大学物理实验课程开设核与辐射仿真实验探讨

冯光文 陈恒雷

[摘 要] 基于国家推进教育信息化与高校实验教学改革相融合的时代背景，从大学物理实验类教学中开展核与辐射类实验的必要性入手，针对核与辐射类实操实验开展过程中存在的放射源监管压力、安全风险和辐射危害等问题，本着实验教学既要满足学生培养要求，又要实现实验安全风险人为可控的目标，从消除放射源监管压力、减少人力和物力投入、消除安全风险与辐射危害、增加学习方式的灵活性等几个方面探讨了开展核与辐射类虚拟仿真实验的可行性，以期为新时代高校物理实验类教学改革创新提供一定参考。

[关键词] 核与辐射;虚拟仿真实验;物理实验类教学

[基金项目] 2018年度自治区普通高等学校教学改革研究重点项目“融入‘思政教育的物理类通识教育课程建设及教学方法实践探索”（2018JG06）;2020年度高等学校教学研究项目“物理基础课程中实施‘课程思政的混合式教学改革实践探索”（DJZW202016xb）

[作者简介] 冯光文（1982—），男，河南南阳人，工学硕士，新疆大学物理科学与技术学院高级工程师，主要从事核技术及应用研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）15-0068-04   [收稿日期] 2020-11-18

按照国家对物理学、应用物理学等大学本科专业的培养要求，学生需要掌握一定的原子核物理知识，也需要通过普通物理实验和近代物理实验来掌握一些常用物理量（如：辐射通量或辐射通量（面）密度）的测量;按照国家对非物理类理工学科大学物理实验课程教学的基本要求，大学物理实验除了要包括力学、热学、电磁学和光学等经典物理实验，还应包括近代物理实验，而核与辐射探测类实验是近代物理实验的主要组成部分，包括普通物理实验、近代物理实验和大学物理实验在内的物理实验教学的目的在于增强学生对科学理论的认知、提高学生科学实验素养、培养学生的创新能力等[1，2]。随着近年来信息化技术的发展，虚拟仿真实验教学作为一种新的教学模式，正在逐渐引领国家倡导的教育信息化与高等学校实验教学改革的发展道路，并已经在生物学、计算机等学科领域展现出良好的示范化效应[3-5]。当前高校核与辐射类实验以实操实验为主，主要涉及放射源的使用，管理严格且潜在安全风险较大，实验操作不当可能会对学生和教师产生一定的辐射危害[6]。针对上述问题，本文既要满足学生的培养要求，又要实现实验安全风险人为可控的目标，从大学物理实验教学中开展核与辐射类实验的必要性、核与辐射类实操实验过程中存在的主要问题、核与辐射类虚拟仿真实验的优越性等方面，探讨了在大学物理实验教学中开展核与辐射类虚拟仿真实验的必要性与可行性。

一、开展核与辐射类实验的必要性

（一）国家对物理学类与非物理类理工学科专业培养的目标要求

按照国家制定的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准（物理学类）》和《高等学校物理学/应用物理学本科指导性专业规范》的要求[7-9]，在基本理论知识体系中的核心知识单元——“4-1原子与亚原子结构”中要求学生掌握原子核物理的基础知识，在物理实验知识体系中要求學习常用物理量（辐射通量或辐射通量（面）密度）的测量，并在近代物理实验中给出部分基础实验的选题，要求各校根据自己的特点从中选择。

根据教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会制定的《非物理类理工学科大学物理实验课程教学基本要求（正式报告稿）》的要求，高校开设的物理实验应包括普通物理实验（力学、热学、电学、光学实验）和近代物理实验，这些实验可涉及力、热、电、光、近代物理等各个领域的内容，各校应根据本校的实际情况设置不同类型的实验内容，但必须包含一定比例的近代物理实验内容[ 10 ]。原子核物理知识是近代物理学的主要内容之一[ 11 ]，开展核与辐射类实验不仅可以满足教学中对近代物理实验的内容要求，更有利于提升非物理类专业学生利用核与辐射知识创新性的解决实际问题的能力。

（二）顺应不同学科专业发展需要的必然要求

鉴于现代科技的发展，核与辐射技术已经逐渐影响到世界各国的经济发展、科技进步和国防安全，并在工业、农业、国防、医学、环保、考古、科研等领域展现出广泛的应用前景[ 12 ]。核与辐射技术在工业领域主要用于辐照材料加工、辐照消毒、核仪表、辐射测量及工业探伤等方面;核与辐射技术在农业领域主要用于辐射诱变育种、辐照保鲜、放射性同位素示踪等方面;核与辐射技术在国防领域主要用于核武器、核潜艇、核动力航空器等方面;核与辐射技术在医学领域主要用于核医学影像诊疗、放射性同位素示踪、放射性同位素诊疗等方面;核与辐射技术在环保领域主要用于辐射环境监测、核与辐射应急、环境污染治理等方面;核与辐射技术在考古领域主要用于文物真伪的辨识、文物断代、文物的元素成分和含量分析等方面;核与辐射技术在科研领域主要用于先进反应堆技术、加速器技术、高能粒子物理、第四代核电技术、高放废物处理处置技术等方面。我国高校中设有核物理与核技术、核技术与核工程本科专业的学校较少，致使现有的专业人才培养无法满足不同行业发展对核与辐射领域专业人才的需求，与核物理与核技术、核技术与核工程本科专业相关或相近专业（如物理学、应用物理学等）的毕业生则成为核与辐射专业领域人才的有益补充。为了尽快解决目前存在的问题，适应时代发展对不同本科专业的要求，高等学校应借助大学物理和大学物理实验作为理工科学生必修课程的独特条件，将核与辐射基础知识和基本实验有机融入大学物理理论和实验教学中，使得不同专业的本科生都能掌握基本的核与辐射知识和开展基础的放射性实验，更好地满足新时代不同行业的发展对理、工、农、医等学科门类本科生的要求，更好地服务于理、工、农、医等不同学科领域，甚至人文社科领域的发展。

二、核与辐射类实操实验存在的主要问题

在大学物理类实验教学中，开展核与辐射类实操实验，主要存在以下几方面的问题。

（一）放射源的监管过程严格且复杂

根据国家对放射性同位素（放射源和非密封放射性物质）和射线装置的监管规定，国务院及各级生态环境主管部门、公安、卫生和其他有关部门按照职责分工，对不同类别的放射性同位素、射线装置的安全和防护工作实施监督管理。使用放射性同位素的单位，应当按照有关规定申请领取许可证，且申领许可证前编制环境影响评价文件，报生态环境主管部门审批或备案登记。

高校在开展核与辐射类实操实验时通常需要使用Ⅳ、Ⅴ类放射源（如60Co、137Cs等）或豁免源，这需要高校严格按照国家对Ⅳ、Ⅴ类放射源使用规

范的要求办理相关手续，建立相关监管制度。即使是豁免源，也需办理放射源豁免备案手续，并进行严格管理。Ⅳ、Ⅴ类放射源在使用前，高校需办理环评审批或备案手续，申请领取《辐射安全许可证》，购置实验所需放射源，购置后需进行环保验收手续。放射源的存贮、使用、监测及放射源退役后的处理处置均需要进行严格监管。高校还需要按照国家的相关法律法规及标准，制定完善的辐射安全监管制度并付诸实施。以上所述的放射源监管过程严格且复杂，这在无形之中增加了高校及相关职能部门的监管难度。

（二）学校需投入足够的人力、物力资源

放射源贮存室的设计、建造需满足国家规定的辐射防护要求，配备相应的监控、报警及辐射监测设备，需要高校投入一定的专项资金予以支持。按照国家对放射源的管理要求，应配备专职辐射安全管理人员，使用放射源的人员要定期参加国家组织的辐射安全防护知识培训与考核。放射源贮存场实行双人双锁，致使人员配备要求与当前高校实验教师及实验技术人员紧缺的矛盾非常突出。同时，国家法律法规要求放射源使用单位需请有资质的单位对本单位的放射源使用场所进行定期监测，这就必然会给高校增加人力、物力投入和人员培训的压力，只有投入足够的人力、物力、财力资源才能做到对放射源人防、物防和技防的联防联控要求。

（三）存在一定的安全风险与辐射危害

大学物理实验类教学中辐射类实操实验基本上是将放射源从专用的贮存室转移到实验室进行实验，鉴于实验室内学生分组较多，放射源数量多、体积小，实验教师和实验技术人员数量有限，无法时刻关注到每一枚放射源的动态，在实验过程中存在放射源丢失风险。同时，放射源时刻向四周辐射射线，学生和教师在做好防护的条件下开展正常实验也会受到微量的附加照射，如果实验中操作不当，会对师生产生一定的辐射危害，这就势必会增大高校开设核与辐射类实操实验的潜在风险，学校需要担负一定的管理压力才能在大学物理实验类教学中推行。

三、开展核与辐射类虚拟仿真实验的可行性

（一）消除放射源的监管压力

通过构建核与辐射类虚拟仿真实验平台，创建放射源管理、仿真实验、设计性实验模块，将放射源购置、《辐射安全许可证》申领与注销、放射源贮存、辐射事故应急等管理要求纳入仿真平台的放射源管理模块，使学生了解和掌握国家对放射源从购置、使用、贮存及处置的监管过程。创建不同类别的仿真实验，通过构建虚拟放射源的使用，丰富学生对原子核物理现象的认识，满足学生对核与辐射类实验的需求。设计性模块是在学生掌握一定辐射知識背景与实验技能的基础上，通过不同探测器的组装，开展一定的创新性实验。总之，通过核与辐射类虚拟仿真实验平台的构建，不仅使学生远离了电离辐射危害，加深了对核与辐射知识的认识，也消除了学校对放射源的监管压力。

（二）减少学校人力、物力资源的投入

与核与辐射类实操实验教学相比，虚拟仿真类实验教学在成本控制方面具有较大的优势。首先体现在直接经费投入方面，学校只需要通过一次性投入建立核与辐射类虚拟仿真实验平台的费用，减少了仪器设备、放射源购置、放射源贮存室建造及管理等费用，只需后续投入少量的平台运维成本。其次体现在人力成本方面，节约了专职辐射安全管理人员，消除了放射源监管人员配备与当前高校实验教师及实验技术人员紧缺的矛盾。这样既减少了学校人力、物力资源的投入，又满足了大学物理实验类教学中开展核与辐射类实验的各种要求。

（三）消除安全风险与辐射危害

高校校园中的安全事故容易引起社会的广泛关注。高校一直以来将校园安全稳定工作放在学校管理工作的重要位置，不断通过开设安全知识讲座、安全知识通识类课程来增强学生的自我安全与防范意识，采取各项保障措施防控各类安全风险和潜在危害。放射源作为一种潜在危险源，使用不当会对师生产生一定的附加照射危害，丢失、被盗会容易在师生中引起集体恐慌，严重时甚至会影响学校的教学、科研和校园安全稳定。通过构建核与辐射类虚拟仿真实验平台，构建虚拟放射源（如60Co、137Cs等），模拟真实放射源的射线发射规律，将传统实验室放射源的操作规范搬进虚拟平台，通过点击鼠标的方式开展实验。虚拟仿真实验不仅使学生进行了近似实际的实验操作，加深了对原子核物理知识的理解，更重要的是消除了真实放射源使用中存在的潜在风险和辐射危害。

（四）增加了学习方式的灵活性

随着我国手机和电脑用户的普及，手机或电脑已经成为大学生生活中不可或缺的一部分，加之国家对网络的提速和资费下调，信息技术正逐步改变着高校学生的知识获取方式。和传统学习方式不同，虚拟仿真实验就是利用计算机搭建的平台来创建、模拟实操实验，学生只需利用随身携带的手机或便携式电脑，借助公共网络就可以实现随时、随地的学习和实验。从节约成本考虑，高校可以通过利用现有的服务器平台系统，搭建核与辐射类虚拟仿真实验平台子系统，仿真实验模块中创建实验在线演示、实验操作、实验报告等子模块，学生随时、随地可以进行在线学习，消除了学生所处环境的限制，打破了传统教室教学的限制，使得学校在应对大型突发事件（如新冠肺炎疫情）时，推行应急措施时的处置方式会更加灵活、便利。虚拟仿真类实验的优越性在2019—2020学年第一学期全国高校线上教学中已经得到了充分的体现。

四、結语

本文基于国家推进教育信息化与高校实验教学改革相融合的时代背景，从物理学类与非物理类理工学科专业培养目标和顺应不同学科专业发展需要这两个方面，论述了物理实验类教学中开展核与辐射类实验的必要性。针对核与辐射类动手实验中存在的放射源监管压力、安全风险和辐射危害等问题，本着实验教学既要满足学生培养要求，又要实现实验安全风险人为可控的目标，从消除放射源监管压力、减少人力和物力投入、消除安全风险与辐射危害、增加学习方式的灵活性等方面，探讨了开展核与辐射类虚拟仿真实验的可行性，以期为新时代高校物理实验类教学改革创新提供一定的借鉴与参考。

参考文献

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Discussion on the Establishment of Nuclear and Radiation Simulation Experiments in College Physics Experiment Course

FENG Guang-wen， CHEN Heng-lei

（School of Physics and Technology， Xinjiang University， Urumqi， Xinjiang 830046， China）

Abstract： Based on the background of the integration of education informatization and experiment teaching reform in colleges and universities， this paper starts with the necessity of establishing nuclear and radiation experiments in College Physics experiment teaching. In view of the problems existing in the hands-on experiments of nuclear and radiation， such as the great pressure of supervision over radioactive sources， the great safety risk and the great radiation harms， etc.， we hold the idea that experiment teaching should not only meet the requirements of students training， but also realize the goal of keeping the experiment safety risk under control. This paper discusses the feasibility of carrying out virtual simulation experiments of nuclear and radiation from the aspects of eliminating the supervision pressure of radioactive sources， reducing human and material input， eliminating safety risks and radiation hazards， and increasing the flexibility of learning methods， in order to provide some reference for the reform and innovation of physics experiment teaching in colleges and universities in the new era.

Key words： nuclear and radiation; virtual simulation experiment; physics experiment teaching