吳 濤,王子豪,陳志遠(yuǎn),曾正魁,熊厚華,杜紀(jì)富,胡永紅,劉宏章
(1.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處,湖北 咸寧 437100 2.湖北科技學(xué)院 核技術(shù)與化學(xué)生物學(xué)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(jì)需要的新型工程技術(shù)人才。信息技術(shù)作為先進(jìn)的教學(xué)手段,可實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共享開放與數(shù)字化,正帶來實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)科專業(yè)深度融合所產(chǎn)生的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為發(fā)展趨勢,是高等教育信息化建設(shè)、高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容。[1]因?yàn)?,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)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(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象,使學(xué)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(jì)的實(shí)驗(yàn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能,特別對于那些涉及高?;驑O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(xùn)練以及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件不足等情況,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢。[2]于是,應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對有輻射或高危險(xiǎn)、高成本的涉核專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)和實(shí)訓(xùn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀,闡述湖北科技學(xué)院核電工程與核技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的實(shí)踐及存在的問題,為地方院校涉核專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。
虛擬實(shí)驗(yàn)的概念最早是由美國弗吉尼亞大學(xué)的William Wolf教授于1989年提出。由于核專業(yè)實(shí)驗(yàn)的特殊性,國內(nèi)外有關(guān)涉核專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)早已十分普及,但進(jìn)展不一致。國外一些歐美核強(qiáng)國涉核專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)的VERA 平臺(tái),進(jìn)行核反應(yīng)堆物理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)來提升教學(xué)質(zhì)量。例如,西安交通大學(xué)的核電廠全范圍網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真平臺(tái),基于3Keymaster平臺(tái)與現(xiàn)有的核電站原理模擬機(jī)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(yùn)行等實(shí)驗(yàn)課程;[4]華北電力大學(xué)將3D Max建模軟件和VRP虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于核專業(yè)的教學(xué)過程,以三維建模和動(dòng)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(xué)利用SIREP 仿真模擬器,以法國1300MW四環(huán)路機(jī)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,如哈爾濱工程大學(xué)的“核科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”、南華大學(xué)的“核能與核技術(shù)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”等,以輔助核工程類專業(yè)開展虛擬仿真教學(xué)。[1,3]由此可見,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為涉核專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
湖北科技學(xué)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(gè)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(shí)驗(yàn)設(shè)施不完善、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地不足等,導(dǎo)致相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以實(shí)際開展。學(xué)校先后與中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司、中國原子能科學(xué)研究院等高水平單位簽訂了核專業(yè)實(shí)驗(yàn)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(dòng)化、生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)的教學(xué)需求,學(xué)校在建設(shè)湖北省電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的基礎(chǔ)上,校企合作建成了核探測與輻射防護(hù)實(shí)驗(yàn)室、核電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室、核電站虛擬漫游實(shí)驗(yàn)室、核電廠運(yùn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)、核技術(shù)模擬仿真實(shí)驗(yàn)室、輻射化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、電子加速器中心等核專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,以及電氣仿真綜合平臺(tái)、放射醫(yī)學(xué)治療系統(tǒng)平臺(tái)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。2015年依托核工程與核技術(shù)、電氣工程及其自動(dòng)化、生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè),學(xué)校申報(bào)獲批了湖北省核電工程與核技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)時(shí)間晚等,使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jìn)性不足、平臺(tái)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。
建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),其中優(yōu)質(zhì)的信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源是前提基礎(chǔ)、是核心要素。[7]因此,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教學(xué)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(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)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(dòng)化、生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)已有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jì)仿真(Labview)軟件、變電站自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控(THESBD-1F型)軟件、現(xiàn)代精確放療計(jì)劃系統(tǒng)(ModernTPS)軟件,優(yōu)化重構(gòu)了《核探測與輻射防護(hù)實(shí)驗(yàn)》《核儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》《放射醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》4門實(shí)驗(yàn)課程,共計(jì)18個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。從而減少了資源重復(fù)開發(fā)和浪費(fèi),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(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
通過科研反哺教學(xué),充分發(fā)揮學(xué)校核學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢,促使科研特色和優(yōu)勢成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。鼓勵(lì)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(shí),積極將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,開設(shè)了《反應(yīng)堆物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》《反應(yīng)堆熱工水力虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》《反應(yīng)堆安全與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》《材料輻照虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》4門實(shí)驗(yàn)課程,共計(jì)8個(gè)綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目??蒲信c教學(xué)的緊密結(jié)合不僅充實(shí)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度、提高了科研設(shè)備的使用率,而且開闊了學(xué)生視野、拓寬了知識結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)了綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力。尤其是還不斷提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的水平,保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的更新與發(fā)展。
3.校企合作,構(gòu)建先進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)
積極利用企業(yè)的開發(fā)實(shí)力和支持服務(wù)能力,建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。學(xué)校與中核武漢核電運(yùn)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(yùn)行虛擬仿真軟件等,并通過企業(yè)捐贈(zèng)和優(yōu)惠購買方式配置了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),即“核電工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”和“核技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”。 平臺(tái)實(shí)際上就是以虛擬仿真技術(shù)為載體開展涉核專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)資源優(yōu)化配置的實(shí)現(xiàn)路徑。通過平臺(tái)能自由搭建合理的課程或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目,可以配置、連接、調(diào)節(jié)和使用虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。比如“核電工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”不僅能夠運(yùn)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(yùn)行虛擬仿真軟件,開展《核電廠系統(tǒng)與設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》《核電廠運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)》2門實(shí)驗(yàn)課程、共計(jì)12個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教學(xué),而且可以搭載MCNP軟件、CFD軟件、Simulink軟件、PCTranAP1000軟件?!昂思夹g(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”主要運(yùn)行核儀器設(shè)計(jì)仿真(Labview)軟件、放射醫(yī)學(xué)虛擬仿真(ModernTPS)軟件、離子注入(SRIM)軟件等。建成的兩個(gè)平臺(tái)不僅能根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案的要求、學(xué)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;還具有信息發(fā)布、數(shù)據(jù)收集分析、互動(dòng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及其搭載的實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)功能。
表1 兩大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、類型及功能
續(xù)表1 兩大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、類型及功能
4.資源共享,推進(jìn)校內(nèi)外開放使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源
要實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的開放共享和充分使用,必須對資源共享平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)新性研發(fā)、或引進(jìn)后二次開發(fā),使其具有擴(kuò)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(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)資源易于網(wǎng)絡(luò)使用、共享和維護(hù)更新的優(yōu)勢。我們構(gòu)建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源已覆蓋了“核、電、醫(yī)”三方面的10門基礎(chǔ)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程,可實(shí)現(xiàn)38個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬仿真教學(xué)。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(shí)驗(yàn)課程、以及網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真學(xué)習(xí)資料等。學(xué)生通過登錄入口可在線預(yù)約實(shí)驗(yàn)、預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、了解實(shí)驗(yàn)過程,操作虛擬實(shí)驗(yàn),并提供了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)批改和信息發(fā)布與查詢等功能;在課外自主學(xué)習(xí)的過程中,教學(xué)資源也突破了時(shí)空的限制,學(xué)生可與教師通過學(xué)習(xí)論壇互動(dòng)交流。當(dāng)然,大部分的仿真實(shí)驗(yàn)課程必須在虛擬實(shí)驗(yàn)室中,根據(jù)學(xué)生培養(yǎng)的需求,科學(xué)合理地選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,配置能滿足實(shí)驗(yàn)要求的軟件、儀器設(shè)備等,開展實(shí)驗(yàn)操作。我們的目標(biāo)是最大限度地實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外能逐步共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,真正滿足虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多元需求。
目前,實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的應(yīng)用與共享范圍以校內(nèi)為主,同時(shí)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(xué)效果和社會(huì)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(dòng)化、生物醫(yī)學(xué)工程等3個(gè)相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供良好的線上線下實(shí)踐訓(xùn)練和自主學(xué)習(xí)平臺(tái)。通過虛擬仿真學(xué)習(xí),學(xué)生不僅能夠?qū)W到豐富的實(shí)際操作知識,還能鞏固專業(yè)基礎(chǔ)知識,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果,對培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和實(shí)踐能力具有重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì),每年約有300名本科生利用網(wǎng)站進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和討論,有近200名學(xué)生利用中心虛擬仿真平臺(tái)自主開展畢業(yè)論文、課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐的活動(dòng),還有近三分之一的畢業(yè)生通過本中心平臺(tái)培訓(xùn)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(xué)生評價(jià)良好。同時(shí),教師也利用中心的教學(xué)科研資源進(jìn)行科研工作,近年來已獲批項(xiàng)目26項(xiàng)、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(xué)課件、Flash等),可以為兄弟院校的教師、學(xué)生提供學(xué)習(xí)資源,達(dá)到共享。另外,平臺(tái)也為核電站、電力系統(tǒng)等部門的新員工開展崗前培訓(xùn),還為涉放射源或射線裝置單位工作人員提供培訓(xùn),比如我們與北京大學(xué)聯(lián)合主辦了國際原子能機(jī)構(gòu)亞太地區(qū)輻射技術(shù)應(yīng)用培訓(xùn)班、與南華大學(xué)合作承辦了湖北省醫(yī)療行業(yè)人員的輻射防護(hù)培訓(xùn),累計(jì)培訓(xùn)人數(shù)達(dá)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(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)處于探索階段,大型、綜合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(jìn)性的教學(xué)資源還缺乏長期深入的有效合作機(jī)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(yùn)行環(huán)境不支持流量數(shù)據(jù)傳輸,每個(gè)程序都必須下載全部內(nèi)容才能運(yùn)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(dòng)態(tài)加載運(yùn)行。另外,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不統(tǒng)一、資源的兼容性不強(qiáng)、二次開發(fā)難度大,導(dǎo)致資源管理平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫支持以及功能模塊、運(yùn)轉(zhuǎn)流程等與校外相互對接不流暢或存在障礙。
我們在建設(shè)湖北省核電工程與核技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心過程中,以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn),以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)和核技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),分別搭建了覆蓋“核、電、醫(yī)”三方面的10門實(shí)驗(yàn)課程、38個(gè)不同層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。核電工程與核技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的教學(xué)應(yīng)用增強(qiáng)了學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)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(xué)資源的建設(shè)是一個(gè)不斷完善的過程。
湖北科技學(xué)院學(xué)報(bào)2021年1期