基于校企合作的地方院校核電虛擬仿真實驗室建設實踐與探索

錢立冰，王曉彧，陳志遠，熊厚華

(湖北科技學院 核技術與化學生物學院，湖北 咸寧 437100)

虛擬仿真實驗是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產(chǎn)物，是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內(nèi)容，更是實驗教學的發(fā)展方向[1]。依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能，學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，能達到所要求的認知與實踐教學效果。尤其，在一些訓練成本高、消耗大、不可逆、存在安全隱患如高?；驑O端的環(huán)境、不可及的操作等情況時，能提供綠色、可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目[2]。而且，虛擬仿真實驗室還具有成本低、效率高、可擴展性強、操作安全、高度開放和資源共享等特點，不僅可實現(xiàn)實驗教學的虛實互補，也有利于培養(yǎng)學生自我訓練及創(chuàng)新意識，因而它已經(jīng)成為當前高校實驗室建設的一個重要發(fā)展方向。湖北科技學院是一所省屬地方本科院校，2009年開辦了核工程與核技術專業(yè)，主要培養(yǎng)核電工程方向應用型人才，但目前學校涉核實驗平臺不完善，無法完整地開展核工程與核技術專業(yè)的實踐教學。然而，核工程類專業(yè)是一個實踐性和工程性非常強的工科專業(yè)，并且還具有特殊性，一方面是核專業(yè)的實踐教學涉及到大型核設施設備，成本高；另一方面是涉核實驗中多數(shù)為不可及﹑不可逆實驗，有些還具有放射性，無法開展現(xiàn)場實驗[3]。因此，對有輻射、高溫高壓、高成本、不可及的涉核專業(yè)實驗項目應用虛擬仿真實驗進行教學和實訓是相當好的選擇。但是，實施虛擬仿真實驗教學最大的難度就在于平臺的搭建，因此，伴隨國家級虛擬仿真實驗教學中心的持續(xù)建設，虛擬仿真實驗室及平臺建設也逐漸成為目前的研究熱點[4]。于是，2015年我校實施校企合作積極申報并獲批了湖北省核電工程與核技術虛擬仿真實驗教學中心的建設，其中重點是要創(chuàng)建核電虛擬仿真實驗室，從而更好地滿足學生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。

當前，主要有兩種方式建設虛擬仿真實驗室：自主研發(fā)和校企合作開發(fā)。其中，自主研發(fā)不僅需要具有相應的技術、設備等，而且建設成本高、開發(fā)時間長[5]。但是，校企合作開發(fā)能避免這些不足，因為企業(yè)具有技術、設備和資金的優(yōu)勢，而且相比自主研發(fā)，校企合作開發(fā)的成本低、時間短。因此，我校需積極利用企業(yè)的優(yōu)勢，實施校企合作開發(fā)共建核電虛擬仿真實驗室，同時堅持“能實不虛”的原則，真正做到突破真實實驗局限、彌補理論教學不足、提高實驗教學水平、降低實驗風險和成本[6]。

一、核電虛擬仿真實驗室建設的必要性

美國弗吉尼亞大學的 William Wulf 教授首次提出虛擬實驗室(virtual laboratory，VL)的概念，主要是致力于創(chuàng)建和模擬進行實驗的交互式環(huán)境。發(fā)展至今，其關注點也從實驗室環(huán)境及設備仿真日漸聚焦于平臺與實驗內(nèi)容建設，即虛擬實驗開發(fā)。針對目前我校涉核實驗平臺不完善，無法完整地開展實踐教學，導致學生對所學核電設備和系統(tǒng)缺少感性認識、動手實踐能力與創(chuàng)新能力普遍較差、理論與實踐不能很好相結合。因此，建設核電虛擬仿真實驗室顯得十分必要。但是，由于我校辦學資源的有限性以及核工程與核技術專業(yè)的特殊性，實施校企合作共建核電虛擬仿真實驗室是必然選擇。

1.有效促進實驗教學改革與創(chuàng)新

建設核電虛擬仿真實驗室，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，解決了實體難以接觸、實驗難于實現(xiàn)、成本過高、危險性大等問題，實現(xiàn)核專業(yè)傳統(tǒng)真實實驗不具備或難以完成的教學內(nèi)容，從而提高教學能力、拓展實踐領域、豐富教學內(nèi)容、降低成本和風險、開展綠色實驗教學[7]；同時，還能解決實驗室建設過程中周期長、投入大、后期實驗儀器性能老化、設備維護更新不到位等問題，既節(jié)約了財力、物力和時間，又使得實驗教學能正常開展，還可以保證不斷更新實驗教學內(nèi)容、優(yōu)化實驗方案。

2.有效提高實驗教學效果

首先，核電虛擬仿真實驗室不僅可以創(chuàng)設更加豐富的虛擬實驗環(huán)境，還能打破時間和空間的限制，顯著增強實驗教學開展的靈活性和互動性，有效提高了實驗效率和教學效果。其次，核電虛擬仿真實驗室不僅擺脫了以教師為中心的局限，而且突出了學生的主體地位，學生在其中可以進行預習、復習等，有利于提高學生的學習效果[7]。再次，核電虛擬實驗室非常方便學生自由大膽嘗試各種綜合性、設計性、研究性實驗，不僅能拓展想象力和創(chuàng)新能力，還能提高興趣、開拓視野[7]。而且，不用再擔心實驗的危險性或因操作失誤而造成實驗事故等，比如學生不僅能在虛擬實驗室平臺上做有關核反應堆的危險實驗，還可以在失敗的實驗中汲取經(jīng)驗而不會造成任何實際傷害，既能滿足學生對現(xiàn)實實驗中危險操作的好奇，也可以反向地培養(yǎng)學生的安全意識。

3.有效促進教學資源開放共享

在“互聯(lián)網(wǎng)+”大數(shù)據(jù)時代下，虛擬仿真實驗室能夠?qū)崿F(xiàn)實驗“時間、空間、內(nèi)容”的開放共享狀態(tài)，給學生提供較為自由寬松的學習條件，發(fā)揮出有限資源的最大效益。虛擬仿真實驗室的開放共享，包括校內(nèi)共享和校外共享。校內(nèi)共享是指利用信息化管理手段實施全天候開放課內(nèi)實驗和預約實驗；或通過共享平臺，實施校園網(wǎng)內(nèi)在線實驗或授權下載實驗，還可以按照實驗指導書自行設計實驗。校外共享是通過中國大學MOOC(慕課)平臺如學堂在線、好大學在線等向其他高校學生開放與共享本校實驗教學資源。因此，依托互聯(lián)網(wǎng)技術的應用，通過核電虛擬仿真實驗室建設，能促進學校內(nèi)部、校校之間的資源充分使用，成果共享，拓展教學受益面[7]。

4.有效促進校企教育資源融合

虛擬仿真實驗是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產(chǎn)物。如果完全依靠高校自身的研發(fā)或外部企業(yè)的開發(fā)，很難得到積極有效的發(fā)展[7]。首先，高校實驗室建設預算有限，不僅要購買儀器設備，還要購買實驗耗材，剩余資金難以有效研發(fā)虛擬仿真實驗項目；其次，企業(yè)雖然在技術、設備、資金等方面具有優(yōu)勢，但對高校學科、專業(yè)的了解不夠透徹，導致開發(fā)的虛擬仿真產(chǎn)品與高校教學脫節(jié)，很難達到教學大綱所要求的教學效果[7]。因此，有必要加強與核電企業(yè)和虛擬技術開發(fā)公司的合作，確保核電虛擬仿真實驗室的建設與實際生產(chǎn)和技術更新相一致。比如，校企共同開發(fā)實用性較強的應用軟件、共建虛擬實驗課程、以市場化方式運行和管理實驗課程資源，這樣才能培養(yǎng)出符合企業(yè)需求的應用型人才[7]。因此，校企合作共建核電虛擬仿真實驗室，企業(yè)和學校教育資源的融合真正能夠使得教學資源優(yōu)化、實踐教學強化、協(xié)同育人機制完善，不斷提高核工程與核技術專業(yè)的人才培養(yǎng)能力。

二、核電虛擬仿真實驗室建設模式

由于我校開辦核專業(yè)的教學資源和支持條件相對有限，核電虛擬仿真實驗室建設基礎設施薄弱，比如核電虛擬仿真教學資源相對匱乏、硬件建設相對遲緩、師資隊伍建設也相對滯后、對接行業(yè)的技術和實踐內(nèi)容持續(xù)更新不及時、教學管理體系不完善、教學資源整合與開放共享程度較低等，嚴重影響了核電工程應用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。因此，在新工科建設背景下，針對我校的上述不足，校企合作共建共管核電虛擬仿真實驗室是最佳選擇。因為校企共建的方式不僅有利于企業(yè)為專業(yè)建設、實踐能力培養(yǎng)、技術更新、師資實踐能力提升提供支持，還有利于企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)格局合理布置實驗室設備和推廣應用新技術產(chǎn)品，而且有利于學校合理使用校企共同資源，更有利于核電產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)、服務企業(yè)行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展[8]。據(jù)此，我校核電虛擬仿真實驗室建設采取如圖1所示的模式，即校企合作開發(fā)仿真平臺、設計實驗項目、組建教學與管理隊伍、制訂教學及管理體系，并實施過程考核與效果評價，不斷完善和持續(xù)改進實驗室建設。

圖1 核電虛擬仿真實驗室建設模式

1.校企共建共管先進的仿真平臺

構建仿真平臺是建設虛擬仿真實驗室的基礎，我校依托核科學與技術湖北省重點(特色)學科、核技術與應用湖北省楚天學者設崗學科的優(yōu)勢與特色，按照互惠互利的方式，與中核武漢核電運行技術有限公司等企業(yè)合作創(chuàng)建先進的核電虛擬仿真實驗平臺。這里，平臺實際上是指以虛擬仿真技術為載體，以軟件環(huán)境為主，用于核專業(yè)實驗教學的一系列軟硬件的總稱，是優(yōu)化配置教學資源的實現(xiàn)路徑[9]。在硬件設備配置方面，主要依靠學校學科建設、企業(yè)參與規(guī)劃等方式添置虛擬仿真實驗教學硬件設施，如高端的PC計算機或圖形工作站、各類服務器、存儲設備、視屏音響設備、網(wǎng)絡設備及其他配件等。在軟件方面，主要是依托合作企業(yè)的開發(fā)實力和支持服務能力，實施校企聯(lián)合研發(fā)，已具備核電站虛擬漫游系統(tǒng)軟件、虛擬反應堆組件軟件、虛擬反應堆冷卻劑泵軟件、虛擬蒸汽發(fā)生器軟件、虛擬換料仿真系統(tǒng)、虛擬AP1000非能動安全系統(tǒng)、核電模擬機仿真軟件以及適用于電力系統(tǒng)虛擬仿真的變電站自動化實驗臺監(jiān)控(THESBD -1F型) 軟件；同時還擁有MCNP5、CFD、Simulink、PCTranAP1000等通用的核反應堆物理/熱工設計軟件。我們實施校企共建共管平臺,并保障平臺可持續(xù)發(fā)展，使之具有擴展性、兼容性、前瞻性，能更好地實現(xiàn)軟件共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等。

2.校企協(xié)同設計優(yōu)質(zhì)的實驗項目

優(yōu)質(zhì)的實驗項目及資源是實驗室建設的重點，我們遵循“校企合作，以校為主”的原則，與中核武漢核電運行技術有限公司等企業(yè)聯(lián)合開發(fā)核電虛擬仿真實驗項目，并按照學生的認知規(guī)律，將虛擬仿真實驗分為“基礎性、綜合性和創(chuàng)新性”三個層次。首先，積極利用企業(yè)的人才、技術、設備等的優(yōu)勢，將當前行業(yè)發(fā)展的最新技術和產(chǎn)品，校企協(xié)同進行量身定制開發(fā)核電虛擬仿真實驗項目，如《核電廠系統(tǒng)及設備虛擬仿真實驗》《核電廠運行仿真實驗》《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗》等3門虛擬仿真實驗課程，共計18個基礎性實驗項目[9]，保證了實驗教學內(nèi)容的更新與發(fā)展。其次，充分發(fā)揮我校核科學與技術學科專業(yè)的優(yōu)勢和特色，實施科教融合，采取“激勵+引導”方式促進先進科研成果轉化為虛擬仿真實驗項目。教師在開展科研工作的同時，利用MCNP、CFD、Simulink等軟件開發(fā)與自己科研相關的實驗項目，如設計了《反應堆物理虛擬仿真實驗》《反應堆熱工水力虛擬仿真實驗》《反應堆安全與控制虛擬仿真實驗》等3門虛擬仿真實驗課程的7個綜合性、創(chuàng)新性實驗項目[9]。這不僅豐富實驗教學內(nèi)容、擴大實驗教學的深度、增強綜合設計和創(chuàng)新能力，而且拓寬知識結構、開闊學生的視野、提升實驗教學內(nèi)容的水平。

3.校企合作組建高素質(zhì)的實驗教學與管理隊伍

高素質(zhì)的實驗教學與管理隊伍是實驗室建設和發(fā)展的關鍵。首先，通過學校教師與行業(yè)人才雙向交流組建專業(yè)知識扎實、虛擬仿真實驗開發(fā)和實踐教學能力強、專兼結合的“雙師型”教學團隊。我們實施“雙百工程”，選派青年教師進入合作企業(yè)接受技能培訓，并要求通過技能考核后擔任兼職工程師，提高專業(yè)教師實踐能力；同時通過篩選聘請合作企業(yè)高級技術專家擔任學?！爱a(chǎn)業(yè)教授”，提高企業(yè)專家教學與科研能力。其次，通過校企合作人員培訓，建成一支管理理念先進、專業(yè)技術較好、工程經(jīng)驗豐富、綜合素質(zhì)較高、人員相對穩(wěn)定、業(yè)務能力過硬的實驗室管理隊伍。從而保證核電虛擬仿真實驗室的正常運行。

4.校企協(xié)作制訂完善的實驗教學與管理體系

科學合理的管理體系是促進虛擬仿真實驗室建設和發(fā)展的重要保障。首先，我們采取虛擬仿真實驗教學軟件開發(fā)及人員培訓等合作項目由學校與合作企業(yè)共同建設和管理，日常的教學運行、管理、維護由學校負責。其次，我們建立跟蹤反饋機制，當教師或?qū)W生、企業(yè)技術人員使用虛擬仿真實驗室后，要求他們?nèi)娣答伿褂们闆r和真實體驗，讓管理人員積極跟蹤不足地方，并及時修正、改進和完善實驗室建設，也為高質(zhì)量教學資源的開發(fā)提供必要依據(jù)[7]。再次，為了保障能充分使用和開放共享核電虛擬仿真實驗平臺與資源，校企協(xié)同制訂了實驗室開放、資源共享、實驗室維護與可持續(xù)發(fā)展等效果評價體系，并建立教學工作績效考核、評價和反饋機制，激勵教師教學積極性、激發(fā)學生學習興趣和提高學生創(chuàng)新能力，同時效果評價結果作為持續(xù)改進的重要依據(jù)。

三、核電虛擬仿真實驗室建設與運行成效

1.實驗室建設效果

我們實施校企合作方式共建了如圖2所示核電虛擬仿真實驗室。該實驗室具有先進的核電仿真平臺，擁有了高端的PC計算機或圖形工作站、各類服務器等硬件條件，具有可開展和運行核電虛擬仿真實驗的各種軟件。通過平臺能自由搭建和開展《核電廠系統(tǒng)及設備虛擬仿真實驗》《核電廠運行虛擬仿真實驗》《反應堆物理虛擬仿真實驗》《反應堆熱工水力虛擬仿真實驗》《反應堆安全與控制虛擬仿真實驗》《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗》共6門課程的25個不同層次的實驗項目，并可以不斷更新教學內(nèi)容、持續(xù)提高教學水平和質(zhì)量。實驗室現(xiàn)有校內(nèi)教學與管理人員12人，其中教授2人、副教授4人、高級工程師2人，具有博士學位的9人。從企業(yè)調(diào)入1名青年技術骨干作為專業(yè)教師，有雙百工程3人，獲注冊核安全工程師2人，外聘企業(yè)產(chǎn)業(yè)教授10名，“雙師型”教師達50%。我們還建成了核電工程與核技術虛擬仿真實驗教學中心門戶網(wǎng)站，為資源開放與共享提供了窗口；制訂了科學合理的實驗室教學與管理體系，不斷優(yōu)化實驗教學質(zhì)量管理和實驗室績效考核，為培養(yǎng)學生的實踐操作能力和創(chuàng)新能力提供良好的保障。

圖2 核電虛擬仿真實驗室

2.實驗室運行效果

我校核電虛擬仿真實驗室自建成與開放以來，得到校內(nèi)外師生的充分肯定和積極參與使用，至今已為我校十一屆核專業(yè)學生開展了實驗教學，并給學生提供了良好的線上線下實踐訓練和自主學習平臺。同時，本實驗室已成為學生見習、實習實訓、崗前培訓的第二課堂。通過虛擬仿真實驗教學，不僅培養(yǎng)了學生的實驗操作技能，還鞏固了專業(yè)理論知識，激發(fā)了學習興趣和提高了學習效果。粗略估計，在校核專業(yè)學生中每年大約有三分之一的學生能利用核電仿真平臺自主開展相關課程設計、實施課外創(chuàng)新活動、完成畢業(yè)論文等，截至2022年已獲得湖北省優(yōu)秀學士學位論文8篇、國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目2項、省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目4項，獲湖北省“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽二等獎3項、三等獎1項，獲全國高校學生課外“核+X”創(chuàng)意大賽三等獎1項、優(yōu)勝獎4項，獲湖北省高校學生課外“核+X”創(chuàng)意大賽一等獎2項、三等獎3項；通過本平臺培訓后，畢業(yè)生可以直接到大亞灣核電站、昌江核電站、中船重工第七一九所等大中型企業(yè)和研究所就業(yè)，而且對學生評價良好；還向哈爾濱工程大學、華北電力大學、成都理工大學、南華大學等高校輸送了大批優(yōu)秀畢業(yè)生攻讀碩士，平均考研錄取率25.4%；同時，教師也依托核電虛擬仿真實驗室承擔教學改革項目16項，完成科研項目10余項，發(fā)表教學和科研論文30余篇，獲省級教學成果二等獎、校級教學成果一等獎和三等獎各1項。我校核電虛擬仿真實驗建設模式及運行效果得到武漢大學、華中科技大學、東華理工大學、三峽大學等高校同行專家的一致肯定；另外，每年還接待專家、領導以及核電科普愛好者來實驗室參觀與交流。但是，我校核電虛擬仿真實驗室在資源的對外開放與共享方面還存在技術障礙等問題[9]，仍需我們持續(xù)不斷的建設和完善。

四、結語

由于我校辦學資源的有限性以及核工程與核技術專業(yè)的特殊性，我們實施校企合作的模式建成了核電虛擬仿真實驗室，具有先進的仿真平臺、優(yōu)質(zhì)的實驗項目、高素質(zhì)的實驗教學與管理隊伍、完善的實驗室教學與管理體系，從而更好滿足了學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要。實驗室建成后，能開展6門實驗課程、25個不同層次的實驗項目；實驗室在教學運行中增強了學生自主學習的積極性，提升了學生專業(yè)學習興趣和實驗效果，提高了學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力，但也面臨著資源的對外開放與共享問題和困難。我們清醒的認識到，核電虛擬仿真實驗室建設是一個持續(xù)建設與不斷完善的過程。