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摘要：在工程教育專業認證背景下，從虛擬仿真實驗教學平臺建設、課程建設及教學評價方式等方面，對成都理工大學核工程與核技術本科專業核電廠運行虛擬仿真實驗教學課程進行了實踐與探索。該虛擬仿真實驗教學提高了本課程的教學質量，培養了學生解決核工程領域復雜工程問題的能力，并對我校核工程與核技術專業通過工程教育專業認證后的持續改進具有重要意義。
關鍵詞：核電廠運行；虛擬仿真；實驗教學；工程教育專業認證
1研究背景
核電在世界電力供應中扮演著重要角色。根據國際原子能機構官方數據，截至2020年11月，全球在運核電機組共計442臺[1]。我國已成為世界核電大國，截至2021年8月底，在運核電機組達51臺，在建核電機組18臺，在建機組數保持全球領先。我國核電的快速發展對核工程與核技術專業人才需求量不斷增加，質量要求也進一步提高。實踐(實驗與實習)教學是我國高校核工程與核技術專業本科人才培養的重要環節。開展工程教育專業認證是保障工科類專業本科人才培養質量的重要舉措。自2016年6月我國正式成為《華盛頓協議》成員以來，國內越來越多的高校認識到工程教育專業認證的重要意義。工程教育專業認證不僅僅是工程教育國際互認的重要基礎，也是高等教育質量保障和評價的重要組成部分，更是積極促進適用、需求型本科人才培養出口保障的有效措施[2-4]。成都理工大學核工程與核技術專業于2018年申請工程教育專業認證，經過專業自評、專家函評、專家組進?？疾榈拳h節，最終通過了教育部工程教育專業認證，有效期為2019年1月至2024年12月(有條件)[5]。工程教育專業認證堅持基于產出的教育模式(Outcomes-basedEducation，OBE)，它的三個基本理念是：“以學生為中心”“成果導向”“持續改進”。而實現OBE理念的基礎是課程體系的建設，其中實踐教學環節對培養學生解決復雜工程問題的能力至關重要，這一點對核工程與核技術專業更為顯著[6]。核工程與核技術專業具有很強的特殊性，尤其在可行性、安全性等方面，單獨依靠理論教學無法滿足該專業人才培養的工程需求，尤其是學生的實踐能力、理論聯系實際的能力、解決復雜工程問題的能力[7-9]，這給本專業實踐教學帶來極大挑戰。我校核工程與核技術專業在核輻射探測、核儀器/儀表及核技術等領域具有顯著特色和優勢，但在核工程領域較為不足。由于實踐經費有限以及核工程相關的特殊實踐行為的限制因素，之前僅僅開設了核工程認識實習實踐。該實踐教學由于時間、安全等因素，學生無法動手操作，難以滿足核工程與核技術專業學生實踐能力培養的需求，亟須開展符合工程教育專業認證標準的實踐教學。為此，本專業著手建設了核電廠運行虛擬仿真實驗教學課程。
2核電廠運行虛擬仿真平臺CORYS
核電廠是一個非常復雜、龐大的工程系統，其虛擬仿真主要包括運行工況仿真和事故工況仿真，其中運行工況仿真包括核電廠啟停堆及各種不同的運行狀態，而對于事故工況仿真包括設計基準事故仿真、超設計基準事故仿真、嚴重事故仿真。事故工況仿真的典型程序是系統分析程序(如RELAP5，ATHLET等)和嚴重事故分析程序(MAAP，MELCOR等)。由于軟件費用昂貴等問題，目前我校核工程與核技術專業主要開展核電廠運行虛擬仿真教學，采用CORYS軟件搭建的虛擬仿真教學平臺。CORYS是針對法國C-1300典型壓水反應堆核電站的仿真模擬器，可以模擬核電廠的基本操作，包括核電廠啟動、停堆及運行瞬態。我校于2018年引進此軟件，并搭建了仿真實驗教學平臺。該軟件能夠模擬核電廠內絕大部分系統、設備，包括堆芯系統、化容控制系統、穩壓器系統、余熱排出系統、低壓加熱給水系統、高壓加熱給水系統、主泵、汽輪機、發電機、蒸汽發生器、凝汽器、除氧器水箱、汽動主給水泵等。圖1給出了該仿真平臺的主界面，圖2給出了核電廠的堆芯系統。堆芯系統能夠仿真模擬堆內控制棒的操作行為，進而完成反應堆功率的調節、安全停堆等操作，包括手動調節和自動調節?；菘刂葡到y能夠模擬對硼溶液的稀釋和濃縮，進而完成對反應性的控制。穩壓器系統可以模擬穩壓器內噴淋功能和電加熱功能，進而完成對一回路系統的加壓和泄壓。余熱排出系統可以實現對核電廠停堆過程中的熱傳輸。圖1核電廠運行虛擬仿真平臺CORYS主界面圖2核電廠的堆芯系統
3核電廠運行虛擬仿真實驗課程建設
3.1仿真實驗目的
我校的優勢在核技術領域，針對核工程與核技術專業，可以開展豐富的實踐教學活動，包括核儀器/儀表設計、核輻射探測、核電子、核數據處理等。這些實踐教學活動可以較好地培養學生解決核技術領域復雜工程問題的能力。然而在核工程領域，我校實踐教學環節相對薄弱，之前僅開設了核工程認識實習課程，通常是組織學生前往核工程領域相關企事業單位進行參觀、學習，如中國核動力研究設計院夾江基地、四川省原子能研究院、四川大學原子核科學技術研究所等?？紤]到經費及其他限制因素，該認識實習持續時間較短，而且關鍵的系統與設備(如核電廠反應堆本體、一回路系統等)無法參觀，實習效果較差。成都理工大學核工程與核技術專業開設的理論課程包括：核電廠系統與設備、流體力學、工程熱力學、核反應堆熱工水力學、核反應堆安全分析等。以上課程不僅難度很大，同時要求較扎實的數理基礎，加之工程性非常強，因此僅靠理論教學往往難以達到預期的效果。從學生角度，學生普遍反映課程枯燥、學習積極性難以提高，課程銜接性差；從教師角度，課程評價困難，僅能通過考試的形式進行考核評價，工程銜接性不足；從工程認證角度，培養學生解決核工程領域復雜工程問題能力的挑戰很大。為了達到《工程教育認證標準》的畢業要求，我校核工程與核技術專業搭建了核電廠運行虛擬仿真實驗課程，從虛擬仿真角度加深學生對核工程領域復雜工程問題的認識、理解，進一步鞏固學生對核工程領域專業課程相關的知識，培養學生利用數學、自然科學、專業知識解決核電廠運行相關的復雜工程問題的能力。該虛擬仿真實驗課程對我校學生核工程領域相關實踐能力的培養具有重要意義。
3.2仿真實驗內容
本仿真實驗設計以核電廠運行階段為主，具體設計了14種不同的核電廠運行過程(即運行狀態切換操作)，進而實現15種不同的核電廠運行狀態，如圖3所示。其包括冷停堆、熱停堆、熱備用、部分功率運行、額定功率運行等。
3.3仿真實驗實施
考慮到當前設備資源有限(尤其是軟件系統)，同時為培養學生的團隊合作意識，本仿真實驗課程采用分組的方式進行。我校核工程與核技術專業學生大約為90人，分為9組，每組10人。圖4給出了該仿真實驗組內人員任務分配情況，共包含5個操作臺(堆芯系統操作臺、化容控制系統操作臺、穩壓器系統操作臺、汽輪機操作臺、余熱排出系統操作臺)和4個顯示界面(主界面、溫度—壓力子界面、蒸汽發生器子界面、反應性子界面)。組內設置總操作員1人，其余9人負責操作臺/顯示界面值守，總操作人根據值守人員的反饋進行總體操作。
3.4仿真實驗課程考核評價方式
課程考核評價是本專業學生畢業要求達成度評價的重要環節，也是OBE理念的重要體現。本課程考核評價包括三大部分，即實驗現場評價、課程紙質報告(報告需要給出每個運行過程詳細的演化過程截圖)評閱、課程答辯評價。具體的評價方式包括：組內學生自評、組內學生互評、組間學生互評、教師評學、學生評教。其中，組內學生互評主要包括兩個過程：第一，在學生開展核電廠運行仿真實驗過程中，組間學生以觀摩、學習方式對操作組學生進行評價；第二，在學生課程答辯過程中，組間學生進行提問和評價。教師評學貫穿整個課程，而學生評教有助于教師獲得課程反饋信息，進而持續改進和優化課程設計。
4結語
在工程教育專業認證背景下，基于OBE理念，突出持續改進，針對我校核工程與核技術專業本科人才培養過程中實踐教學存在的問題，考慮到該專業的特殊性，提出并成功建設了核電廠運行虛擬仿真實驗課程。該實驗課程提高了學生的實踐能力、理論聯系實際能力，同時增強了學生對復雜工程問題的感性認識，培養學生的創新意識，提升了學生的綜合素質。
作者：辜峙钘 張慶賢 谷懿 李飛 葛良全 單位：成都理工大學核技術與自動化工程學院
