虛擬仿真實驗室在核工程與核技術專業人才培養中的優勢

謝金森 湯凌志 曾文杰

摘要：虛擬仿真技術已廣泛應用于各個行業。本文結合核工程與核技術的專業特點，探討虛擬仿真實驗室建設對核工程與核技術專業在學生實踐能力培養、學生創新能力培養、節約教學資源以及就業等方面的促進作用。實踐表明建立虛擬仿真實驗教學機制不僅可以有效提高學生的實踐創新能力，更能全面促進學生對專業的認識，提高教學效率，促進學生就業。

Abstract： Virtual simulation technology has been widely used in various industries. This paper combines the characteristics of nuclear engineering and nuclear technology major， and discusses the promotion role of virtual simulation laboratory construction for nuclear engineering and nuclear technology major in the cultivation of students' practical ability and innovative ability， saving teaching resources and employment. Practice shows that establishing a virtual simulation experimental teaching mechanism can not only effectively improve the students' practical innovation ability， but also can fully promote students' understanding of the major， improve teaching efficiency and promote student employment.

關鍵詞：虛擬仿真實驗室；核工程與核技術；優勢

Key words： virtual simulation laboratory； nuclear engineering and nuclear technology； advantages

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）19-0251-02

0 引言

虛擬仿真實驗室是虛擬仿真技術應用的重要載體。隨著虛擬仿真技術的成熟，人們漸步認識到虛擬仿真技術在教育領域的應用價值。建立虛擬仿真實驗室不僅可以輔助科研工作，在實踐教學方面也具有高效率﹑易于維護等諸多優點。近年來，我國已有許多高校根據自身科研和教學的需要，建成了一批虛擬仿真實驗室。隨著國家核工業的不斷發展，國家對核工程與核技術專業人才的需求愈發凸顯，對人才實踐創新能力培養也提出了更高的要求。然而，核工程與核技術專業是一門技術復雜、設備繁多且以工程實踐為基礎的專業。絕大多數高校無法完整地開展核工程與核技術專業的實踐教學。一方面，核工程與核技術專業的實踐教學涉及到大型核設施設備，設備成本高；另一方面，涉核實驗中多數為不可及﹑不可逆實驗，無法在現實中實現。因此，通過建立虛擬仿真實驗室，培養學生實踐創新能力，滿足學生自主學習需要，從而實現對學生貫通式的培養，以適應大眾化教育背景下學生個性化發展的需要。

1 核工程與核技術專業人才培養

我國核工程與核技術專業人才教育開始于20世紀50年代，一批重點院校相繼建立了與核工程與核技術相關的系所，當時的主要目的是為了適應我國核武器事業和核科技工業的發展。核工程與核技術專業人才培養注重實踐能力、創新能力的培養。早期我國的核工程與核技術專業教學缺乏教學實驗室和實驗設施，高校也沒有足夠的能力建立完善的實驗設施，導致對學生的實踐創新能力培養相對薄弱，無法滿足社會需求。因此，加強和完善核工程與核技術專業的設施建設是非常關鍵的。

隨著核能與核技術領域的不斷發展，涉核企業對核類人才的能力要求也越來越高，不僅要求培養的人才具有扎實的專業基礎、較強的獲取知識、更新知識的能力，還要能夠分析歸納、綜合應用所學理論知識，分析解決實際問題。而這些，僅僅著眼于課堂和課本是不夠的。虛擬仿真技術提供計算機強大的交互功能和虛擬軟件友好的人機界面，結合了視聽功能、形象直觀，采用虛擬仿真技術開展實驗教學，能有效激發學生對專業的興趣，充分調動學生參與的積極性，有助于培養學生應用計算機控制儀器、收集數據、分析數據、駕馭大批數據和制作實驗報告的能力，全面提高學生綜合應用計算機的能力，增強學生步入社會的適應能力，切實提高學生多方面的能力。

2 虛擬仿真實驗在核工程與核技術專業人才培養中的優勢

虛擬仿真技術綜合運用了計算機圖形學、圖像處理與模式識別、智能技術、傳感技術、語言處理與音響技術和網絡技術等多門科學，融入了大量的圖片、動畫、語音等多媒體元素，有助于引導和幫助學生進行個性化的學習。相對于傳統的課堂加實驗模式，利用科技的進步，在學生實踐教學方面產生了一個質的飛躍，網絡版的虛擬實驗系統更配有實時的信息交流平臺，教師還可以借此與學生進行課后的交流和討論，增強了師生間的互動，提高了指導的效果，激勵學習者探索性思維。

2.1 實踐能力培養方面

解決招生規模擴大后的學生現場生產實習、實踐難的問題。南華大學核類專業的生產實習地點主要有中國原子能科學研究院、中國核動力研究設計院、中核（北京）核儀器廠、中國輻射防護研究院、中核（西安）核儀器廠、中科院上海應用物理研究所等單位。擴招之前實習學生人數是30-40人/年，實踐教學資源非常豐富；擴招之后，現在實習學生人數是500-600人/年，需要分批進行，每批實習的人數都非常多，實習時間和實習效果都顯著下降，同時也給實習接待單位的正?？蒲猩a活動造成影響。雖然虛擬仿真實驗教學不能完全替代實踐教學，但是在一定程度上可以緩解實踐教學的資源不足問題。

特別是在學生理論知識學習和實踐能力培養過程中，往往有一些實驗與實踐環節是在真實環境下難以復現、觀察或者成本較高實施難度較大的為使學生對專業理論與知識有親身的體驗和直觀感受，有必要借助虛擬仿真技術，利用數字化、多媒體、網絡化軟硬件技術，精確模擬真實物理環境和作業任務，讓學生在虛擬仿真實驗平臺下，完成真實環境難以實現的認知和實踐過程，從而提高學生對知識的深入理解和綜合運用程度。

2.2 創新能力的培養方面

中國高校的傳統教育一直著重于知識教育，對學生的創新能力和創新精神培養度不強。據調查，在核電企業，一般畢業的本科學生都愿意接受分配的工作任務，但是卻沒有足夠的能力去承擔具有挑戰性的研究工作。其實不是這些學生沒有勇氣，而是高校在培養學生的時候忽視了能力教育、素質教育和創新教育。

虛擬仿真教學充分利用各類先進的仿真技術，體現虛擬仿真的高精度、高效率的特點，在學生研究能力和創新能力培養提供了良好平臺。實現綜合設計和創新平臺方面，利用虛擬仿真平臺，將所學知識轉化為解決科研和生產實際問題能力，開發工程實踐能力和研究創新能力。例如，專用軟件的開放與再開發提高碩士博士科研創新能力，同時形成反哺實驗室的良性循環。

2.3 節約實驗教學成本

節約實驗教學經費，大幅提高了實驗教學經費的使用效率。通過虛擬仿真實驗教學，可以部分彌補在開展學生現場實驗過程中普遍存在的學生人數偏多；實驗的深度不夠、范圍狹窄等問題。核電實驗室建設費用一般都過百萬，而許多高校本身沒有足夠的經費建設實驗室，但實驗教學的儀器價格通常都很貴，且對學生的實驗技能要求較高，一旦出現實驗失誤，其損失和后果不堪設想。而仿真虛擬實驗軟件的出現有效解決了上述問題，不僅大大降低了實驗成本，還不受時間、物質條件等其它客觀因素的限制，能為學生提供更多的體驗和學習機會。另外，只需提高實驗室開放程度，便可實現學生全天候開展實驗。虛擬仿真實驗教學對計算機和服務器資源要求較高，但對硬件設備的要求相對較低，如此不僅有利于提高實驗室的開放程度，也便于開展全天候虛擬仿真實驗教學。

2.4 關于就業

核工程與核技術專業相關的多數企業要求從業者具有高的實踐能力，例如基于核電站具有高度敏感性，一旦出現失誤便是災害性的，比如日本福島核事故、蘇聯切爾諾貝利事故、美國三里島事故等，所以對相關人員的要求必須做到精準無誤。然而，核電站是一個龐大的系統，不僅內部結構極其復雜，其環境還具有高輻射，導致操縱人員的的日常培訓困難重重。而虛擬現實技術的出現為核電站安全培訓提供了新的方式，采取該技術即使在培訓中出現紕漏，其損失也不會是致命的，大大降低了培訓的環境和財務風險，基于此，國內核電領域的很多標桿企業均采用了該技術構建核電站虛擬仿真系統。虛擬現實技術在核電相關的多個領域都具有廣泛的應用前景，比如宣傳演示、安全培訓及輔助設計等，為我國的核電長遠發展產生了巨大的積極影響。對于核專業以就業為方向的畢業生們，提前利用虛擬仿真技術模仿實際工作環節和真實情景建立起來的仿真場所，使學生在實習的過程中把專業課所學的基本技能知識得到鞏固和練習。在今后的工作中能更快地適應和提高。

3 結束語

在各高校培養核工程與核技術專業人才時，虛擬仿真實驗室的存在讓學生享受到了更好的實踐教學環境，有利于將理論和實踐教學體系相結合，讓學生走入虛擬實驗環境，學會理論聯系實際，不僅有效地提高了學生的實踐能力、學習興趣，更能全面促進學生對專業的認識，提高了教學效率。

參考文獻：

[1]鄒家柱，程品晶.高校虛擬仿真實驗室建設總結[J].中國電力教育，2014（18）：80-81.

[2]曾文杰，謝金森，程品晶，等.高校核專業虛擬仿真實驗教學建設探索——問題與對策[J].教育教學論壇，2017（25）：273-274.

[3]王虎，陳建華.核工程與核技術專業虛擬實習教學方式研究[J].東北電力大學教學，2011（31）：201-203.