本科專業的必修實踐類課程。反應堆停止實驗是課程的重要內容，融匯幾乎全部專業基礎與核心課程，理論性、綜合性、創新性強，開設以來收到了良好的效果。隨著“新工科”教育理念的逐步發展，為了發散學生的創新思維、強化自主實驗意識，培養學生發現問題、解決問題的能力，針對反應堆停止實驗進行了任務驅動法教學改革嘗試，通過教師引導、學生設計、自主完成的方式進行實驗，從內容、形式、考核方式等方面闡述了改革后的教學模式，結果表明改革后的實驗教學達到了預期目的。

關鍵詞：核工程虛擬仿真實驗；核電站停止實驗；任務驅動法；教學改革；自主實驗；雙向交流

中圖分類號：TL48" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2023）23-0157-04

“核工程虛擬仿真實驗”是核工程與核技術本科專業的必修實踐類課程，開設于本科四年級上學期末。本課程建立在學完本專業所有基礎理論、熟悉核電站系統、設備組成及運行原理基礎上，主要目的是綜合所學專業知識并實際應用［1］。其中核電站停止實驗占8個學時，需要應用“核動力裝置與設備”“核工程檢測與控制保護”等幾乎全部專業課程的知識，使學生了解反應堆停止過程中的基本操作，明確操作依據及必要性［2］。

教學結果顯示，該實驗效果理想、達到了預期實驗目的。隨著新工科理念理解的深入，以學生為中心、成果為導向的思想需要逐漸融入實驗中。針對主動塑造世界的新理念、人才培養標準的新要求、繼承與創新的新途徑［3］，為了充分激發學生的創新能力與自我角色認知，結合核工程與核技術專業人才培養的發展定位，課題組提出了“核工程虛擬仿真實驗”課程中“反應堆停止”實驗課程的教學改革措施，以期優化教育質量，提高育人實效。

一、新工科理念在反應堆停止實驗中的體現

在進行本實驗后，部分學生曾希望繼續使用器材進行深入研究或創新實驗，也有部分選學生擇了與實驗相關的畢業設計題目。這證明本實驗調動了學生的積極性，存在創新的空間。

（一）安全——創新無須考慮后果

虛擬仿真實驗最大的特征是安全。學生直接操作真實反應堆是危險的，其他手段又不能得到最直觀的反饋與響應，因此，采用虛擬仿真實驗操作，既能讓學生如臨現場、感同身受，又不具有任何危險［4］。

解決了安全問題，所有步驟都可以自行制訂，腦海中形成的思維火花可以立即得到驗證。通過失敗后又成功的實驗過程，能夠增加學生的參與感與成就感，從而加深對實驗的理解，能夠根據自己的知識儲備，提出關于操作方案的創新性改進方案并實踐。

（二）準確——成果有理有據

核工程虛擬仿真實驗所應用的器材是核動力的培訓用模擬器，屬于向教學轉化的科研成果。實驗器材計算結果精度高、范圍廣［5］，學生所進行的創新性實驗成果準確可靠。不同的操作方法與時機會給出不同的特性反饋結果，學生可直接利用結果驗證，無須考慮結果的可信性與合理性。

（三）可回溯——重復操作不枯燥

該實驗器材允許同一工況進行多次重復實驗。學生在某一步驟實驗失敗后，不需要從頭開始，只需要從失敗操作引入前開始即可，這也是虛擬仿真實驗的一大特色優勢［6］，學生在操作時，如多次重復相同的起始階段操作，必然會枯燥、厭倦。允許學生從任一點開始實驗，避免了枯燥乏味的單調操作，能使學生保持飽滿狀態。

實驗器材還具有重演功能，提供了操作的記錄回放，能夠讓學生多次觀察自己的操作過程，更有利于學生自行尋找知識點、總結操作過程。

（四）雙向——人機、師生有效交流

傳統的實驗以學生跟隨演示教師操作、提交實驗報告為主，師生之間都是單向的交流。實驗器材完善的操作界面、翔實的幫助頁面，能夠實現教師與學生的雙向交流。改革后的實驗，重在實驗的完成過程與實驗的設計，而不是單純依靠實驗報告進行評價，師生間的交流是雙向的、有效的、尋根問底式的［7］。

二、反應堆停止實驗的教學改革措施

針對反應堆停止實驗中有待改進的內容，結合目前課程的效果反饋，課題組教師在充分研討的情況下，在反應堆停止實驗中以新工科理念為指引實施教學改革，采取的主要措施如下：

（一）任務驅動式實驗課程設計

核電站停止實驗不再全部依靠教師在課堂上的講授與演示進行。課程改革需充分發揮學生的自主學習能力［8］。本實驗是課程中耗時最長的單體實驗，課題組決定采用任務驅動的方法，對核電站停止實驗進行教學改革。

首先進行任務分組。在以往的實驗中，每名學生操作一臺機組，學生間缺乏有效討論與交流，溝通較差，因此缺少思維創新。在改革后的實驗中，以幾位同學為一個任務組，學生自行組合分工，形成任務幫帶體系，利于學生間的互助學習［9］。這一改進使學生成為課堂的主角，以“舵手”的身份掌控實驗，根據實驗目的擬定步驟、確定深度，既滿足了深化所學的目標，又達到了自主應用的目的［10］。

其次，進行課前研討。在課程初始，教師設置研討課程。研討課程的主要目的是交代任務內容、講授理論、實驗器材和主要步驟等。為了防止學生“躺平”，教師在下達任務時，需針對具體成員有針對性地下達任務指標。實驗研討課后，由學生根據實驗目的，自行分配任務、編制實驗詳細步驟。

再次，進行課中交流。在研討課結束一段時間后，再一次開展課上交流，討論各組內的任務分工與實驗步驟。本次課程以學生為主體，介紹組內成員及具體任務分配、制訂的實驗步驟與預期實驗結果、存在的疑惑、創新性想法。由教師評價任務分配的合理性、評估實驗步驟是否完整，解答學生的疑惑、分析學生的想法，支持創新性實驗。

最后，實驗結束后開展總結、討論、考核環節，各組成員根據任務目標、實驗結果進行匯報，詳細描述任務完成的過程與結果、創新性想法的驗證與結論。主講教師根據學生的匯報結果，現場向小組成員提問，小組成員按要求進行回答。通過雙向的現場交流，教師清楚學生對實驗的了解程度、設定任務的完成度、創新性實踐度、思維發掘的深度，利于做出更為合適的評價。

（二）實驗環節的分配調整

原核電站停止實驗全部在8個課上學時內完成。以任務驅動方法對實驗進行改革后，維持課上8學時不變，但實驗改造為自主實驗，增加課后環節。全部實驗環節在1周內完成，其中課上學時的分配如下：

第1—2學時：最初研討環節，實現學生的分組、任務的下達、實驗的講解，實驗器材的操作培訓。

第3—5學時：課中交流環節。本環節在實驗開始前進行，學生根據任務制定的詳細實驗方案與步驟、任務分工進行匯報，教師給予指導。

第6—8學時：總結評價環節。本環節在實驗結束后進行，進行任務成果展示與分析，匯報創新性測試的完成情況，教師對學生的成績做出評價，對合理的創新性想法給予支持。

改革后的實驗要求學生課下需要消耗一定的時間與精力對實驗進行學習與分析。其中包括：

其一，研討課后的準備工作。學生在明確組內任務的情況下進行組員匹配。通過復習相關理論知識，根據實驗指導編制詳細的實驗步驟。將相關疑惑和創新想法，體現在匯報內容中并尋求教師的幫助。

其二，交流課后的補充環節。學生根據教師的點評與指正，細化組內成員的任務分工，修正自己的實驗步驟，深化每一實驗步驟的理論內涵與實際意義。明確創新性實驗的目的，制訂驗證預案。

其三，自主實驗環節。本環節進行自主實驗，由學生自行在規定時間內完成。

其四，結果分析環節。學生根據自己的實驗結果，對實驗現象進行分析，確認完成任務預設目標。對新思維的驗證進行總結，得出結論并繼續發掘。

其五，實驗報告編制及實驗結束后環節。這一環節在總結評價課程之后。學生根據自己的分析與教師的點評，編制總結性的詳細實驗報告。

實驗環節調整分配前后，師生的任務配比見圖1所示。師生共同完成的環節數目增多，學生獨立完成的環節夾雜在共同完成環節之中，有利于學生及時發現問題并與教師交流。

（三）自主實驗

課程針對實驗環節進行了改革，實驗不再占用學生的課上時間。學生根據實驗指導、研討課的交流確定好實驗詳細步驟后與任務分工，在交流課后、總結課前，自行選擇時間進入實驗室完成實驗，實現實驗時間的開放。

由于實驗耗時偏長，模擬器具有工況存儲的功能，因此允許學生分段完成任務。允許實驗失敗更能夠激發學生學習的興趣與鉆研性，不會給學生造成過大的心理壓力［11］。

在實驗環節中，取消教師演示環節，教師不輕易介入學生的實驗過程。當學生有疑問、需要幫助時，由教師進行幫助指導，向學生闡明原理。學生在操作過程中，隨時可能發現新的現象與結論，有力激發了學生的創新思維，實現了實驗過程的開放性［12］。

實驗結束后，學生自行根據相關理論知識進行分析。分析不再具有范本或模板，學生獨立分析與驗證，可以從多角度分析問題，實現自行尋找、自行解決問題的目標，提升了綜合運用、分析問題的水平。

在實驗環節完成后，學生可以根據實驗的情況，總結實驗中的關注點，對實驗提出新的疑問、新的想法。本實驗對任何觀點和想法都持開放態度，全力支持學生的立項與研究。

（四）考核模式的改進

傳統實驗報告不能全面反映學生的學習能力與學習效果［13］，因此改革后將實驗報告視為總結，是任務完成情況報告。

改革后實驗的考核主要集中在自主實驗過程與實驗后的總結課程上。實驗過程的分數占比為40%，總結課上的匯報與分析占比60%。只要每組學生獨立完成了自己的實驗任務，即認為行動上完成了預設任務目標；如未能完成最終內容，則根據實際未完成環節的重要程度對任務完成情況進行評價。匯報與分析的評價在課堂上當場給出，做到公平、公正與公開。提出切實可行的創新方案并付諸實踐的小組，可獲得額外加分。考核模式改革后，分數能夠反映學生的學習效果與實驗能力，而非以往簡單的實驗報告分數。

三、教學改革應用效果及分析

實驗教學效果是改革成敗的重要評價。實驗教學效果主要通過教師、學生間的多元互動評價進行，充分體現任務驅動教學以學生為主角、依靠學生提出問題并解決的特點，全面考查教學效果［14］。本研究課題組于2021年12月將基于任務驅動方法的核電站停止實驗應用于一組課堂之上，14組學生全部完成了預設任務，實現了應講必講、愿講可講，教師對學習深度有明確的認識，學生也掌握了停止過程的操作方法及應用原理。全部小組共提出了創新性問題與建議12條，其中設計實驗儀器改進的5條、優化操作的4條、討論保護邏輯的2條、準備深入研究與論證的1條。課題組充分考慮了這些建議后進行了相關改進，具體包括：

1. 主給水泵停止后，除氧器自循環泵自動啟動；

2. 改進控制棒提升與插入按鈕；

3. 輔蒸汽源的切換應根據實際輔蒸汽壓力進行判斷。

上述結果表明，實驗改革在創新性發散方面取得的效果較好，幾乎所有學生都提出了自己的想法并進行了實踐。盡管最終僅有3條意見被采納，但是思考過程、實踐過程是值得鼓勵的，學生對知識的運用也得到進一步的提升，表明實驗教學改革是成功的。

四、小結

本研究將任務驅動型教學法在“核工程虛擬仿真實驗”課程中的核電站停止實驗進行了應用。首先通過學生分組、下達任務、講解基本操作，以任務為主線，建設任務驅動的實驗模式。其次虛擬仿真實驗具有安全、準確、可重復和雙向交流的優點，以自主實驗步驟、自主分析結論、自主發現問題并解決的方式，使學生明確理論、熟練應用、創新發散。課程評價過程以學生為中心，建立多目標評價體系，摒棄單一標準，形成了師生間有效的雙向交流互動機制，有力提升了學生學習的自主性與實驗教學效果，并對學生的創新性結論進行了分析。由教師對學生任務效果進行點評與交換意見，能夠讓學生全面地認識自己在完成任務過程中收獲與不足，并以此為基礎，深化專業課程所學，不斷提升自己的實踐能力。

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（責任編輯：汪旦旦）