仿真技術(shù)在核專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

張慶賢 谷 懿 王海東 張 建 張 樂 葛良全

系統(tǒng)仿真是對一個(gè)已經(jīng)存在或但正在開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)特性研究的綜合科學(xué),是計(jì)算機(jī)對現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的逼真描述。仿真技術(shù)的應(yīng)用一般是以仿真系統(tǒng)的形式來體現(xiàn)的[1-2],仿真系統(tǒng)在核科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[3-6]。在核科學(xué)領(lǐng)域中建立的仿真系統(tǒng)是以建模理論、計(jì)算方法、評估理論為基本理論[2],以蒙特卡羅方法結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件工程、信息處理、自動(dòng)控制及系統(tǒng)工程等相關(guān)技術(shù)為支撐的綜合性仿真系統(tǒng)。在仿真過程中,能夠真實(shí)描述輻射物質(zhì)的特性和相互作用過程,通過 “探測器”的輸出,對探測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

近些年來,經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展,我國高等教育進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期,同時(shí)也對高校的教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。新理論、新技術(shù)層出不窮,學(xué)科間的交叉和聯(lián)系不斷地加強(qiáng),僅僅依賴書本、文字和簡單的教學(xué)方式,已經(jīng)跟不上科技發(fā)展的步伐[7]。社會對大學(xué)畢業(yè)生的創(chuàng)新和動(dòng)手能力的要求越來越高,這就促使學(xué)校要增大實(shí)踐教學(xué)比例,改善實(shí)踐教學(xué)條件以及創(chuàng)新教學(xué)方法。

核工程與核技術(shù)、輻射防護(hù)與核安全專業(yè)是工程實(shí)踐和技能應(yīng)用很強(qiáng)的專業(yè),因此實(shí)踐教學(xué)對學(xué)生培養(yǎng)異常重要。目前我國正在大力發(fā)展核電事業(yè),急需一批基礎(chǔ)知識扎實(shí)、實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)人才,因此,實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)在教學(xué)中的重要地位更加凸顯[8]。在開展高危、不可及、不可逆以及高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢,并對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都產(chǎn)生了意義深遠(yuǎn)的影響[9-12]。在核工程與核技術(shù)、輻射防護(hù)與核安全等專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中,放射源成為部分實(shí)驗(yàn)的必要條件。出于放射源管理和輻射安全考慮,學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、地點(diǎn)和場所受到嚴(yán)格限制,目前部分實(shí)驗(yàn)由于硬件條件限制無法開展,影響了學(xué)生的實(shí)踐。因此,在核科學(xué)與技術(shù)學(xué)科實(shí)踐教學(xué)中開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn),具有重要意義。

1 仿真技術(shù)對核科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教學(xué)的促進(jìn)作用

1.1 仿真技術(shù)促進(jìn)課程學(xué)習(xí)

現(xiàn)代高等教育學(xué)生知識體系復(fù)雜,課程眾多,容易形成學(xué)生的逃避心理,其根本原因是學(xué)生被邊緣化,教與學(xué)嚴(yán)重失衡,學(xué)生參與比重減少。注重理論知識,脫離實(shí)際應(yīng)用,降低了學(xué)生的主觀能動(dòng)性,是一種被迫式教學(xué)。而相比于傳統(tǒng)的教學(xué),仿真技術(shù)融入實(shí)踐教學(xué)生活中,更能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的基本原理和過程缺乏足夠的認(rèn)識,對實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備不足,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗,從而增加了放射源的使用時(shí)間。學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)前,采用仿真平臺對物理實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行仿真,并對仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境,幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技能,提高實(shí)驗(yàn)成功率。

1.2 仿真技術(shù)拓展實(shí)驗(yàn)空間

面對不可逆、高危、高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)代價(jià)高、風(fēng)險(xiǎn)大,因此實(shí)驗(yàn)開課率低。在核科學(xué)與技術(shù)學(xué)科中,反應(yīng)堆臨界安全、輻射屏蔽設(shè)計(jì)、輻射微劑量學(xué)等實(shí)驗(yàn)條件要求高,而且存在較大風(fēng)險(xiǎn)。目前除個(gè)別高?？梢蚤_展物理實(shí)驗(yàn),其他高校都缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件,因此學(xué)生的實(shí)踐受到極大限制,部分院校放棄實(shí)踐教學(xué)。在無法開展物理實(shí)驗(yàn)的高校中利用仿真平臺擴(kuò)展實(shí)驗(yàn) (實(shí)踐)條件,在虛擬仿真條件下,達(dá)到鍛煉學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的目的。

1.3 仿真技術(shù)延伸實(shí)驗(yàn)時(shí)間

對于需要放射源的實(shí)驗(yàn),必須在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)和監(jiān)督下完成,學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的時(shí)間受到極大的約束和限制。部分學(xué)有余力的學(xué)生,很難得到更多實(shí)踐鍛煉的機(jī)會。而利用仿真平臺,學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器上自行設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn),并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。因此,仿真平臺的應(yīng)用,將實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行了極大的擴(kuò)展,更加有利于學(xué)生開展相應(yīng)的研究,提高學(xué)生動(dòng)手能力和自我學(xué)習(xí)能力。

2 核輻射虛擬仿真平臺的應(yīng)用

核輻射虛擬仿真平臺由成都理工大學(xué)自行開發(fā),并在教學(xué)中使用。平臺的內(nèi)核為MCNP軟件,針對不同物理實(shí)驗(yàn),開發(fā)實(shí)驗(yàn)界面。平臺的主要使用流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

1)實(shí)驗(yàn)課前的預(yù)演。在物理實(shí)驗(yàn)開展以前,學(xué)生自主在計(jì)算機(jī)上對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真。學(xué)生在登錄平臺后,選擇所需進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn),熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)流程。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,選擇放射源、探測器等合適的實(shí)驗(yàn)條件,開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理預(yù)演。對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行評價(jià)與分析。根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)輸出結(jié)果,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并同理論知識進(jìn)行比較,判斷實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和可靠性。

3)實(shí)驗(yàn)開展。在實(shí)驗(yàn)課堂上,在相同實(shí)驗(yàn)條件下根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書開展物理實(shí)驗(yàn),并獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比較物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果和虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異,并分析主要影響因素,達(dá)到理論知識實(shí)踐和應(yīng)用的目的,并形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4)拓展實(shí)驗(yàn)。對同類型實(shí)驗(yàn),開展虛擬實(shí)驗(yàn),對實(shí)驗(yàn)條件無法滿足的物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬,達(dá)到拓展實(shí)驗(yàn)的目的。在該階段實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生可以對理論知識進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和探討,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

以散射實(shí)驗(yàn)為例,首先是打開核輻射虛擬仿真平臺,進(jìn)入之后首先設(shè)置好參數(shù),然后選擇所需要做的實(shí)驗(yàn),如圖2所示。

圖2 軟件運(yùn)行界面圖

進(jìn)入實(shí)驗(yàn)子界面后,設(shè)置好所做實(shí)驗(yàn)相關(guān)的各個(gè)參數(shù),進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),等待蒙特卡洛程序運(yùn)行結(jié)束。蒙特卡洛程序運(yùn)行結(jié)束后,將彈出模擬結(jié)果顯示框。對于散射實(shí)驗(yàn),其輸出結(jié)果如圖3所示。由于高校中放射源的種類有限,不能開展射線能量對散射影響的實(shí)驗(yàn)。擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生可以自行改變射線能量,對不同能量γ射線的散射過程進(jìn)行模擬,分析γ射線能量對散射的影響。

該平臺已經(jīng)在學(xué)生中試運(yùn)行,得到了學(xué)生的好評。學(xué)生在課后可以自行完成仿真實(shí)驗(yàn),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。學(xué)生通過模擬仿真平臺,了解實(shí)驗(yàn)的具體原理和步驟,提高了實(shí)驗(yàn)的成功率；仿真實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了物理實(shí)驗(yàn)的不足,拓展了實(shí)驗(yàn)空間。學(xué)生反映,雖然仿真平臺難以達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)?zāi)敲淳唧w明確的結(jié)果,但能極大加深對物理現(xiàn)象、工程技術(shù)的認(rèn)識。

圖3 散射實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)束語

虛擬仿真平臺可以實(shí)現(xiàn)部分核物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、核輻射探測實(shí)驗(yàn)、輻射防護(hù)實(shí)驗(yàn)的仿真模擬,能夠突破實(shí)驗(yàn)空間和時(shí)間的限制,給學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的平臺,能夠成為物理實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充,在今后教學(xué)中會有更大的應(yīng)用前景。仿真實(shí)驗(yàn)平臺的試運(yùn)行,得到了學(xué)生的認(rèn)可。仿真平臺的應(yīng)用,提高了學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力,并提高了實(shí)驗(yàn)的安全性和效率,是一種較低成本而有效的教學(xué)方案。

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