同位素分離原理課程多學(xué)科模塊化的教學(xué)模式探討

張 萌，楊 洋，矯彩山，王艷力

(哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

0 引言

核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全重要基石。要堅持安全發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展，堅持和平利用核能，全面提升核工業(yè)的核心競爭力，續(xù)寫我國核工業(yè)新的輝煌篇章。按照我國核工業(yè)的發(fā)展定位，未來30年，是我國由核大國向核強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期。實現(xiàn)這一目標(biāo)，關(guān)鍵就是科技創(chuàng)新。為進(jìn)一步響應(yīng)國家科技創(chuàng)新和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，研究生教育應(yīng)有針對性地培養(yǎng)國家科技創(chuàng)新、戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展所亟需的高層次專門人才[1]。此外，研究生教育位于高等教育的頂端，一流的研究生教育是“雙一流”的突出特征，在“雙一流”建設(shè)中需要重點關(guān)注研究生教育的改革與發(fā)展[2]。2018年7月2日在北京清華大學(xué)召開的全國核學(xué)科研究生課程建設(shè)論壇——核科學(xué)與技術(shù)學(xué)科《研究生核心課程指南》編寫研討會，會上對核燃料循環(huán)與材料學(xué)科的4門核心課程指南進(jìn)行了深入討論。2018年7月18日在哈爾濱工程大學(xué)召開評議組會議，同位素分離課程被推薦列為核燃料循環(huán)與材料二級學(xué)科核心課程名單之首。2019年4月，再次在北京清華大學(xué)召開了全國核學(xué)科研究生課程建設(shè)論壇，探討同位素分離原理課程大綱。

核燃料循環(huán)與材料學(xué)科專業(yè)研究生的培養(yǎng)是我國核力量的基礎(chǔ)和創(chuàng)新的基礎(chǔ)。但是，本專業(yè)人才培養(yǎng)的數(shù)量和質(zhì)量，與國家的需求嚴(yán)重不符。因此，要充分發(fā)揮高?！皩W(xué)術(shù)敏感性、前沿性、學(xué)科交叉”的優(yōu)勢，加大高水平人才的培養(yǎng)。研究生同位素分離原理課程作為核燃料循環(huán)與材料學(xué)科的核心課程，需要結(jié)合現(xiàn)有學(xué)生專業(yè)背景知識差異，在確保學(xué)生深入理解理論和方法的同時，采用模塊化的教學(xué)方式，實現(xiàn)多學(xué)科的交融及創(chuàng)新，力爭培養(yǎng)復(fù)合型人才。

同位素分離原理課程旨在培養(yǎng)學(xué)生解決核工業(yè)中的同位素分離問題，為研究生從事科學(xué)研究、核燃料循環(huán)相關(guān)技術(shù)實踐打牢基礎(chǔ)。但是由于同位素分離原理課程由眾多部分構(gòu)成，各部分內(nèi)容從先修課程、知識背景到本身內(nèi)容存在較大差異，背景知識跨度廣，采用傳統(tǒng)教學(xué)模式學(xué)生或無法適應(yīng)，因而有必要對研究生同位素分離原理課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革?？紤]到不同高校研究生專業(yè)背景知識的差異與今后從事研究方向的差異，以及推進(jìn)跨學(xué)科人才培養(yǎng)新要求，提出了同位素分離原理課程多學(xué)科模塊化的教學(xué)模式。同位素分離原理課程涵蓋了本學(xué)科的基礎(chǔ)理論以及專業(yè)知識，該課程的開設(shè)將在哈爾濱工程大學(xué)、同類院校中具有廣闊的應(yīng)用前景。針對哈爾濱工程大學(xué)2019級核化工專業(yè)研究生進(jìn)行了同位素分離原理課程多學(xué)科模塊化的教學(xué)模式實踐。

1 模塊化教學(xué)思路

模塊化教學(xué)主要圍繞學(xué)生的能力培養(yǎng)，是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的有效方法，所謂模塊化指的是一個專業(yè)內(nèi)單一的教學(xué)活動組合成不同的主題式教學(xué)單元(即模塊)[3-4]。在波洛格納(Bologna)進(jìn)程下，模塊化教學(xué)改革已在歐洲區(qū)域全面推廣，所有波洛格納協(xié)議簽署國的高校已完成模塊化教學(xué)體制改革，其中德國高校在這方面取得了一系列的成功經(jīng)驗[4-8]。德國高校模塊化教學(xué)改革將與同一主題相關(guān)聯(lián)的若干門課程組成一個相對獨立的教學(xué)單元。一個課程模塊可以由講授、討論、練習(xí)、實驗等不同教學(xué)形式的課程組成[7]。參考德國的模塊化教學(xué)改革經(jīng)驗，將同位素分離原理課程依據(jù)其教學(xué)內(nèi)容和學(xué)科知識點進(jìn)行模塊化，采用講授、討論、練習(xí)、講座的教學(xué)形式，突出學(xué)生在教學(xué)活動中的主體地位。模塊化教學(xué)構(gòu)建思路如下：

第一，教學(xué)內(nèi)容模塊化。將同位素分離原理課程的各個章節(jié)依據(jù)其知識背景以及研究方向的不同劃分為不同模塊，如基本概念、化學(xué)分離、激光分離、物理分離以及經(jīng)濟(jì)性分析等模塊，由于同位素分離學(xué)科的特點，從概念、原理、方法、前沿的技術(shù)、現(xiàn)有的工廠、經(jīng)濟(jì)性研究、核保障稽查、核安全等方面，設(shè)立相關(guān)模塊。力爭保證模塊的深度、廣度、獨立性，讓學(xué)生可以自由地根據(jù)模塊內(nèi)容選擇，滿足學(xué)生的個性化需求。保證教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)總體培養(yǎng)目標(biāo)有緊密的聯(lián)系，與學(xué)生將來從事的實際工作內(nèi)容緊密結(jié)合，避免盲目性和隨意性。

第二，學(xué)科知識點模塊化。將具體的學(xué)科知識點模塊化，比如化學(xué)同位素分離中的同位素效應(yīng)，涉及到量子化學(xué)的知識模塊；離心法，涉及到流體力學(xué)的知識模塊；經(jīng)濟(jì)性研究，涉及到技術(shù)經(jīng)濟(jì)模塊。從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，通過將同位素分離原理中不同教學(xué)內(nèi)容所涉及的學(xué)科知識點進(jìn)行提取歸類，使學(xué)生根據(jù)實際基礎(chǔ)以及先修課程進(jìn)行選擇，可確保對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容能夠講深、講透。此外，學(xué)科知識點的模塊化可促進(jìn)相關(guān)課程的有機(jī)銜接，確保學(xué)生所學(xué)知識的系統(tǒng)性與連貫性，從而進(jìn)一步推進(jìn)跨學(xué)科的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

第三，模塊間的耦合。理清教學(xué)內(nèi)容模塊、學(xué)科知識點模塊及其相互關(guān)系，形成本課程的總體知識網(wǎng)。模塊間的耦合應(yīng)從專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，在滿足學(xué)生個性化需求的前提下，確保與學(xué)生的相關(guān)課程知識、能力培養(yǎng)、技能聯(lián)系相結(jié)合。同位素分離原理模塊化課程教學(xué)內(nèi)容與多學(xué)科的知識點耦合，如圖1所示。

圖1 模塊化課程教學(xué)內(nèi)容與多學(xué)科的知識點耦合結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of the coupling of modularization course teaching content and multi-disciplinary knowledge points

第四，教學(xué)形式與考核。教學(xué)形式從傳統(tǒng)的以教師為主體轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主體的教學(xué)模式，突出學(xué)生在教學(xué)活動中的主體地位，采用講授、討論、練習(xí)、講座的教學(xué)形式。學(xué)生在課后通過查閱文獻(xiàn)資料等途徑調(diào)研所選模塊實際工廠應(yīng)用情況以及最新研究進(jìn)展，并在課堂討論時間介紹，教師對模塊原理以及涉及知識點進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)充講授。定期邀請外聘企業(yè)教師進(jìn)行相關(guān)模塊的前沿講座。通過提高課堂討論在考核分值中所占比重，激勵學(xué)生參與課堂討論，鼓勵學(xué)生提出問題。

考核方式的具體實施主要考慮以下幾點：第一，學(xué)生對所選模塊原理的了解程度，通過學(xué)生課堂介紹表現(xiàn)進(jìn)行考核。第二，學(xué)生對所選模塊實際應(yīng)用以及最新進(jìn)展的調(diào)研，通過學(xué)生提交的綜述報告以及補(bǔ)充的文獻(xiàn)資料進(jìn)行考核。第三，學(xué)生課堂討論環(huán)節(jié)參與情況，包括學(xué)生對學(xué)生的提問以及教師對學(xué)生的提問。第四，每個模塊結(jié)束后的隨堂練習(xí)與課后習(xí)題的完成情況。

2 模塊化教學(xué)實踐及評估

2.1 模塊化教學(xué)實踐

對哈爾濱工程大學(xué)2019級核化工專業(yè)研究生進(jìn)行了同位素分離原理課程多學(xué)科模塊化的教學(xué)模式實踐。將32學(xué)時的課堂授課劃分為五個模塊，各模塊的內(nèi)容與對應(yīng)學(xué)時安排如下：

第一，基本概念模塊。該模塊為所有學(xué)生必選模塊，授課形式以教師授課為主，教師對同位素分離有關(guān)概念以及研究意義進(jìn)行整體介紹，包括學(xué)科定義、研究對象以及主要分離方法的整體介紹。知識點方面重點介紹級聯(lián)理論，要求學(xué)生具有一定的數(shù)值計算基礎(chǔ)。教學(xué)時長為6學(xué)時，考核方式為隨堂測試與課后練習(xí)。

第二，化學(xué)分離模塊。該模塊為可選模塊，授課形式以學(xué)生討論為主。教師先對該模塊涉及的學(xué)科知識點進(jìn)行補(bǔ)充，如統(tǒng)計力學(xué)的配分函數(shù)、量子統(tǒng)計力學(xué)基礎(chǔ)等。選擇該模塊的學(xué)生分別對該模塊涉及的原理如同位素效應(yīng)等以及分離方法如單溫、雙溫化學(xué)交換方法等進(jìn)行課后調(diào)研，重點調(diào)研化學(xué)分離在實際同位素分離方面的應(yīng)用與最新研究，最后在課堂進(jìn)行討論分享，并提交綜述報告。教學(xué)時長為10學(xué)時，考核方式包括學(xué)生課堂報告、綜述報告以及課堂討論參與情況。

第三，激光分離模塊。該模塊為可選模塊，授課形式以學(xué)生討論為主。教師對涉及的學(xué)科知識如原子核物理中的核外結(jié)構(gòu)、吸收光譜等進(jìn)行補(bǔ)充。學(xué)生需在課堂討論分享其調(diào)研成果并提交綜述報告。教學(xué)時長為4學(xué)時，考核方式包括學(xué)生課堂報告、綜述報告以及課堂討論參與情況。

第四，物理分離模塊。該模塊為可選模塊，授課形式以學(xué)生討論為主。教師對涉及的學(xué)科知識如電磁、電場中的物理性質(zhì)、氣體動力學(xué)、氣體擴(kuò)散理論等進(jìn)行補(bǔ)充。學(xué)生需在課堂討論分享其調(diào)研成果并提交綜述報告。教學(xué)時長為9學(xué)時，考核方式包括學(xué)生課堂報告、綜述報告以及課堂討論參與情況。

第五，經(jīng)濟(jì)性分析模塊。該模塊為所有學(xué)生必選模塊，授課形式以教師授課為主，教師對所有同位素分離方法的分離效果進(jìn)行總結(jié)，介紹不同分離方法的價值函數(shù)與分離功率，并介紹如何根據(jù)同位素分離方法來研究和分析其工業(yè)經(jīng)濟(jì)的內(nèi)在規(guī)律、經(jīng)營管理和在工業(yè)生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟(jì)效益。教學(xué)時長為3學(xué)時，考核方式為隨堂測試與課后練習(xí)。

2.2 模塊化教學(xué)模式效果評估

在同位素分離原理課程多學(xué)科模塊化的教學(xué)模式中，每個教學(xué)模塊都有明確的教學(xué)目標(biāo)與考核方式，模塊內(nèi)容與專業(yè)的總體培養(yǎng)目標(biāo)緊密聯(lián)系。各模塊考慮學(xué)生的個性化需求，并且重視與實際研究應(yīng)用和與學(xué)生將來實際從事工作內(nèi)容緊密結(jié)合。此外，在教學(xué)模塊的內(nèi)容中穿插進(jìn)行學(xué)科知識點的補(bǔ)充，使相關(guān)課程有機(jī)銜接，增加了知識系統(tǒng)的連貫性。

通過對比2019級學(xué)生與2018級、2017級學(xué)生的課堂表現(xiàn)可以看出，多學(xué)科模塊化的教學(xué)模式下學(xué)生課堂參與度有了顯著提升。相比于之前的每個模塊都學(xué)，但是每個模塊都學(xué)不深的問題，選擇更需要的模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)，極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性。通過測試結(jié)果可以看出，模塊化教學(xué)模式下學(xué)生對于所選模塊的掌握程度優(yōu)于前兩級學(xué)生。此外，學(xué)生通過課外調(diào)研對課本內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充，撰寫綜述報告也鍛煉了學(xué)生的科研寫作能力。

3 結(jié)語

對于背景知識跨度廣的課程，實行多學(xué)科模塊化的教學(xué)改革可以使研究生的課程學(xué)習(xí)主體由教師轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生，突出了學(xué)生在教學(xué)活動中的主體地位，提高了學(xué)生的積極性。尤其是對于同位素分離原理等實際應(yīng)用性較強(qiáng)的學(xué)科，模塊化的教學(xué)模式不再以知識點的灌輸為主。通過學(xué)生的課后調(diào)研對課堂內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，保證教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)總體培養(yǎng)目標(biāo)有緊密的聯(lián)系，與學(xué)生將來從事的實際工作內(nèi)容緊密結(jié)合，避免了教學(xué)內(nèi)容的盲目性和隨意性。教學(xué)改革牽一發(fā)而動全身，對同位素分離原理課程進(jìn)行多學(xué)科模塊化的教學(xué)改革，需要與前端基礎(chǔ)課程以及其他相關(guān)課程相結(jié)合，這樣才能確保學(xué)生整個課程學(xué)習(xí)的連貫性。