新工科背景下留学生专业课程改革——以“高等反应堆物理”课程为例

郝 琛，刘光皓，崔 媛

（哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨 150001）

2017 年国家率先提出新工科建设的发展命题，明确指出新工科建设需要借鉴国际经验加强国际合作[1]。一年后，教育部再次强调加强国际交流与合作，通过“丝绸之路”中国政府奖学金支持新工科领域来华留学人才培养，为沿线国家培养行业领军人才和优秀技能人才[2]。加强与“一带一路”国家留学生交流是新工科背景下实现更好发展的重要途径。“十四五”期间，推动共建“一带一路”高质量发展，架设文明互学互鉴桥梁[3]，不断推进各个学科主干专业课程的改革升级，做好留学生来华教育工作，提升留学生的综合素质具有重要意义。哈尔滨工程大学以“三海一核”为办学特色，核学科创建于1958 年“哈军工”时期，具有深厚的科研底蕴及红色传承，为我国核工业培养了大批技术骨干。“高等反应堆物理”是核学科的一门专业必修课程，主要面向留学生以及中国博士研究生开设。课程从核反应堆设计及性能评估中重要的基本物理和工程概念出发，推导核反应堆堆芯物理研究的数学模型，讲授中子输运数学模型的不同简化模式及相关数学技术在实际堆芯分析中的应用方法。为支持“一带一路”沿线新兴核能国家，培养核领域符合新工科要求、专业知识坚实且具有国际视野的高层次技术及管理人才，需要不断创新教学模式，探索与实践教学过程化管理。

一、“高等反应堆物理”课程改革分析

（一）国内外“高等反应堆物理”课程现状分析

根据对清华大学、密歇根大学等国内外核能领域先进高校调研结果，可以发现此类高校在课程设置及考核方式方面有以下优势，值得“高等反应堆物理”课程改革借鉴。

1.课程结构须合理设置，涵盖内容应尽量全面。在具备一定专业基础上，课程内容涵盖中子输运理论、中子时空动力学、蒙特卡洛方法应用等。授课方式包含公式理论推导，加强学生对底层理论的理解和认识。此外，包括讲义讲解，回归书本知识，能够在教师讲和学生学的基础上推动教材和讲义的更新换代，不断优选出经典教材。

2.考核方式多样，同时具有针对性。调研发现，美国更加注重学生计算能力的培养，其主要目的在于美国2061 战略[4]，明显看出美国更加注重学生使用计算机的能力。这受益于核能领域诸如SCALE、MCNP 等国外先进核能计算程序开发方面的优势。现阶段，核能领域具有先进水平的高校在考核方式上有所改革，已经打破纸质考试的界限，引入了公式推导、编程大作业等多种考核方式。这有利于学生使用和开发先进软件，使他们更为全面地理解和掌握知识点。

3.注重培养学生理论应用于实践的能力。理论是实践的基础，做好理论储备的同时，推动反应堆物理计算向应用化发展是不可逆转的趋势。培养学生不仅能考试、会考试，更应当能够分析和解决实际问题，符合新工科的发展理念。

（二）“高等反应堆物理”课程改革难点分析

“高等反应堆物理”是核学科的核心专业课，曾经的课堂是“教师讲、学生听、交作业、最后考”的模式。虽然进行了考核方式的部分升级，但是不触动根本的修修补补式课改，尚不能够解决新工科建设条件下的留学生教学问题，全新的课程改革面临以下三个难题。

1.留学生基础薄弱与课程难度之间的矛盾尤为明显。一方面，哈尔滨工程大学留学生多来自巴基斯坦、土耳其、加纳、墨西哥等亚非拉国家，教育基础差异很大，且普遍较为薄弱。这就造成了留学生水平参差不齐，教师较难把握。另一方面，“高等反应堆物理”课程本身涉及物理、数学、计算机多学科交叉，需要多种知识的灵活运用，内容多，知识点难。受限于大学课时要求，教师讲授的进度往往过快，导致留学生难以理解基础知识，最终影响课程效果。

2.留学生国家文化与中国文化差异较大，语言交流存在问题。在教学过程中发现，留学生汉语水平虽然能满足日常交流需求，但是离达到专业课层面还有差距。语言交流制约着教学效果，因此课程采用全英文授课，解决语言交流问题。在文化深度上，弘扬核工业精神，加强人文关怀，让更多留学生了解到中国核能从“跟跑”到“并跑”过程，展现中国核能发展自信。

3.留学生创新实践能力不足，实践环节落后于核能新技术的发展。以往留学生课堂以理论教学为主，具体实践环节有所欠缺。国内各高校已经注重实践环节，纷纷建立了核能领域实验室，不过各个实验室建设年限有长有短，水平有高有低，不少国外先进程序受限于版权等问题无法引进。各高校已经开始自主开发程序，但面临着基础相差较大、软件不成熟的问题。实践资源有限以及留学生在交流上的困难造成了创新实践环节上的滞后。

以上几个问题让留学生来华学习之路变得更加困难，对所学知识掌握有限，多数停留在书本层面，未能挖掘新思维、新方法，最终使得留学生综合素质需要加强，创新和实践能力需要培养。

二、“高等反应堆物理”课程教学方式转变

为更好适应新工科建设要求，努力解决“一带一路”沿线国家留学生基础薄弱的问题，切实推进课程向纵深发展，全面升级，转变培养方式，最终培养出重实践、高素养的留学生，“高等反应堆物理”课程基于哈尔滨工程大学“与国际高水平学者共建研究生课程”项目，在与美国密歇根大学、普渡大学及俄亥俄州立大学著名教授联合授课的基础上，不断进行实践与探索，系统地开展深入研究，利用开发的自主化高保真中子输运计算程序HNET 服务于课程改革。与此同时，“核反应堆物理”本科课程相继入选国家精品在线开放课程、国家级一流本科课程和黑龙江省一流本科课程。以上教学基础为课程建设与改革、授课内容的优化、培养方式的转变提供了经验。

（一）课程改革总体思路

基于“与国际高水平学者共建研究生课程”项目实施过程中已确定的教学大纲，以真实反应堆物理分析及应用的需求为牵引，以过程化管理与考核为抓手，聚国际、国内、校内优势资源和先进经验，构建三“1”教学模式、“物理+数学+计算机”实践模式、全过程考核模式、虚拟实验辅助模式的“四位一体”课程过程化管理与考核体系（如图1 所示），保证“高等反应堆物理”课程的实际教学效果及学生对知识点的掌握，培养专业知识坚实且具有国际视野的全球核能人才。针对来华留学生的薄弱环节对症下药，重基础，重实践，帮助他们在学业上取得进步，使得课程改革的成果惠及广大留学生。

图1 “四位一体”课程过程化管理与考核体系

（二）培养方式转变措施

通过课程升级，改变传统教师直铺式的枯燥课堂，推进先引导—再讨论—轻讲解—有回馈的方式完成课程升级路线。全面推行实施“四位一体”课程过程化管理与考核体系，着力加快推进学生培养方式向符合新工科要求转变。具体措施可分为以下四个方面，如图2所示。

图2 “高等反应堆物理”课程改革措施示意

1.扎牢基础，建立三“1”教学模式。打破传统授课中以任课教师讲授为主，学生被动接受的状态。特别是近年来受新冠肺炎疫情影响，网络授课对实体课堂的冲击更加难以保证授课效果及学生对知识的完全掌握。针对此问题，创新构建三“1”教学模式，即“教师授课1学时，突出基础知识与思路，与之配套1 学时的课后作业以深入理解知识，而学生以组为单位需要准备1 学时的课上讲解内容，其中学生准备讲解内容的课后时间因人而异，平均32 学时。原本的32 学时，通过课后作业及准备讲解内容扩展到96 学时，不仅可以在有限的学时内扩充讲授内容，使学生通过规定任务更好地掌握知识点；还可以增强任课教师与学生的互动，实现授课效果与学生对知识完全掌握的双赢，特别是夯实留学生的理论基础。

2.合理实践，推行“物理+数学+计算机”实践模式。实践能力欠缺是新工科背景下学生存在的突出问题，实践高于认识，认识指导实践。通过课程升级，最终实现认识—实践—再认识—再实践的发展过程。“高等反应堆物理”课程传统授课注重理论知识讲解，学生对课程内容的掌握仅停留在理论认识层面。根据实际工程中反应堆物理分析需求，结合“高等反应堆物理”多学科交叉的特点，在升级课程中引入“反应堆物理+数学+计算机”的实践模式，即通过设置最后流动式大作业的方式，开发实际反应堆物理分析程序模块，打破常规式，可以帮助学生实现学以致用，进一步明确学习目的，提高解决实际问题的能力。“静态”大作业的弊端。其中，“反应堆物理”侧重于中子输运方程及扩散方程的建立；“数学”侧重于中子输运方程及扩散方程的数值计算方法、公式推导及矩阵求解；“计算机”则是基于上述方程及数学方法，开发反应堆物理分析程序或模块。这样的实践模式将授课内容及授课形式变得更加立体，不仅可以加深学生对理论知识的理解和掌握，也可以通过开发程序培养其解决实际问题的能力，破解留学生学习过程中遇到的实际困难。

3.推陈出新，建立全过程考核模式。传统考核方式为期末卷面考试，考核效果受试题难易影响很大，并不能真实反映学生对课程知识点的掌握情况。课程组取消仅靠卷面考试的考核形式，将课程的考核内容分为：期中考试、出勤考核、课后作业、编程大作业及小组讲解五部分，每部分所占比例分别为15%、5%、20%、40%、20%。这样的考核形式与三“1”教学模式和“物理+数学+计算机”实践模式相配合，能够加深学生对基础理论知识的深入理解，提升解决实际问题的能力，同时可以帮助任课教师随时了解学生对知识的掌握程度，避免为考而考，进一步促进教学效果。在优化和保留卷面考试优势的基础上，将其保留为学期中考核的一种方式，推出更多更灵活的实践型考核方式，逐步建立起全过程考核模式。

4.张弛有度，用好虚拟实验辅助模式。针对教学基础与国内外先进实验室差距问题，一方面应当加强实验室硬件升级和软件引进，另一方面必须加快软件自主化研究的进程，为教师科研和学生学习创造良好的平台环境。在这个过程中必须把握适度的原则，防过之而避不及，做到张弛有度。哈尔滨工程大学核学院拥有完全自主知识产权的高保真精细化反应堆物理计算程序HNET。为拓展学生实际堆芯物理分析能力，解决留学生实践方面的困难，可为学生开设个人账户，提供使用实际工程分析软件的机会，以针对实际问题开展分析与应用。同时，拥有针对压水堆、钠冷快堆的仿真平台，并引入了人工智能技术，让学生了解核反应堆物理在反应堆运行、安全分析中的作用。通过以上辅助模

三、“高等反应堆物理”课程改革成果反馈

通过课程升级，教学相长，经过两年的实践探索，“高等反应堆物理”课程在留学生中的反馈良好。问卷调查结果显示，学生普遍反映新版课程对自身帮助很大，总体上对课程评分在4~5 分（满分5分），其中，部分学生特别喜欢课堂现场问答环节，认为能够很好地加深知识掌握程度。大部分学习“高等反应堆物理”课程的留学生认为课程难度适中，实践环节有助于提高自己的编程能力，加深了对反应堆物理的认识程度。并且通过课程更好地了解数字孪生技术和数字化反应堆等核能领域先进知识，大踏步地赶上反应堆发展的新潮流。平均每年有10 余名来华硕博留学生通过本课程学习，掌握了丰富的理论知识，锻炼了实践能力。其中，部分留学生已经毕业回国，为“一带一路”建设贡献自己的力量。目前，已有巴基斯坦留学生毕业回国服务核电项目发展，助力我国自主知识产权的核电机组——“华龙一号”走出国门，向世界讲好中国核电故事，推动中国核电“走出去”。

四、结论

新工科背景下“高等反应堆物理”“四位一体”课程过程化管理与考核体系已经在留学生教学中取得了较好的效果。课改落实了“以学生为中心”的发展理念，从学生角度，使学生告别枯燥乏味的课堂，充分调动了学习积极性，让来华留学生更好接触到反应堆物理核心和前沿领域，学有所思、学有所得，最终实现学以致用。从教师角度，减轻课堂讲授的工作量，保证教师有充足的时间投身于课程实践，有利于教师加深对科研促进教学的理解。改革所取得成果不限于课程本身，也将为学校开设的新工科领域课程提供可借鉴的经验。