大数据背景下核工程与核技术专业“虚拟+实体”混合式教学的应用

吕中良 赵子甲 田立朝

摘要随着大数据、计算机、互联网等技术的快速发展，大数据背景下的各类虚拟仿真实践平台正在逐渐应用到核工程与核技术专业的实践教学中，针对当前核工程与核技术专业教学中存在的学员理论知识学得较扎实而实践技能难以获得充分训练的问题，本文首先介绍当前在大数据背景下的核工程与核技术虚拟仿真实践系统与其前沿发展，然后重点对如何完善当前实践教学存在的问题开展相关的教学设计，最后针对大数据背景下基于“虚拟+实体”的混合式实践教学进行了探究。

关键词 虚拟仿真 实体实践 核工程与核技术 实践教学

中图分类号：G424文献标识码：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核工程與核技术专业实践训练面临的问题

在目前国内开设核专业的众多高校中，对人才培养而言，其核心专业课程的实践基本相同，即对于：（1）核工程类的专业实践，主要是通过核电厂系统虚拟仿真实验教学中心，先进反应堆热工水力台架等开展相应的核电厂运行原理、反应堆物理及反应堆热工流体等课程的实践。（2）对于核技术方面的实践教学，则主要是通过实验室内的放射性活度极低的豁免级别放射源等开设相应的辐射防护、核辐射探测等实验。

由于核工程与核技术专业的特殊性，对于核工程类专业实践，目前高校内建设新型反应堆的可能性不大，仅能利用核电厂的虚拟仿真实验或是建设数字反应堆开展部分核电厂的运行原理、反应堆结构剖析、典型常规事故（如失冷、失流等事故）的仿真模拟等训练，对于一些新型反应堆，如热管式空间反应堆、液态金属冷却反应堆等目前核电领域的前沿方向则缺乏必要的实践训练平台，同时由于成本的原因也难以在众多高校推广。另一方面，对于反应堆内的一些严重事故工况的模拟与缓解，核事故后果环境影响评价等，还未见有相应的成熟配套用教学实践平台。部分教学用模拟机，目前还难以做到解决数据同化、模拟精度与实际反应堆运行高度相符、真实还原反应堆内不同辐照场下多物理多尺度耦合精确仿真场景，这些都是在基于“虚拟仿真实验”需要进一步补足或完善之处。

2大数据背景下的核工程与核技术虚拟仿真实践系统介绍

2.1核辐射探测虚拟仿真实验

由于放射源具有一定的危险性和放射源衰变过程的抽象性，通过计算机虚拟仿真在相当程度上可以弥补放射源在实验教学上的缺憾。目前，已有针对核辐射探测的虚拟仿真实验平台，[1]其可通过虚拟放射源，从核辐射的基本原理出发，从源头搭建实验平台，直到后端核电子学、核信息数据的提取与处理的整个过程，从而让学生在虚拟场景中，可自主操作实验仪器并完成实验，解决核专业实际教学中的安全风险大、原理不易理解的教学问题。目前国内已见有部分高校正在建立一些针对核辐射探测的虚拟仿真实验平台，如武汉大学的康普顿散射虚拟仿真实验，[2]成都理工大学的放射性气溶胶物理仿真实验等。通过使用虚拟放射源，可打破放射源监管的限制，有效解决目前核技术专业实践中难以形成一套高效实践训练台架的问题。

2.2数字反应堆

核能领域人员利用建模和仿真方式研究核能技术已有很长一段历史，通过大数据与云计算技术，耦合多专业的协同设计，建立一个可预测模拟核反应堆全生命周期内的各种特性的虚拟仿真环境，数字反应堆在国内各核电企业中目前正处于研发阶段，在国内高校中，主要是以三维数字核电厂为核心搭建了相关的虚拟仿真用的数字化反应堆教学平台，如西安交通大学、哈尔滨工程大学、南华大学等的“核电厂系统虚拟仿真实验教学中心”等。目前其他涉核专业高校也正在建设相关的数字化反应堆教学平台，但其中多数以采购现有核电企业的模拟机为主，对于核工程与核技术专业人才培养，如何最大限度地发挥数字化反应堆在教学中的作用还需要进一步挖掘。

2.3核应急仿真系统

利用大数据技术与仿真技术，在福岛核事故后，针对核应急演练的需求，以及针对核事故演变、事故源项释放、核素迁移等在环境中的预测分析，配合进行核应急的培训演练，目前已经形成了比较成熟的核事故后果评价系统，如国内的RASCAL和RODOS等，目前正在利用大数据分析技术，开展源项反演、严重事故的缓解与预测的相关产品研发，对于高校核专业中的核应急实践教学，可以配套结合相关的核反应堆、辐射防护等的理论课程进行实践教学。

3大数据背景下核工程与核技术虚拟仿真实践教学设计

3.1核辐射探测虚拟仿真实验

根据高校实验室建设的实际，基于核辐射探测虚拟仿真实验，可开设一些需要使用强放射源或者高危放射源的实验，如原子核衰变放射强度测量及物质吸收虚拟仿真实验、康普顿散射虚拟仿真实验、卢瑟福背散射实验、放射性气溶胶探测实验等。在实验方案的设计上，通过虚拟放射源，让学生在虚拟场景中，自主操作实验仪器，包括后端核电子学仪器的连接搭建，让学生真正达到对核辐射领域抽象原理的学以致用，以及动手实践技能的训练提高。

在教学方法上，为提高实验教学效果，在虚拟仿真实验中可进一步分为四个阶段进行：（1）在实验前，组织利用雨课堂等新型教学手段，引导学员对本节课的实验用到的相关理论知识、实验原理进行答题，以选择题或判断题等形式，检验学生对相关理论知识的理解与掌握，真正体现以学员为主体式的教学，反馈学员对本节课实验所应用到的易混淆的概念的正确理解与区分效果，为实验做准备；（2）在实验操作技能讲授中，可充分利用互联网时代多媒体等信息技术，先引导组织学生观看一套完整的实验演示视频，了解相关实验设备的操作，同时结合多媒体技术，教师对实验操作的注意事项做相关强调与补充，以让学生对本次实验有个整体的印象；（3）在实验开展过程中，结合前面的理论准备以及实验操作技能铺垫，更多地让学生在虚拟仿真的实验环境中，增加动手实践的学时，体现以学生为主导的方式，增加学员探究式、与独立性地完成实验，对于实验操作中的不规范之处，利用虚拟实验平台，能够及时地进行反馈纠正，如高压电源的连接，电子学电路的搭建等；（4）实验结束后的评价与反馈阶段，及时与学员进行线上+线下式的互动，如雨课堂，线下反馈等，对相关原理与实验难点问题进行答疑；在实验结束后，引导学员对各自独立完成的实验数据进行处理与分析，并撰写实验报告，在下次实验前对学员本次实验中的其他问题进行总结反馈。

3.2数字反应堆

对于反应堆类课程的教学实践，在实验设计上，一是可结合虚拟现实环境，进行核动力系统内的主要设备（如压力容器、冷却剂系统三维管道）的模型解剖，核岛内虚拟漫游；二是结合教学用模拟机，实现核动力装置运行原理及反应堆启动及停止、常见设计基本事故工况、超设计基准事故工况、严重事故的模拟。教学方法上，为了提高学员对反应堆物理、反应堆热工流体等课程知识的应用，在实践教学中，可以进一步加入一些反应性引入事件，通过学员使用控制棒等形式进行实操，并调整临界；对于变工况，冷却剂流量、流速突然变大或变小时，引起的相关压降、流量分配情况变化等则引导学员开展相关独立性的探索实验。

对于高年级的学生，如毕业班学生，还可以结合数字反应堆平台或平台研发的需要，以进行相关毕业设计的开展，如通过编写一些接口程序，或耦合程序、相关计算的处理或调用模块等，放在数字反应堆平台上进行测试与应用，进一步检验学员对本专业相关知识的应用程度。

3.3核应急系统

在大数据时代下的核应急实践，可以利用目前国内一些核事故仿真平台、场外剂量计算、核应急指挥调度系统等进行教学定制，对于核应急不同处置阶段，如核应急划区隔离、辐射监测、撤离隐蔽、洗消处理、取样分析、事故后果预测与评价等，进行不同应急方案、撤离路径优化的沙盘推演，同时结合相关辐射防护、反应堆安全等知识开展必要的计算分析等，以达到对真实应急场景的应用与处置实践教学的目的。

在教学内容的设计上，可以结合核工程核技术领域的不同需求，有针对性地设计不同的实践场景，例如放射源库遭遇袭击、核电站的超临界事故、放射源库在储存、监管过程中的泄漏、伴生发生的核生化、火灾等或战场核袭击等不同应急场景下的虚拟实践，以贴近实际核应急工作，充分地调动学员应对实际问题的处置与解决问题的能力培养。

在教学方法的实现上，核应急的虚拟仿真实践可以分为三个阶段：（1）实践前，结合核应急工作的分工，将学生按照不同的应急职责进行分组，针对选择的应急场景，通过让学生参与线下应急脚本预案的撰写，让学员以主人翁的角色参与应急的教学实践；（2）在核应急的实践中，结合核应急仿真系统进行沙盘推演，进行模拟实训的演习；教师在核应急演习中可扮演为核应急現场总指挥，进行各应急小组学员的现场指挥调度；同时根据核应急实际，在实践中，可临时增加一些突发场景，如伴随人员伤亡、火灾爆炸，二次核袭击等，检验学员应对突发状况的处置能力；（3）在核应急实践结束阶段，可对存在的问题进行讲解点评，对于学员提出的问题及时进行解答反馈，在课程结束后，布置学员撰写实践报告，以对整个实践流程进行复盘与总结。

4大数据背景下核工程与核技术“虚拟”+“实体”的混合式实践教学

大数据、云计算时代背景下的核专业虚拟仿真实践虽可在“无放射源”的条件下开展相关的实践教学，避免高危放射源的监管与危害，但若仅依靠“虚拟仿真实践平台”，教学效果还是难以发挥最大限度的提高，主要体现在三个方面：（1）虚拟仿真平台实践毕竟与真实实体实践存在一定差距，以数字反应堆为例，在大数据时代，目前还难以做到数值预测模型与实测数据的一一对应，即数据同化的问题，这方面需要结合一定的理论或实体实测装置开展线下实践教学；（2）虚拟仿真实践平台上一些装置的结构剖析，通过虚拟现实等技术，虽然可以配合理论课程进行直观展示，但也存在着“看得见，摸不着”问题，难以使学员留下模型与结构原理的深入理解和掌握；（3）虚拟化平台上的相关仪器的操作仅仅是通过虚拟现实和鼠标、键盘上的“动手”完成，对相关仪器设备的操作还难以做到与真实设备的操作达到同样的训练效果。

为了解决通过虚拟仿真实践教学带来的上述问题，随着大数据、互联网技术的不断发展，“虚拟+实体”的混合式实践教学仍将是未来的一种趋势，为了更好地达到实践教学效果，这种混合式教学可以进一步完善和改进的方法与方式有：（1）关于虚拟仿真平台实践与真实实体实践存在的教学方式上的差距，应以虚拟仿真实验和“线下”实体实践相结合，尽可能地做到能“实”则“实”，如对一些“非放射性”的实验可以搭建相关的实验台架，开展线下的实体操作实验，如热工流体传热性实验等。（2）对于虚拟仿真平台存在的“看得见，摸不着”问题，则可以定制相关的教学实体模型，如核动力反应堆模型、加速器模型、核动力潜艇装置等模型，配合虚拟仿真平台，在大数据、物联网时代，还可利用人机交互的方式，设置触摸一体机与实体装置模型进行联机互动，配备语音讲解等方式，通过实体演示的教学和触摸一体机的人机交互，充分解决虚拟仿真平台上存在的“看得见，摸不着”问题。（3）对于“虚拟实践”中存在的相关操作技能难以得到切实有效的训练问题，在实践教学的安排上，应增加实践部分的学时，如在理论课程教学中，安排有实体装置的教室中，通过人机交互等方式，增加线下实体实践教学效果，同时穿插进行理论知识的讲授；在实验教学课程中则安排到虛拟仿真实验室，对利用豁免源可开展的实验，可设计通过虚拟仿真实验熟悉对相关仪器的使用和操作原理、技能后，再结合线下实体操作等进行训练或考核，充分发挥大数据背景下的“虚拟+实体”的混合式教学效果。

5结语

随着大数据、计算机、互联网等技术的快速发展，大数据背景下的各类虚拟仿真实践平台正在逐渐应用到核工程与核技术专业的实践教学中，本文探讨了如何对当前实践教学中存在的部分问题开展大数据背景下的“虚拟+实体”的混合式实践教学。为了更好地满足核工程与核技术专业实践教学的要求，今后仍需不断地对大数据背景下的虚拟仿真平台在实践教学中的应用继续开展教学优化设计，同时还需结合线下实体实践为一体的混合式教学，充分发挥其在大数据背景下的实践教学效果。

参考文献

[1]杨强，刘军，魏生斌，等.核辐射与安全虚拟仿真实验教学建设[J].实验技术与管理，2018，35（2）：117-120，151.

[2]杨智慧，刘海林，王晓峰，等.康普顿散射虚拟仿真实验设计及教学实践[J].实验室研究与探索，2021，40（3）：102-106，128.