大數(shù)據(jù)背景下核工程與核技術(shù)專業(yè)“虛擬+實體”混合式教學(xué)的應(yīng)用

呂中良 趙子甲 田立朝

摘要隨著大數(shù)據(jù)、計算機、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)背景下的各類虛擬仿真實踐平臺正在逐漸應(yīng)用到核工程與核技術(shù)專業(yè)的實踐教學(xué)中，針對當(dāng)前核工程與核技術(shù)專業(yè)教學(xué)中存在的學(xué)員理論知識學(xué)得較扎實而實踐技能難以獲得充分訓(xùn)練的問題，本文首先介紹當(dāng)前在大數(shù)據(jù)背景下的核工程與核技術(shù)虛擬仿真實踐系統(tǒng)與其前沿發(fā)展，然后重點對如何完善當(dāng)前實踐教學(xué)存在的問題開展相關(guān)的教學(xué)設(shè)計，最后針對大數(shù)據(jù)背景下基于“虛擬+實體”的混合式實踐教學(xué)進行了探究。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真 實體實踐 核工程與核技術(shù) 實踐教學(xué)

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.21.051

Application of "Virtual + Entity" Hybrid Teaching of Nuclear Engineering and Nuclear Technology under the Background of Big Data

LV Zhongliang， ZHAO Zijia， TIAN Lichao

（College of Arts and Sciences， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073）

AbstractWith the rapid development of big data， computer， Internet and other technologies， various virtual simulation practice platforms under the background of big data are gradually applied to the practical teaching of nuclear engineering and nuclear technology. In view of the problems that students have solid theoretical knowledge and difficult to obtain sufficient training in practical skills in the current teaching of nuclear engineering and nuclear technology， this paper first introduces the current nuclear engineering and nuclear technology virtual simulation practice system and its frontier development under the background of big data， then focuses on how to improve the problems existing in the current practiceteachingandcarryoutrelevantteachingdesign，andfinallyexploresthehybridpracticeteachingbasedon"virtual+ entity" under the background of big data.

Keywordsvirtual simulation； entity practice； nuclear engineering and technology； practice teaching

1核工程與核技術(shù)專業(yè)實踐訓(xùn)練面臨的問題

在目前國內(nèi)開設(shè)核專業(yè)的眾多高校中，對人才培養(yǎng)而言，其核心專業(yè)課程的實踐基本相同，即對于：（1）核工程類的專業(yè)實踐，主要是通過核電廠系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，先進反應(yīng)堆熱工水力臺架等開展相應(yīng)的核電廠運行原理、反應(yīng)堆物理及反應(yīng)堆熱工流體等課程的實踐。（2）對于核技術(shù)方面的實踐教學(xué)，則主要是通過實驗室內(nèi)的放射性活度極低的豁免級別放射源等開設(shè)相應(yīng)的輻射防護、核輻射探測等實驗。

由于核工程與核技術(shù)專業(yè)的特殊性，對于核工程類專業(yè)實踐，目前高校內(nèi)建設(shè)新型反應(yīng)堆的可能性不大，僅能利用核電廠的虛擬仿真實驗或是建設(shè)數(shù)字反應(yīng)堆開展部分核電廠的運行原理、反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)剖析、典型常規(guī)事故（如失冷、失流等事故）的仿真模擬等訓(xùn)練，對于一些新型反應(yīng)堆，如熱管式空間反應(yīng)堆、液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆等目前核電領(lǐng)域的前沿方向則缺乏必要的實踐訓(xùn)練平臺，同時由于成本的原因也難以在眾多高校推廣。另一方面，對于反應(yīng)堆內(nèi)的一些嚴重事故工況的模擬與緩解，核事故后果環(huán)境影響評價等，還未見有相應(yīng)的成熟配套用教學(xué)實踐平臺。部分教學(xué)用模擬機，目前還難以做到解決數(shù)據(jù)同化、模擬精度與實際反應(yīng)堆運行高度相符、真實還原反應(yīng)堆內(nèi)不同輻照場下多物理多尺度耦合精確仿真場景，這些都是在基于“虛擬仿真實驗”需要進一步補足或完善之處。

2大數(shù)據(jù)背景下的核工程與核技術(shù)虛擬仿真實踐系統(tǒng)介紹

2.1核輻射探測虛擬仿真實驗

由于放射源具有一定的危險性和放射源衰變過程的抽象性，通過計算機虛擬仿真在相當(dāng)程度上可以彌補放射源在實驗教學(xué)上的缺憾。目前，已有針對核輻射探測的虛擬仿真實驗平臺，[1]其可通過虛擬放射源，從核輻射的基本原理出發(fā)，從源頭搭建實驗平臺，直到后端核電子學(xué)、核信息數(shù)據(jù)的提取與處理的整個過程，從而讓學(xué)生在虛擬場景中，可自主操作實驗儀器并完成實驗，解決核專業(yè)實際教學(xué)中的安全風(fēng)險大、原理不易理解的教學(xué)問題。目前國內(nèi)已見有部分高校正在建立一些針對核輻射探測的虛擬仿真實驗平臺，如武漢大學(xué)的康普頓散射虛擬仿真實驗，[2]成都理工大學(xué)的放射性氣溶膠物理仿真實驗等。通過使用虛擬放射源，可打破放射源監(jiān)管的限制，有效解決目前核技術(shù)專業(yè)實踐中難以形成一套高效實踐訓(xùn)練臺架的問題。

2.2數(shù)字反應(yīng)堆

核能領(lǐng)域人員利用建模和仿真方式研究核能技術(shù)已有很長一段歷史，通過大數(shù)據(jù)與云計算技術(shù)，耦合多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，建立一個可預(yù)測模擬核反應(yīng)堆全生命周期內(nèi)的各種特性的虛擬仿真環(huán)境，數(shù)字反應(yīng)堆在國內(nèi)各核電企業(yè)中目前正處于研發(fā)階段，在國內(nèi)高校中，主要是以三維數(shù)字核電廠為核心搭建了相關(guān)的虛擬仿真用的數(shù)字化反應(yīng)堆教學(xué)平臺，如西安交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、南華大學(xué)等的“核電廠系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”等。目前其他涉核專業(yè)高校也正在建設(shè)相關(guān)的數(shù)字化反應(yīng)堆教學(xué)平臺，但其中多數(shù)以采購現(xiàn)有核電企業(yè)的模擬機為主，對于核工程與核技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)，如何最大限度地發(fā)揮數(shù)字化反應(yīng)堆在教學(xué)中的作用還需要進一步挖掘。

2.3核應(yīng)急仿真系統(tǒng)

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)與仿真技術(shù)，在福島核事故后，針對核應(yīng)急演練的需求，以及針對核事故演變、事故源項釋放、核素遷移等在環(huán)境中的預(yù)測分析，配合進行核應(yīng)急的培訓(xùn)演練，目前已經(jīng)形成了比較成熟的核事故后果評價系統(tǒng)，如國內(nèi)的RASCAL和RODOS等，目前正在利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，開展源項反演、嚴重事故的緩解與預(yù)測的相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)，對于高校核專業(yè)中的核應(yīng)急實踐教學(xué)，可以配套結(jié)合相關(guān)的核反應(yīng)堆、輻射防護等的理論課程進行實踐教學(xué)。

3大數(shù)據(jù)背景下核工程與核技術(shù)虛擬仿真實踐教學(xué)設(shè)計

3.1核輻射探測虛擬仿真實驗

根據(jù)高校實驗室建設(shè)的實際，基于核輻射探測虛擬仿真實驗，可開設(shè)一些需要使用強放射源或者高危放射源的實驗，如原子核衰變放射強度測量及物質(zhì)吸收虛擬仿真實驗、康普頓散射虛擬仿真實驗、盧瑟福背散射實驗、放射性氣溶膠探測實驗等。在實驗方案的設(shè)計上，通過虛擬放射源，讓學(xué)生在虛擬場景中，自主操作實驗儀器，包括后端核電子學(xué)儀器的連接搭建，讓學(xué)生真正達到對核輻射領(lǐng)域抽象原理的學(xué)以致用，以及動手實踐技能的訓(xùn)練提高。

在教學(xué)方法上，為提高實驗教學(xué)效果，在虛擬仿真實驗中可進一步分為四個階段進行：（1）在實驗前，組織利用雨課堂等新型教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)員對本節(jié)課的實驗用到的相關(guān)理論知識、實驗原理進行答題，以選擇題或判斷題等形式，檢驗學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解與掌握，真正體現(xiàn)以學(xué)員為主體式的教學(xué)，反饋學(xué)員對本節(jié)課實驗所應(yīng)用到的易混淆的概念的正確理解與區(qū)分效果，為實驗做準備；（2）在實驗操作技能講授中，可充分利用互聯(lián)網(wǎng)時代多媒體等信息技術(shù)，先引導(dǎo)組織學(xué)生觀看一套完整的實驗演示視頻，了解相關(guān)實驗設(shè)備的操作，同時結(jié)合多媒體技術(shù)，教師對實驗操作的注意事項做相關(guān)強調(diào)與補充，以讓學(xué)生對本次實驗有個整體的印象；（3）在實驗開展過程中，結(jié)合前面的理論準備以及實驗操作技能鋪墊，更多地讓學(xué)生在虛擬仿真的實驗環(huán)境中，增加動手實踐的學(xué)時，體現(xiàn)以學(xué)生為主導(dǎo)的方式，增加學(xué)員探究式、與獨立性地完成實驗，對于實驗操作中的不規(guī)范之處，利用虛擬實驗平臺，能夠及時地進行反饋糾正，如高壓電源的連接，電子學(xué)電路的搭建等；（4）實驗結(jié)束后的評價與反饋階段，及時與學(xué)員進行線上+線下式的互動，如雨課堂，線下反饋等，對相關(guān)原理與實驗難點問題進行答疑；在實驗結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)員對各自獨立完成的實驗數(shù)據(jù)進行處理與分析，并撰寫實驗報告，在下次實驗前對學(xué)員本次實驗中的其他問題進行總結(jié)反饋。

3.2數(shù)字反應(yīng)堆

對于反應(yīng)堆類課程的教學(xué)實踐，在實驗設(shè)計上，一是可結(jié)合虛擬現(xiàn)實環(huán)境，進行核動力系統(tǒng)內(nèi)的主要設(shè)備（如壓力容器、冷卻劑系統(tǒng)三維管道）的模型解剖，核島內(nèi)虛擬漫游；二是結(jié)合教學(xué)用模擬機，實現(xiàn)核動力裝置運行原理及反應(yīng)堆啟動及停止、常見設(shè)計基本事故工況、超設(shè)計基準事故工況、嚴重事故的模擬。教學(xué)方法上，為了提高學(xué)員對反應(yīng)堆物理、反應(yīng)堆熱工流體等課程知識的應(yīng)用，在實踐教學(xué)中，可以進一步加入一些反應(yīng)性引入事件，通過學(xué)員使用控制棒等形式進行實操，并調(diào)整臨界；對于變工況，冷卻劑流量、流速突然變大或變小時，引起的相關(guān)壓降、流量分配情況變化等則引導(dǎo)學(xué)員開展相關(guān)獨立性的探索實驗。

對于高年級的學(xué)生，如畢業(yè)班學(xué)生，還可以結(jié)合數(shù)字反應(yīng)堆平臺或平臺研發(fā)的需要，以進行相關(guān)畢業(yè)設(shè)計的開展，如通過編寫一些接口程序，或耦合程序、相關(guān)計算的處理或調(diào)用模塊等，放在數(shù)字反應(yīng)堆平臺上進行測試與應(yīng)用，進一步檢驗學(xué)員對本專業(yè)相關(guān)知識的應(yīng)用程度。

3.3核應(yīng)急系統(tǒng)

在大數(shù)據(jù)時代下的核應(yīng)急實踐，可以利用目前國內(nèi)一些核事故仿真平臺、場外劑量計算、核應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)等進行教學(xué)定制，對于核應(yīng)急不同處置階段，如核應(yīng)急劃區(qū)隔離、輻射監(jiān)測、撤離隱蔽、洗消處理、取樣分析、事故后果預(yù)測與評價等，進行不同應(yīng)急方案、撤離路徑優(yōu)化的沙盤推演，同時結(jié)合相關(guān)輻射防護、反應(yīng)堆安全等知識開展必要的計算分析等，以達到對真實應(yīng)急場景的應(yīng)用與處置實踐教學(xué)的目的。

在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計上，可以結(jié)合核工程核技術(shù)領(lǐng)域的不同需求，有針對性地設(shè)計不同的實踐場景，例如放射源庫遭遇襲擊、核電站的超臨界事故、放射源庫在儲存、監(jiān)管過程中的泄漏、伴生發(fā)生的核生化、火災(zāi)等或戰(zhàn)場核襲擊等不同應(yīng)急場景下的虛擬實踐，以貼近實際核應(yīng)急工作，充分地調(diào)動學(xué)員應(yīng)對實際問題的處置與解決問題的能力培養(yǎng)。

在教學(xué)方法的實現(xiàn)上，核應(yīng)急的虛擬仿真實踐可以分為三個階段：（1）實踐前，結(jié)合核應(yīng)急工作的分工，將學(xué)生按照不同的應(yīng)急職責(zé)進行分組，針對選擇的應(yīng)急場景，通過讓學(xué)生參與線下應(yīng)急腳本預(yù)案的撰寫，讓學(xué)員以主人翁的角色參與應(yīng)急的教學(xué)實踐；（2）在核應(yīng)急的實踐中，結(jié)合核應(yīng)急仿真系統(tǒng)進行沙盤推演，進行模擬實訓(xùn)的演習(xí)；教師在核應(yīng)急演習(xí)中可扮演為核應(yīng)急現(xiàn)場總指揮，進行各應(yīng)急小組學(xué)員的現(xiàn)場指揮調(diào)度；同時根據(jù)核應(yīng)急實際，在實踐中，可臨時增加一些突發(fā)場景，如伴隨人員傷亡、火災(zāi)爆炸，二次核襲擊等，檢驗學(xué)員應(yīng)對突發(fā)狀況的處置能力；（3）在核應(yīng)急實踐結(jié)束階段，可對存在的問題進行講解點評，對于學(xué)員提出的問題及時進行解答反饋，在課程結(jié)束后，布置學(xué)員撰寫實踐報告，以對整個實踐流程進行復(fù)盤與總結(jié)。

4大數(shù)據(jù)背景下核工程與核技術(shù)“虛擬”+“實體”的混合式實踐教學(xué)

大數(shù)據(jù)、云計算時代背景下的核專業(yè)虛擬仿真實踐雖可在“無放射源”的條件下開展相關(guān)的實踐教學(xué)，避免高危放射源的監(jiān)管與危害，但若僅依靠“虛擬仿真實踐平臺”，教學(xué)效果還是難以發(fā)揮最大限度的提高，主要體現(xiàn)在三個方面：（1）虛擬仿真平臺實踐畢竟與真實實體實踐存在一定差距，以數(shù)字反應(yīng)堆為例，在大數(shù)據(jù)時代，目前還難以做到數(shù)值預(yù)測模型與實測數(shù)據(jù)的一一對應(yīng)，即數(shù)據(jù)同化的問題，這方面需要結(jié)合一定的理論或?qū)嶓w實測裝置開展線下實踐教學(xué)；（2）虛擬仿真實踐平臺上一些裝置的結(jié)構(gòu)剖析，通過虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，雖然可以配合理論課程進行直觀展示，但也存在著“看得見，摸不著”問題，難以使學(xué)員留下模型與結(jié)構(gòu)原理的深入理解和掌握；（3）虛擬化平臺上的相關(guān)儀器的操作僅僅是通過虛擬現(xiàn)實和鼠標、鍵盤上的“動手”完成，對相關(guān)儀器設(shè)備的操作還難以做到與真實設(shè)備的操作達到同樣的訓(xùn)練效果。

為了解決通過虛擬仿真實踐教學(xué)帶來的上述問題，隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，“虛擬+實體”的混合式實踐教學(xué)仍將是未來的一種趨勢，為了更好地達到實踐教學(xué)效果，這種混合式教學(xué)可以進一步完善和改進的方法與方式有：（1）關(guān)于虛擬仿真平臺實踐與真實實體實踐存在的教學(xué)方式上的差距，應(yīng)以虛擬仿真實驗和“線下”實體實踐相結(jié)合，盡可能地做到能“實”則“實”，如對一些“非放射性”的實驗可以搭建相關(guān)的實驗臺架，開展線下的實體操作實驗，如熱工流體傳熱性實驗等。（2）對于虛擬仿真平臺存在的“看得見，摸不著”問題，則可以定制相關(guān)的教學(xué)實體模型，如核動力反應(yīng)堆模型、加速器模型、核動力潛艇裝置等模型，配合虛擬仿真平臺，在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)時代，還可利用人機交互的方式，設(shè)置觸摸一體機與實體裝置模型進行聯(lián)機互動，配備語音講解等方式，通過實體演示的教學(xué)和觸摸一體機的人機交互，充分解決虛擬仿真平臺上存在的“看得見，摸不著”問題。（3）對于“虛擬實踐”中存在的相關(guān)操作技能難以得到切實有效的訓(xùn)練問題，在實踐教學(xué)的安排上，應(yīng)增加實踐部分的學(xué)時，如在理論課程教學(xué)中，安排有實體裝置的教室中，通過人機交互等方式，增加線下實體實踐教學(xué)效果，同時穿插進行理論知識的講授；在實驗教學(xué)課程中則安排到虛擬仿真實驗室，對利用豁免源可開展的實驗，可設(shè)計通過虛擬仿真實驗熟悉對相關(guān)儀器的使用和操作原理、技能后，再結(jié)合線下實體操作等進行訓(xùn)練或考核，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)背景下的“虛擬+實體”的混合式教學(xué)效果。

5結(jié)語

隨著大數(shù)據(jù)、計算機、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)背景下的各類虛擬仿真實踐平臺正在逐漸應(yīng)用到核工程與核技術(shù)專業(yè)的實踐教學(xué)中，本文探討了如何對當(dāng)前實踐教學(xué)中存在的部分問題開展大數(shù)據(jù)背景下的“虛擬+實體”的混合式實踐教學(xué)。為了更好地滿足核工程與核技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)的要求，今后仍需不斷地對大數(shù)據(jù)背景下的虛擬仿真平臺在實踐教學(xué)中的應(yīng)用繼續(xù)開展教學(xué)優(yōu)化設(shè)計，同時還需結(jié)合線下實體實踐為一體的混合式教學(xué)，充分發(fā)揮其在大數(shù)據(jù)背景下的實踐教學(xué)效果。

參考文獻

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