新工科背景下地方院校核電工程與核技術(shù)虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)的探索與實踐

吳 濤，王子豪，陳志遠，曾正魁，熊厚華，杜紀富，胡永紅，劉宏章

(1.咸寧職業(yè)技術(shù)學院 教務(wù)處，湖北 咸寧 437100 2.湖北科技學院 核技術(shù)與化學生物學院，湖北 咸寧 437100)

“新工科”背景下高校工科發(fā)展的專業(yè)應(yīng)具有信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、交叉化和創(chuàng)新性，要圍繞“新理念、新模式、新方法、新內(nèi)容、新質(zhì)量”等作為新工科建設(shè)和教育改革的基本內(nèi)容，培養(yǎng)面向戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的新型工程技術(shù)人才。信息技術(shù)作為先進的教學手段，可實現(xiàn)教學資源的共享開放與數(shù)字化，正帶來實驗教學的改革與創(chuàng)新。尤其依托虛擬仿真、網(wǎng)絡(luò)通訊等信息技術(shù)與學科專業(yè)深度融合所產(chǎn)生的虛擬仿真實驗教學已成為發(fā)展趨勢，是高等教育信息化建設(shè)、高校實驗教學示范中心建設(shè)與實驗教學改革的重要內(nèi)容。[1]因為，虛擬仿真實驗教學綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、人機交互、多媒體、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟的實驗，進而實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能，特別對于那些涉及高危或極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練以及現(xiàn)有實驗實訓條件不足等情況，虛擬仿真實驗教學具有明顯的優(yōu)勢。[2]于是，應(yīng)用虛擬仿真實驗對有輻射或高危險、高成本的涉核專業(yè)實驗項目進行教學和實訓是非常好的選擇。因此，基于新工科建設(shè)理念，本文將結(jié)合國內(nèi)外涉核專業(yè)虛擬仿真實驗教學的現(xiàn)狀，闡述湖北科技學院核電工程與核技術(shù)虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)的實踐及存在的問題，為地方院校涉核專業(yè)虛擬仿真實驗教學提供參考。

一、虛擬仿真實驗是涉核專業(yè)教學改革的發(fā)展趨勢

虛擬實驗的概念最早是由美國弗吉尼亞大學的William Wolf教授于1989年提出。由于核專業(yè)實驗的特殊性，國內(nèi)外有關(guān)涉核專業(yè)虛擬仿真實驗教學早已十分普及，但進展不一致。國外一些歐美核強國涉核專業(yè)虛擬仿真實驗教學的建設(shè)起步較早。如，美國能源部牽頭為其國內(nèi)的核工程高校開發(fā)了可用于開展核工程仿真實驗的VERA 平臺，進行核反應(yīng)堆物理相關(guān)的實驗仿真。[3]國內(nèi)由于核專業(yè)的成熟度以及相關(guān)技術(shù)的自主化程度仍處于發(fā)展階段，因此部分涉核專業(yè)高校才逐漸開始嘗試通過虛擬仿真實驗來提升教學質(zhì)量。例如，西安交通大學的核電廠全范圍網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺，基于3Keymaster平臺與現(xiàn)有的核電站原理模擬機結(jié)合，使用戶能在自己局域網(wǎng)環(huán)境中，通過賬戶登錄，利用瀏覽器，開展核反應(yīng)堆控制、核電廠運行等實驗課程；[4]華北電力大學將3D Max建模軟件和VRP虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于核專業(yè)的教學過程，以三維建模和動畫的形式，體現(xiàn)核電廠系統(tǒng)的工作流程、設(shè)備的布置和工作工況；[5]西南科技大學利用SIREP 仿真模擬器，以法國1300MW四環(huán)路機組數(shù)據(jù)為參考，對反應(yīng)堆一、二回路主要系統(tǒng)及其控制調(diào)節(jié)建立了模擬仿真。[6]還有高校也配套建立了虛擬仿真實驗教學中心，如哈爾濱工程大學的“核科學與技術(shù)虛擬仿真實驗教學中心”、南華大學的“核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實驗教學中心”等，以輔助核工程類專業(yè)開展虛擬仿真教學。[1,3]由此可見，虛擬仿真實驗教學已成為涉核專業(yè)實踐教學的重點和熱點。

湖北科技學院于2009年開辦核工程與核技術(shù)專業(yè)，主要培養(yǎng)核電工程、輻射化工兩個專業(yè)方向的本科生。地方院校新辦核專業(yè)，由于缺少足夠資金投入、實驗設(shè)施不完善、實習實訓基地不足等，導致相關(guān)的實驗教學難以實際開展。學校先后與中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司、中國原子能科學研究院等高水平單位簽訂了核專業(yè)實驗室建設(shè)與人才培養(yǎng)合作協(xié)議。為滿足核工程與核技術(shù)專業(yè)，并兼顧電氣工程及自動化、生物醫(yī)學工程等專業(yè)的教學需求，學校在建設(shè)湖北省電工電子實驗教學示范中心的基礎(chǔ)上，校企合作建成了核探測與輻射防護實驗室、核電子學實驗室、核電站虛擬漫游實驗室、核電廠運行模擬仿真實驗、核技術(shù)模擬仿真實驗室、輻射化學實驗室、電子加速器中心等核專業(yè)實驗室，以及電氣仿真綜合平臺、放射醫(yī)學治療系統(tǒng)平臺等虛擬仿真實驗教學資源。2015年依托核工程與核技術(shù)、電氣工程及其自動化、生物醫(yī)學工程等專業(yè)，學校申報獲批了湖北省核電工程與核技術(shù)虛擬仿真實驗教學中心，中心的建成對應(yīng)用型人才培養(yǎng)發(fā)揮了不可替代的作用。但是，由于核專業(yè)成熟度不高、虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)時間晚等，使得虛擬仿真實驗教學資源相對匱乏、資源建設(shè)分散重復(fù)、現(xiàn)有資源創(chuàng)新性和先進性不足、平臺建設(shè)缺乏可持續(xù)發(fā)展、資源開放共享不充分等問題和不足，逐漸顯現(xiàn)不能完全滿足新工科人才培養(yǎng)要求。

二、虛擬仿真實驗教學資源持續(xù)建設(shè)的實踐探索

建設(shè)虛擬仿真實驗教學中心、開展虛擬仿真實驗教學，其中優(yōu)質(zhì)的信息化實驗教學資源是前提基礎(chǔ)、是核心要素。[7]因此，虛擬仿真實驗教學資源的建設(shè)至關(guān)重要。根據(jù)新工科建設(shè)的要求，針對湖北省核電工程與核技術(shù)虛擬仿真實驗教學中心教學資源存在的問題和不足，我們一直在積極開展持續(xù)建設(shè)的實踐探索，并取得了初步成果。

1．資源整合，優(yōu)化重構(gòu)虛擬仿真實驗教學資源

系統(tǒng)整合校內(nèi)核工程與核技術(shù)專業(yè)、電氣工程及其自動化、生物醫(yī)學工程等專業(yè)已有的虛擬仿真實驗教學資源。我們整合了涉及核電、電力、輻照和放射治療等方面的虛擬仿真軟件資源，如核儀器設(shè)計仿真(Labview)軟件、變電站自動化實驗臺監(jiān)控(THESBD-1F型)軟件、現(xiàn)代精確放療計劃系統(tǒng)(ModernTPS)軟件，優(yōu)化重構(gòu)了《核探測與輻射防護實驗》《核儀器虛擬仿真實驗》《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗》《放射醫(yī)學虛擬仿真實驗》4門實驗課程，共計18個實驗項目。從而減少了資源重復(fù)開發(fā)和浪費，并有利于在全校乃致其他院校范圍內(nèi)的共享、應(yīng)用和推廣。

2．科教融合，促進科研成果轉(zhuǎn)化虛擬仿真實驗教學內(nèi)容

通過科研反哺教學，充分發(fā)揮學校核學科專業(yè)優(yōu)勢，促使科研特色和優(yōu)勢成果轉(zhuǎn)化為實驗教學資源。鼓勵教師在利用MCNP軟件、CFD軟件、Simulink軟件、SRIM軟件等開展科研的同時，積極將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容，開設(shè)了《反應(yīng)堆物理虛擬仿真實驗》《反應(yīng)堆熱工水力虛擬仿真實驗》《反應(yīng)堆安全與控制虛擬仿真實驗》《材料輻照虛擬仿真實驗》4門實驗課程，共計8個綜合性、創(chuàng)新性實驗項目。科研與教學的緊密結(jié)合不僅充實了實驗教學內(nèi)容、擴大了實驗教學深度、提高了科研設(shè)備的使用率，而且開闊了學生視野、拓寬了知識結(jié)構(gòu)、增強了綜合設(shè)計與創(chuàng)新能力。尤其是還不斷提升了實驗教學內(nèi)容的水平，保證了實驗教學內(nèi)容的更新與發(fā)展。

3．校企合作，構(gòu)建先進虛擬仿真實驗教學平臺

積極利用企業(yè)的開發(fā)實力和支持服務(wù)能力，建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實驗教學平臺。學校與中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司簽訂了戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，校企聯(lián)合研發(fā)了核電廠虛擬漫游軟件、堆芯本體虛擬軟件、蒸汽發(fā)生器虛擬軟件、主泵虛擬軟件、核電廠虛擬換料操作軟件、核電廠運行虛擬仿真軟件等，并通過企業(yè)捐贈和優(yōu)惠購買方式配置了虛擬仿真實驗教學所需的硬件設(shè)施，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、各類服務(wù)器和存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理軟件及其他配件等，合作構(gòu)建了兩大虛擬仿真實驗教學平臺，即“核電工程虛擬仿真實驗平臺”和“核技術(shù)虛擬仿真實驗平臺”。 平臺實際上就是以虛擬仿真技術(shù)為載體開展涉核專業(yè)實驗教學而使用的一系列軟硬件設(shè)施的統(tǒng)稱，主要側(cè)重于軟件環(huán)境，是教學資源優(yōu)化配置的實現(xiàn)路徑。通過平臺能自由搭建合理的課程或?qū)嶒烅椖?，可以配置、連接、調(diào)節(jié)和使用虛擬實驗儀器設(shè)備進行實驗。比如“核電工程虛擬仿真實驗平臺”不僅能夠運行核電廠虛擬漫游軟件、堆芯本體虛擬軟件、蒸汽發(fā)生器虛擬軟件、主泵虛擬軟件、核電廠虛擬換料操作軟件、核電廠運行虛擬仿真軟件，開展《核電廠系統(tǒng)與設(shè)備虛擬仿真實驗》《核電廠運行仿真實驗》2門實驗課程、共計12個實驗項目的實驗教學，而且可以搭載MCNP軟件、CFD軟件、Simulink軟件、PCTranAP1000軟件。“核技術(shù)虛擬仿真實驗平臺”主要運行核儀器設(shè)計仿真(Labview)軟件、放射醫(yī)學虛擬仿真(ModernTPS)軟件、離子注入(SRIM)軟件等。建成的兩個平臺不僅能根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案的要求、學生的需求、虛擬儀器設(shè)備等條件，提供不同類別和層次的實驗項目；還具有信息發(fā)布、數(shù)據(jù)收集分析、互動交流、成績評定、成果展示等基本功能。表1給出了兩大虛擬仿真實驗教學平臺及其搭載的實驗課程、實驗項目及實驗功能。

表1 兩大虛擬仿真實驗教學平臺與實驗課程、實驗項目、類型及功能

續(xù)表1 兩大虛擬仿真實驗教學平臺與實驗課程、實驗項目、類型及功能

4．資源共享，推進校內(nèi)外開放使用實驗教學資源

要實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學資源的開放共享和充分使用，必須對資源共享平臺進行創(chuàng)新性研發(fā)、或引進后二次開發(fā)，使其具有擴展性、兼容性、前瞻性和開放性。因此，我們建成了核電工程與核技術(shù)虛擬仿真實驗教學中心網(wǎng)站(http://nlc.hbust.com.cn/)，為資源建設(shè)和共享提供了窗口。中心網(wǎng)站發(fā)揮了虛擬仿真教學資源易于網(wǎng)絡(luò)使用、共享和維護更新的優(yōu)勢。我們構(gòu)建的虛擬仿真實驗教學資源已覆蓋了“核、電、醫(yī)”三方面的10門基礎(chǔ)和專業(yè)實驗課程，可實現(xiàn)38個實驗項目的虛擬仿真教學。但是，由于部分軟件受使用權(quán)限的限制，我們只提供了部分網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗課程、以及網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真學習資料等。學生通過登錄入口可在線預(yù)約實驗、預(yù)習實驗內(nèi)容、了解實驗過程，操作虛擬實驗，并提供了實驗指導、實驗批改和信息發(fā)布與查詢等功能；在課外自主學習的過程中，教學資源也突破了時空的限制，學生可與教師通過學習論壇互動交流。當然，大部分的仿真實驗課程必須在虛擬實驗室中，根據(jù)學生培養(yǎng)的需求，科學合理地選擇實驗項目，配置能滿足實驗要求的軟件、儀器設(shè)備等，開展實驗操作。我們的目標是最大限度地實現(xiàn)校內(nèi)外能逐步共享實驗教學資源，真正滿足虛擬仿真實驗教學的多元需求。

三、虛擬仿真實驗教學資源應(yīng)用實踐的教學成效與問題反思

目前，實驗教學資源的應(yīng)用與共享范圍以校內(nèi)為主，同時面向國內(nèi)相關(guān)專業(yè)的高校、企業(yè)及相關(guān)政府職能單位，已經(jīng)取得了良好的教學效果和社會效益，但是資源的建設(shè)仍處于起步和探索階段，也面臨著問題和困難。

1．應(yīng)用成效

(1)面向校內(nèi)的應(yīng)用。為校內(nèi)核工程與核技術(shù)、電氣工程及其自動化、生物醫(yī)學工程等3個相關(guān)專業(yè)學生提供良好的線上線下實踐訓練和自主學習平臺。通過虛擬仿真學習，學生不僅能夠?qū)W到豐富的實際操作知識，還能鞏固專業(yè)基礎(chǔ)知識，提高了學生的學習興趣和學習效果，對培養(yǎng)學生的工程能力和實踐能力具有重要作用。據(jù)統(tǒng)計，每年約有300名本科生利用網(wǎng)站進行自主學習和討論，有近200名學生利用中心虛擬仿真平臺自主開展畢業(yè)論文、課程設(shè)計、創(chuàng)新實踐的活動，還有近三分之一的畢業(yè)生通過本中心平臺培訓后，可以直接到大亞灣核電站、海南昌江核電站等就業(yè)，用人單位對學生評價良好。同時，教師也利用中心的教學科研資源進行科研工作，近年來已獲批項目26項、發(fā)表論文17篇。

(2)面向校外的應(yīng)用。部分網(wǎng)絡(luò)資源對外開放(如網(wǎng)站上傳的教學課件、Flash等)，可以為兄弟院校的教師、學生提供學習資源，達到共享。另外，平臺也為核電站、電力系統(tǒng)等部門的新員工開展崗前培訓，還為涉放射源或射線裝置單位工作人員提供培訓，比如我們與北京大學聯(lián)合主辦了國際原子能機構(gòu)亞太地區(qū)輻射技術(shù)應(yīng)用培訓班、與南華大學合作承辦了湖北省醫(yī)療行業(yè)人員的輻射防護培訓，累計培訓人數(shù)達500人。

2．問題反思

(1)資源的建設(shè)缺少高水平與原創(chuàng)性。目前虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)處于探索階段，大型、綜合的虛擬仿真實驗偏少，而且主要資源是市場購置的有使用授權(quán)限制的商業(yè)軟件，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研發(fā)和創(chuàng)新資源相對較少。另外，校企聯(lián)合開發(fā)創(chuàng)新性和先進性的教學資源還缺乏長期深入的有效合作機制，要積極探索校企共建共管的新模式和新途徑。

(2)資源的開放與共享存在技術(shù)障礙。一是多數(shù)虛擬仿真模型數(shù)據(jù)量較大，而且程序運行環(huán)境不支持流量數(shù)據(jù)傳輸，每個程序都必須下載全部內(nèi)容才能運行，因此程序內(nèi)容的授權(quán)難以控制；二是目前公共互聯(lián)網(wǎng)的寬帶也限制了虛擬仿真程序的動態(tài)加載運行。另外，技術(shù)標準和規(guī)范不統(tǒng)一、資源的兼容性不強、二次開發(fā)難度大，導致資源管理平臺的系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫支持以及功能模塊、運轉(zhuǎn)流程等與校外相互對接不流暢或存在障礙。

四、結(jié)語

我們在建設(shè)湖北省核電工程與核技術(shù)虛擬仿真實驗教學中心過程中，以建設(shè)信息化實驗教學資源為重點，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源為核心，通過資源整合、科教融合、校企合作、開放共享的方式，構(gòu)建了核電工程虛擬仿真實驗平臺和核技術(shù)虛擬仿真實驗平臺，分別搭建了覆蓋“核、電、醫(yī)”三方面的10門實驗課程、38個不同層次的實驗項目。核電工程與核技術(shù)虛擬仿真實驗教學資源的教學應(yīng)用增強了學生專業(yè)學習興趣和實驗效果，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量，但也面臨著一些問題和困難。必須看到，虛擬仿真教學資源的建設(shè)是一個不斷完善的過程。