孙觊琳，成守宇，薛若军，张博文，彭敏俊
（哈尔滨工程大学 核科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001）
“核工程虚拟仿真实验”课程是一门以虚拟操作核电站机组为基础，通过运行方案对比、不同扰动或故障工况下的参数响应展示、完整进行核电站机组停闭的操作过程，实现综合应用核工程与核技术专业全部专业课程进行实验与分析的目的。课程的设立与实践实现了课堂与书本中的讲授内容立体化、不同课程间的递进关系结构化、专业课程培养体系总体化的目标。但随着时间的推进与新工科教育理念的深入，课程中出现了一些需要优化的方向。为了使实验更加契合新工科的培养模式，实现多级课堂联动、学习实践结合、面向工业界的工程人才培养目的，充分调动学生自主学习、创新学习、融会学习的能力，以学生为课堂主体、实验结果为成果导向，结合虚拟仿真实验安全、准确、可重复的特点，提出了“核工程虚拟仿真实验”开放式实验方案与改革测试。
当前的核工程虚拟仿真实验教学中，尽管取得了良好的施行效果、评价反馈好，但对于新工科理念的契合上仍有一定不足。总结地讲，目前的实验与新工科理念的偏差有以下几点。
1.1 课堂学生主体地位不突出
在目前的实验课程中，采用三元角色布置的课堂，讲解教师负责讲解实验的步骤、操作的原理、应用的知识、现象的解释；
演示教师负责执行讲解教师的步骤，为学生做出示范操作；
学生则一面听着讲解教师的描述与分析，一面跟随演示教师的操作进行实验。在课程实践应用以来，三元角色的课堂取得了一定的效果，学生对知识的综合理解与运用得到了一定程度的锻炼。但是该模式的弊端也逐渐显现，且缺点放大较为明显，具体如下：
（1）相关操作步骤多、速度快，讲解教师与学生跟不上演示教师的速度。在扰动响应分析、核电站停止实验中，演示教师的部分操作需要快速、连续进行，而讲解教师则难以短时间内讲述清楚应用的知识、操作的重点以及响应的分析。学生则面临两难：跟随演示教师的操作，则会忽略相关讲解，听从讲解教师的讲解又跟不上操作，导致实验未能取得预期效果。
（2）课堂由教师主导，学生难以独立思考并实践。教师主导的课堂中，学生的思维跟随教师的思维前进，出现隐形的思维定势，难以进行自主独立的思考与实践。教师的主导在一定程度上限制了学生的思维发散，导致缺乏创新。
1.2 学生对实验难易程度的心理预期有偏差
“核工程虚拟仿真实验”课程不同于专业课程实验，不是学习新的理论知识，而是将已学习过的全部理论课程进行综合、汇总并应用。由此导致学生接触本实验课程之前，视本实验为简单的实验，预期难度较低。在课堂教学中，课题组发现学生对实验难易程度的心理预期对于实验的影响有以下几点：
（1）实验准备不充分、预习效果差。由于学生对实验难易程度预估错误，导致预习不认真、思考不深刻，对应该掌握的知识没有进行有效复习，导致预习没有起到深化知识印象的效果。学生在翻阅实验指导书时，仅仅观看了实验步骤和实验要求，并没有充分、深入的进行思考与分析。这一原因直接导致了学生课堂上听不懂、跟不上、做不完、难分析。
（2）实验课堂手忙脚乱，机械跟随。由于学生在准备不充分、注意力较分散的情况下开始实验，而实验中很多操作的深度是递进的，当前的教学中对失败的同学给出的补做机会又较少，导致学生每进行一步步骤都要与周围同学确认，大量的时间花费在研究实验步骤上，机械跟随演示教师的操作，有意无意忽略了讲解教师的理论讲解与分析，缺乏自我思考、创新发挥、钻研实践的环境。
（3）实验报告同质化严重，分析缺乏深度。学生在课堂上难以得到有效理论讲解，导致难以从理论上分析实验现象，只能照搬指导书中的描述，参考其他同学的分析。这样一来，作为评分标准之一的实验报告同质化严重，难以区分学生实验的效果，也无从知晓学生内心的想法是否得到了验证。
1.3 缺乏综合性创新与实践的机会
“核工程虚拟仿真实验”课程的主要教学目的，除了深化学生的理论知识、进行活学活用外，还需要激发学生的创新意识，基于实验器材进行创新并实践。但在实际教学过程中，能够提出新想法、新创意的学生较少，大部分学生进行现象分析后结束实验报告，不再继续深入发掘。其主要原因有以下两点：
（1）学时紧张，学生缺乏创新与实践的时间。在“核工程虚拟仿真实验”课程需要具体需要操作的实验环节中，运行方案分析实验占4～6 个学时，事故扰动分析与核电站停止实验各占8 个学时。以运行方案分析实验为例，在目前的实验教学中，在最长6 个学时内，学生需要完成三种运行方案的功率变化分析及对比，学时分配刚好能够完成讲解、演示和操作任务，缺乏进行深入思考、分析与验证的时间。
（2）课堂讲解过多，学生接受缓慢，缺乏创新与实践的主观能动性。由于学生的主体地位不突出、对实验难度预期错误，导致课堂上需要大量被动接受很多知识点，随着实验进行，部分学生出现疲倦、懈怠心理，懒得思考，不想去深入研究，而是以完成课程任务为目的进行实验分析与总结，丧失了创新创意的主观能动性，也使得课堂环境逐渐偏离了实验设立的初衷。
开放式实验是培养学生自主创新能力的重要教学方式，而自主创新、成果主导是教育部“新工科”理念的核心思想，需要强化学生对实际工程项目的认知，针对所学专业内容、核电实际形势，进行有针对性的、专业性的创新。针对当前“核工程虚拟仿真实验”课程与新工科理念的偏差点，结合目前课程中教师与学生的相关信息反馈，课题组教师决定在实验中引入开放性实验，对原有教学体系进行改革，以实现成果主导、学生为主、结合实践、创新发散的改革目标，强化学生所学的专业知识、激发学生的创新意识，采取的主要措施有以下几点。
2.1 任务驱动式实验课程设计
任务驱动式教学以成果为导向，是使实验课程更加契合新工科理念的主要教学方法之一。课题组以需要具体操作步骤最多、应用知识最广、响应与分析最为复杂的核电站停止实验为案例，进行了任务驱动式实验课程设计。任务驱动式的教学改革有以下特点：
（1）将理论知识的学习由课上转为课下，引导学生自学。开放式实验的过程不在课堂中进行，而是学生自行选择时间准备实验。课堂的主要内容为研讨、分析、汇报与总结，因此不再依靠目前的三元角色模式进行。理论知识由学生通过教师的引导进行自学，以便充分认知实验难度并准备实验。这样能够顺利进行实验，同时发现创新的空间，彻底扭转被动学习的缺点。
（2）完成实验任务为导向，自行设计实验步骤。改革后的实验课程，教师负责发布任务（实验目的），而实现任务的方法则由学生自行制定。通过设计实验步骤、制定实验方法，无形中让学生复习、运用了专业理论知识，实现学生为主、成果引领的教学目的。
（3）实验结果可以不同，但现象必须准确分析。由于制定的方案不同，结果必然不同。因此，改革后的实验不再拘泥于实验结果本身，而是要求准确分析实验现象。通过分析实验现象，一方面深化了所学知识并灵活运用，另一方面引入了较大的创新发散空间，学生能够通过分析提出一些创新性的想法。
2.2 人机界面优化
目前的实验器材基于核电站全范围培训模拟器改造，是科研成果应用于教学的转化体。通过先进的科研成果，能够起到良好的作用。但科研成果主要面向工程技术人员与已有基础的研究者，对于学生而言难度偏大。为了保证实验课程质量，课题组对原有实验器材的人机界面进行了优化改造，具体体现在以下两个方面：
（1）删减了大量没有操作的监控、辅助系统，合并了常用操作的界面。以一回路界面为例，原实验器材中有三十余篇画面，学生难以记忆与准确寻找。合并后，设立一回路总貌图1 幅；
主冷却剂系统、设备冷却水控制系统、化容控制系等子系统9 幅。汇总后的总貌图如图1所示。
图1 汇总后的一回路系统总貌图画面
（2）增设帮助页面。由于实验改革为开放性实验，因此必须在必要时以明确的方式提醒学生需要的操作。由于实验的开放性，该部分工作难以依靠教师完成。因此，课题组在相关操作画面上添加了帮助提示，以指导学生自主进行实验。汽轮机组操作画面的帮助提示如图2所示。
图2 增加提示后的汽轮机组操作画面
2.3 增设创新创意实验与验证环节
虚拟仿真实验最大的特点就是安全，因此学生所有的创新想法和尝试都是允许的，全部实验过程和环节都是向学生开放的。教师仅需要在点评环节指出实际过程中的危险因素，以及学生的想法是否合理可行。由于整体实验实行任务驱动、开放式实验，为了进一步挖掘学生的创新能力、使学生对知识的理解更加深入，课题组在实验课程中设立了创新创意实验与验证环节。该环节通过如下方式进行：
（1）在全部实验完成后，设立研讨课，基于学生在实验准备环节、实验环节、结果分析环节中存在的疑问进行解答与评论，对学生仍然存有疑惑的步骤，或学生提出的新想法进行鼓励与支持，指导学生在指定时间内到达实验室进行多次实验验证，并对相关想法的合理性、可行性与理论依据向学生进行讲解。
（2）在课程评价体系中对创新性问题的提出与解决方案优秀的学生进行适当激励。实验内容以任务驱动，则创新内容也需要有相关激励导向。对于能够提出有意义问题并指定合理可行研究方案的学生，应当予以评价奖励；
对于未能提出创新性问题的学生，应当予以引导；
当学生的创新方案十分优秀，在实验器材改良中应用时，在实验器材封面画面、实验指导书中表明学生的名字及贡献。以名誉奖励、激励的办法，鼓励学生提出创新想法并制定解决方案。
通过任务驱动式的实验课程设计、带有帮助提示的人机交互界面，能够充分调动学生的自主能动性，实现自我学习、自我实验、自我分析、自我总结的开放式实验目的。将传统的课上讲解与演示，改革为学生自行制定实验方案与步骤，教师随时指导的模式，能够让学生成为课堂的主角与引领者，并对实验的难易程度、应用的理论知识有明确的认识，课堂不再成为填鸭式的教学场所，而是由学生主导、教师辅助的自主学习新课堂，更加契合新工科建设的思想与目的。“核工程虚拟仿真实验”课程最大的优势是安全性与直观性，通过增设创新创意实验与验证环节，能够让学生有时间、有机会、有环境提出自己的想法与思路，并通过实验器材自行进行验证与分析，能够最大程度利用虚拟仿真实验的特点。改革后的“核工程虚拟仿真实验”课程，能够加强学生对各专业课程理论知识的掌握，充分发挥学生的自主创新能力，深入学习与日后工作打下坚实的基础。
猜你喜欢 实验分析课程 《ERP原理与应用》课程混合式教学改革探索科学大众·教师版(2022年4期)2022-04-13课程思政在组织行为学课程教学中的探索与实践课程教育研究(2021年9期)2021-04-13分析：是谁要过节孩子(2020年12期)2020-01-06回头潮作文评点报·低幼版(2018年17期)2018-07-12A—Level统计课程和AP统计课程的比较理科考试研究·初中(2017年4期)2017-11-04声波实验小溪流（画刊）(2017年5期)2017-06-15关于植物的小实验幼儿教育·父母孩子版(2017年4期)2017-06-13最酷的太空实验少儿科学周刊·少年版(2015年4期)2015-07-07让合作探究走进实验课堂中小学实验与装备(2014年3期)2014-09-17自行车的发明小猕猴智力画刊(2013年1期)2013-03-15