新工科背景下地方院校核电工程与核技术虚拟仿真实验教学资源建设的探索与实践

吴 涛，王子豪，陈志远，曾正魁，熊厚华，杜纪富，胡永红，刘宏章

(1.咸宁职业技术学院 教务处，湖北 咸宁 437100 2.湖北科技学院 核技术与化学生物学院，湖北 咸宁 437100)

“新工科”背景下高校工科发展的专业应具有信息化、网络化、智能化、交叉化和创新性，要围绕“新理念、新模式、新方法、新内容、新质量”等作为新工科建设和教育改革的基本内容，培养面向战略性新兴产业和新经济需要的新型工程技术人才。信息技术作为先进的教学手段，可实现教学资源的共享开放与数字化，正带来实验教学的改革与创新。尤其依托虚拟仿真、网络通讯等信息技术与学科专业深度融合所产生的虚拟仿真实验教学已成为发展趋势，是高等教育信息化建设、高校实验教学示范中心建设与实验教学改革的重要内容。[1]因为，虚拟仿真实验教学综合应用虚拟现实、人机交互、多媒体、数据库以及网络通信等技术，通过构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，特别对于那些涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练以及现有实验实训条件不足等情况，虚拟仿真实验教学具有明显的优势。[2]于是，应用虚拟仿真实验对有辐射或高危险、高成本的涉核专业实验项目进行教学和实训是非常好的选择。因此，基于新工科建设理念，本文将结合国内外涉核专业虚拟仿真实验教学的现状，阐述湖北科技学院核电工程与核技术虚拟仿真实验教学资源建设的实践及存在的问题，为地方院校涉核专业虚拟仿真实验教学提供参考。

一、虚拟仿真实验是涉核专业教学改革的发展趋势

虚拟实验的概念最早是由美国弗吉尼亚大学的William Wolf教授于1989年提出。由于核专业实验的特殊性，国内外有关涉核专业虚拟仿真实验教学早已十分普及，但进展不一致。国外一些欧美核强国涉核专业虚拟仿真实验教学的建设起步较早。如，美国能源部牵头为其国内的核工程高校开发了可用于开展核工程仿真实验的VERA 平台，进行核反应堆物理相关的实验仿真。[3]国内由于核专业的成熟度以及相关技术的自主化程度仍处于发展阶段，因此部分涉核专业高校才逐渐开始尝试通过虚拟仿真实验来提升教学质量。例如，西安交通大学的核电厂全范围网络虚拟仿真平台，基于3Keymaster平台与现有的核电站原理模拟机结合，使用户能在自己局域网环境中，通过账户登录，利用浏览器，开展核反应堆控制、核电厂运行等实验课程；[4]华北电力大学将3D Max建模软件和VRP虚拟现实应用于核专业的教学过程，以三维建模和动画的形式，体现核电厂系统的工作流程、设备的布置和工作工况；[5]西南科技大学利用SIREP 仿真模拟器，以法国1300MW四环路机组数据为参考，对反应堆一、二回路主要系统及其控制调节建立了模拟仿真。[6]还有高校也配套建立了虚拟仿真实验教学中心，如哈尔滨工程大学的“核科学与技术虚拟仿真实验教学中心”、南华大学的“核能与核技术工程虚拟仿真实验教学中心”等，以辅助核工程类专业开展虚拟仿真教学。[1,3]由此可见，虚拟仿真实验教学已成为涉核专业实践教学的重点和热点。

湖北科技学院于2009年开办核工程与核技术专业，主要培养核电工程、辐射化工两个专业方向的本科生。地方院校新办核专业，由于缺少足够资金投入、实验设施不完善、实习实训基地不足等，导致相关的实验教学难以实际开展。学校先后与中核武汉核电运行技术股份有限公司、中国原子能科学研究院等高水平单位签订了核专业实验室建设与人才培养合作协议。为满足核工程与核技术专业，并兼顾电气工程及自动化、生物医学工程等专业的教学需求，学校在建设湖北省电工电子实验教学示范中心的基础上，校企合作建成了核探测与辐射防护实验室、核电子学实验室、核电站虚拟漫游实验室、核电厂运行模拟仿真实验、核技术模拟仿真实验室、辐射化学实验室、电子加速器中心等核专业实验室，以及电气仿真综合平台、放射医学治疗系统平台等虚拟仿真实验教学资源。2015年依托核工程与核技术、电气工程及其自动化、生物医学工程等专业，学校申报获批了湖北省核电工程与核技术虚拟仿真实验教学中心，中心的建成对应用型人才培养发挥了不可替代的作用。但是，由于核专业成熟度不高、虚拟仿真实验教学中心建设时间晚等，使得虚拟仿真实验教学资源相对匮乏、资源建设分散重复、现有资源创新性和先进性不足、平台建设缺乏可持续发展、资源开放共享不充分等问题和不足，逐渐显现不能完全满足新工科人才培养要求。

二、虚拟仿真实验教学资源持续建设的实践探索

建设虚拟仿真实验教学中心、开展虚拟仿真实验教学，其中优质的信息化实验教学资源是前提基础、是核心要素。[7]因此，虚拟仿真实验教学资源的建设至关重要。根据新工科建设的要求，针对湖北省核电工程与核技术虚拟仿真实验教学中心教学资源存在的问题和不足，我们一直在积极开展持续建设的实践探索，并取得了初步成果。

1．资源整合，优化重构虚拟仿真实验教学资源

系统整合校内核工程与核技术专业、电气工程及其自动化、生物医学工程等专业已有的虚拟仿真实验教学资源。我们整合了涉及核电、电力、辐照和放射治疗等方面的虚拟仿真软件资源，如核仪器设计仿真(Labview)软件、变电站自动化实验台监控(THESBD-1F型)软件、现代精确放疗计划系统(ModernTPS)软件，优化重构了《核探测与辐射防护实验》《核仪器虚拟仿真实验》《电力系统虚拟仿真实验》《放射医学虚拟仿真实验》4门实验课程，共计18个实验项目。从而减少了资源重复开发和浪费，并有利于在全校乃致其他院校范围内的共享、应用和推广。

2．科教融合，促进科研成果转化虚拟仿真实验教学内容

通过科研反哺教学，充分发挥学校核学科专业优势，促使科研特色和优势成果转化为实验教学资源。鼓励教师在利用MCNP软件、CFD软件、Simulink软件、SRIM软件等开展科研的同时，积极将科研成果转化为实验教学内容，开设了《反应堆物理虚拟仿真实验》《反应堆热工水力虚拟仿真实验》《反应堆安全与控制虚拟仿真实验》《材料辐照虚拟仿真实验》4门实验课程，共计8个综合性、创新性实验项目。科研与教学的紧密结合不仅充实了实验教学内容、扩大了实验教学深度、提高了科研设备的使用率，而且开阔了学生视野、拓宽了知识结构、增强了综合设计与创新能力。尤其是还不断提升了实验教学内容的水平，保证了实验教学内容的更新与发展。

3．校企合作，构建先进虚拟仿真实验教学平台

积极利用企业的开发实力和支持服务能力，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学平台。学校与中核武汉核电运行技术股份有限公司签订了战略合作框架协议，校企联合研发了核电厂虚拟漫游软件、堆芯本体虚拟软件、蒸汽发生器虚拟软件、主泵虚拟软件、核电厂虚拟换料操作软件、核电厂运行虚拟仿真软件等，并通过企业捐赠和优惠购买方式配置了虚拟仿真实验教学所需的硬件设施，如网络设备、各类服务器和存储设备、网络管理软件及其他配件等，合作构建了两大虚拟仿真实验教学平台，即“核电工程虚拟仿真实验平台”和“核技术虚拟仿真实验平台”。 平台实际上就是以虚拟仿真技术为载体开展涉核专业实验教学而使用的一系列软硬件设施的统称，主要侧重于软件环境，是教学资源优化配置的实现路径。通过平台能自由搭建合理的课程或实验项目，可以配置、连接、调节和使用虚拟实验仪器设备进行实验。比如“核电工程虚拟仿真实验平台”不仅能够运行核电厂虚拟漫游软件、堆芯本体虚拟软件、蒸汽发生器虚拟软件、主泵虚拟软件、核电厂虚拟换料操作软件、核电厂运行虚拟仿真软件，开展《核电厂系统与设备虚拟仿真实验》《核电厂运行仿真实验》2门实验课程、共计12个实验项目的实验教学，而且可以搭载MCNP软件、CFD软件、Simulink软件、PCTranAP1000软件。“核技术虚拟仿真实验平台”主要运行核仪器设计仿真(Labview)软件、放射医学虚拟仿真(ModernTPS)软件、离子注入(SRIM)软件等。建成的两个平台不仅能根据专业培养方案的要求、学生的需求、虚拟仪器设备等条件，提供不同类别和层次的实验项目；还具有信息发布、数据收集分析、互动交流、成绩评定、成果展示等基本功能。表1给出了两大虚拟仿真实验教学平台及其搭载的实验课程、实验项目及实验功能。

表1 两大虚拟仿真实验教学平台与实验课程、实验项目、类型及功能

续表1 两大虚拟仿真实验教学平台与实验课程、实验项目、类型及功能

4．资源共享，推进校内外开放使用实验教学资源

要实现优质教学资源的开放共享和充分使用，必须对资源共享平台进行创新性研发、或引进后二次开发，使其具有扩展性、兼容性、前瞻性和开放性。因此，我们建成了核电工程与核技术虚拟仿真实验教学中心网站(http://nlc.hbust.com.cn/)，为资源建设和共享提供了窗口。中心网站发挥了虚拟仿真教学资源易于网络使用、共享和维护更新的优势。我们构建的虚拟仿真实验教学资源已覆盖了“核、电、医”三方面的10门基础和专业实验课程，可实现38个实验项目的虚拟仿真教学。但是，由于部分软件受使用权限的限制，我们只提供了部分网络虚拟实验课程、以及网络虚拟仿真学习资料等。学生通过登录入口可在线预约实验、预习实验内容、了解实验过程，操作虚拟实验，并提供了实验指导、实验批改和信息发布与查询等功能；在课外自主学习的过程中，教学资源也突破了时空的限制，学生可与教师通过学习论坛互动交流。当然，大部分的仿真实验课程必须在虚拟实验室中，根据学生培养的需求，科学合理地选择实验项目，配置能满足实验要求的软件、仪器设备等，开展实验操作。我们的目标是最大限度地实现校内外能逐步共享实验教学资源，真正满足虚拟仿真实验教学的多元需求。

三、虚拟仿真实验教学资源应用实践的教学成效与问题反思

目前，实验教学资源的应用与共享范围以校内为主，同时面向国内相关专业的高校、企业及相关政府职能单位，已经取得了良好的教学效果和社会效益，但是资源的建设仍处于起步和探索阶段，也面临着问题和困难。

1．应用成效

(1)面向校内的应用。为校内核工程与核技术、电气工程及其自动化、生物医学工程等3个相关专业学生提供良好的线上线下实践训练和自主学习平台。通过虚拟仿真学习，学生不仅能够学到丰富的实际操作知识，还能巩固专业基础知识，提高了学生的学习兴趣和学习效果，对培养学生的工程能力和实践能力具有重要作用。据统计，每年约有300名本科生利用网站进行自主学习和讨论，有近200名学生利用中心虚拟仿真平台自主开展毕业论文、课程设计、创新实践的活动，还有近三分之一的毕业生通过本中心平台培训后，可以直接到大亚湾核电站、海南昌江核电站等就业，用人单位对学生评价良好。同时，教师也利用中心的教学科研资源进行科研工作，近年来已获批项目26项、发表论文17篇。

(2)面向校外的应用。部分网络资源对外开放(如网站上传的教学课件、Flash等)，可以为兄弟院校的教师、学生提供学习资源，达到共享。另外，平台也为核电站、电力系统等部门的新员工开展岗前培训，还为涉放射源或射线装置单位工作人员提供培训，比如我们与北京大学联合主办了国际原子能机构亚太地区辐射技术应用培训班、与南华大学合作承办了湖北省医疗行业人员的辐射防护培训，累计培训人数达500人。

2．问题反思

(1)资源的建设缺少高水平与原创性。目前虚拟仿真实验教学资源建设处于探索阶段，大型、综合的虚拟仿真实验偏少，而且主要资源是市场购置的有使用授权限制的商业软件，具有自主知识产权的研发和创新资源相对较少。另外，校企联合开发创新性和先进性的教学资源还缺乏长期深入的有效合作机制，要积极探索校企共建共管的新模式和新途径。

(2)资源的开放与共享存在技术障碍。一是多数虚拟仿真模型数据量较大，而且程序运行环境不支持流量数据传输，每个程序都必须下载全部内容才能运行，因此程序内容的授权难以控制；二是目前公共互联网的宽带也限制了虚拟仿真程序的动态加载运行。另外，技术标准和规范不统一、资源的兼容性不强、二次开发难度大，导致资源管理平台的系统架构、数据库支持以及功能模块、运转流程等与校外相互对接不流畅或存在障碍。

四、结语

我们在建设湖北省核电工程与核技术虚拟仿真实验教学中心过程中，以建设信息化实验教学资源为重点，以共享优质实验教学资源为核心，通过资源整合、科教融合、校企合作、开放共享的方式，构建了核电工程虚拟仿真实验平台和核技术虚拟仿真实验平台，分别搭建了覆盖“核、电、医”三方面的10门实验课程、38个不同层次的实验项目。核电工程与核技术虚拟仿真实验教学资源的教学应用增强了学生专业学习兴趣和实验效果，提高了人才培养质量，但也面临着一些问题和困难。必须看到，虚拟仿真教学资源的建设是一个不断完善的过程。