大數據背景下核工程與核技術專業“虛擬+實體”混合式教學的應用

呂中良 趙子甲 田立朝

摘要隨著大數據、計算機、互聯網等技術的快速發展，大數據背景下的各類虛擬仿真實踐平臺正在逐漸應用到核工程與核技術專業的實踐教學中，針對當前核工程與核技術專業教學中存在的學員理論知識學得較扎實而實踐技能難以獲得充分訓練的問題，本文首先介紹當前在大數據背景下的核工程與核技術虛擬仿真實踐系統與其前沿發展，然后重點對如何完善當前實踐教學存在的問題開展相關的教學設計，最后針對大數據背景下基于“虛擬+實體”的混合式實踐教學進行了探究。

關鍵詞 虛擬仿真 實體實踐 核工程與核技術 實踐教學

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核工程與核技術專業實踐訓練面臨的問題

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

由于核工程與核技術專業的特殊性，對于核工程類專業實踐，目前高校內建設新型反應堆的可能性不大，僅能利用核電廠的虛擬仿真實驗或是建設數字反應堆開展部分核電廠的運行原理、反應堆結構剖析、典型常規事故（如失冷、失流等事故）的仿真模擬等訓練，對于一些新型反應堆，如熱管式空間反應堆、液態金屬冷卻反應堆等目前核電領域的前沿方向則缺乏必要的實踐訓練平臺，同時由于成本的原因也難以在眾多高校推廣。另一方面，對于反應堆內的一些嚴重事故工況的模擬與緩解，核事故后果環境影響評價等，還未見有相應的成熟配套用教學實踐平臺。部分教學用模擬機，目前還難以做到解決數據同化、模擬精度與實際反應堆運行高度相符、真實還原反應堆內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大數據背景下的核工程與核技術虛擬仿真實踐系統介紹

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程度上可以彌補放射源在實驗教學上的缺憾。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，從源頭搭建實驗平臺，直到后端核電子學、核信息數據的提取與處理的整個過程，從而讓學生在虛擬場景中，可自主操作實驗儀器并完成實驗，解決核專業實際教學中的安全風險大、原理不易理解的教學問題。目前國內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，如武漢大學的康普頓散射虛擬仿真實驗，[2]成都理工大學的放射性氣溶膠物理仿真實驗等。通過使用虛擬放射源，可打破放射源監管的限制，有效解決目前核技術專業實踐中難以形成一套高效實踐訓練臺架的問題。

2.2數字反應堆

核能領域人員利用建模和仿真方式研究核能技術已有很長一段歷史，通過大數據與云計算技術，耦合多專業的協同設計，建立一個可預測模擬核反應堆全生命周期內的各種特性的虛擬仿真環境，數字反應堆在國內各核電企業中目前正處于研發階段，在國內高校中，主要是以三維數字核電廠為核心搭建了相關的虛擬仿真用的數字化反應堆教學平臺，如西安交通大學、哈爾濱工程大學、南華大學等的“核電廠系統虛擬仿真實驗教學中心”等。目前其他涉核專業高校也正在建設相關的數字化反應堆教學平臺，但其中多數以采購現有核電企業的模擬機為主，對于核工程與核技術專業人才培養，如何最大限度地發揮數字化反應堆在教學中的作用還需要進一步挖掘。

2.3核應急仿真系統

利用大數據技術與仿真技術，在福島核事故后，針對核應急演練的需求，以及針對核事故演變、事故源項釋放、核素遷移等在環境中的預測分析，配合進行核應急的培訓演練，目前已經形成了比較成熟的核事故后果評價系統，如國內的RASCAL和RODOS等，目前正在利用大數據分析技術，開展源項反演、嚴重事故的緩解與預測的相關產品研發，對于高校核專業中的核應急實踐教學，可以配套結合相關的核反應堆、輻射防護等的理論課程進行實踐教學。

3大數據背景下核工程與核技術虛擬仿真實踐教學設計

3.1核輻射探測虛擬仿真實驗

根據高校實驗室建設的實際，基于核輻射探測虛擬仿真實驗，可開設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。在實驗方案的設計上，通過虛擬放射源，讓學生在虛擬場景中，自主操作實驗儀器，包括后端核電子學儀器的連接搭建，讓學生真正達到對核輻射領域抽象原理的學以致用，以及動手實踐技能的訓練提高。

在教學方法上，為提高實驗教學效果，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手段，引導學員對本節課的實驗用到的相關理論知識、實驗原理進行答題，以選擇題或判斷題等形式，檢驗學生對相關理論知識的理解與掌握，真正體現以學員為主體式的教學，反饋學員對本節課實驗所應用到的易混淆的概念的正確理解與區分效果，為實驗做準備；（2）在實驗操作技能講授中，可充分利用互聯網時代多媒體等信息技術，先引導組織學生觀看一套完整的實驗演示視頻，了解相關實驗設備的操作，同時結合多媒體技術，教師對實驗操作的注意事項做相關強調與補充，以讓學生對本次實驗有個整體的印象；（3）在實驗開展過程中，結合前面的理論準備以及實驗操作技能鋪墊，更多地讓學生在虛擬仿真的實驗環境中，增加動手實踐的學時，體現以學生為主導的方式，增加學員探究式、與獨立性地完成實驗，對于實驗操作中的不規范之處，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，電子學電路的搭建等；（4）實驗結束后的評價與反饋階段，及時與學員進行線上+線下式的互動，如雨課堂，線下反饋等，對相關原理與實驗難點問題進行答疑；在實驗結束后，引導學員對各自獨立完成的實驗數據進行處理與分析，并撰寫實驗報告，在下次實驗前對學員本次實驗中的其他問題進行總結反饋。

3.2數字反應堆

對于反應堆類課程的教學實踐，在實驗設計上，一是可結合虛擬現實環境，進行核動力系統內的主要設備（如壓力容器、冷卻劑系統三維管道）的模型解剖，核島內虛擬漫游；二是結合教學用模擬機，實現核動力裝置運行原理及反應堆啟動及停止、常見設計基本事故工況、超設計基準事故工況、嚴重事故的模擬。教學方法上，為了提高學員對反應堆物理、反應堆熱工流體等課程知識的應用，在實踐教學中，可以進一步加入一些反應性引入事件，通過學員使用控制棒等形式進行實操，并調整臨界；對于變工況，冷卻劑流量、流速突然變大或變小時，引起的相關壓降、流量分配情況變化等則引導學員開展相關獨立性的探索實驗。

對于高年級的學生，如畢業班學生，還可以結合數字反應堆平臺或平臺研發的需要，以進行相關畢業設計的開展，如通過編寫一些接口程序，或耦合程序、相關計算的處理或調用模塊等，放在數字反應堆平臺上進行測試與應用，進一步檢驗學員對本專業相關知識的應用程度。

3.3核應急系統

在大數據時代下的核應急實踐，可以利用目前國內一些核事故仿真平臺、場外劑量計算、核應急指揮調度系統等進行教學定制，對于核應急不同處置階段，如核應急劃區隔離、輻射監測、撤離隱蔽、洗消處理、取樣分析、事故后果預測與評價等，進行不同應急方案、撤離路徑優化的沙盤推演，同時結合相關輻射防護、反應堆安全等知識開展必要的計算分析等，以達到對真實應急場景的應用與處置實踐教學的目的。

在教學內容的設計上，可以結合核工程核技術領域的不同需求，有針對性地設計不同的實踐場景，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、監管過程中的泄漏、伴生發生的核生化、火災等或戰場核襲擊等不同應急場景下的虛擬實踐，以貼近實際核應急工作，充分地調動學員應對實際問題的處置與解決問題的能力培養。

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

4大數據背景下核工程與核技術“虛擬”+“實體”的混合式實踐教學

大數據、云計算時代背景下的核專業虛擬仿真實踐雖可在“無放射源”的條件下開展相關的實踐教學，避免高危放射源的監管與危害，但若僅依靠“虛擬仿真實踐平臺”，教學效果還是難以發揮最大限度的提高，主要體現在三個方面：（1）虛擬仿真平臺實踐畢竟與真實實體實踐存在一定差距，以數字反應堆為例，在大數據時代，目前還難以做到數值預測模型與實測數據的一一對應，即數據同化的問題，這方面需要結合一定的理論或實體實測裝置開展線下實踐教學；（2）虛擬仿真實踐平臺上一些裝置的結構剖析，通過虛擬現實等技術，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，難以使學員留下模型與結構原理的深入理解和掌握；（3）虛擬化平臺上的相關儀器的操作僅僅是通過虛擬現實和鼠標、鍵盤上的“動手”完成，對相關儀器設備的操作還難以做到與真實設備的操作達到同樣的訓練效果。

為了解決通過虛擬仿真實踐教學帶來的上述問題，隨著大數據、互聯網技術的不斷發展，“虛擬+實體”的混合式實踐教學仍將是未來的一種趨勢，為了更好地達到實踐教學效果，這種混合式教學可以進一步完善和改進的方法與方式有：（1）關于虛擬仿真平臺實踐與真實實體實踐存在的教學方式上的差距，應以虛擬仿真實驗和“線下”實體實踐相結合，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，則可以定制相關的教學實體模型，如核動力反應堆模型、加速器模型、核動力潛艇裝置等模型，配合虛擬仿真平臺，在大數據、物聯網時代，還可利用人機交互的方式，設置觸摸一體機與實體裝置模型進行聯機互動，配備語音講解等方式，通過實體演示的教學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”中存在的相關操作技能難以得到切實有效的訓練問題，在實踐教學的安排上，應增加實踐部分的學時，如在理論課程教學中，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效果，同時穿插進行理論知識的講授；在實驗教學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，可設計通過虛擬仿真實驗熟悉對相關儀器的使用和操作原理、技能后，再結合線下實體操作等進行訓練或考核，充分發揮大數據背景下的“虛擬+實體”的混合式教學效果。

5結語

隨著大數據、計算機、互聯網等技術的快速發展，大數據背景下的各類虛擬仿真實踐平臺正在逐漸應用到核工程與核技術專業的實踐教學中，本文探討了如何對當前實踐教學中存在的部分問題開展大數據背景下的“虛擬+實體”的混合式實踐教學。為了更好地滿足核工程與核技術專業實踐教學的要求，今后仍需不斷地對大數據背景下的虛擬仿真平臺在實踐教學中的應用繼續開展教學優化設計，同時還需結合線下實體實踐為一體的混合式教學，充分發揮其在大數據背景下的實踐教學效果。

參考文獻

[1]楊強，劉軍，魏生斌，等.核輻射與安全虛擬仿真實驗教學建設[J].實驗技術與管理，2018，35（2）：117-120，151.

[2]楊智慧，劉海林，王曉峰，等.康普頓散射虛擬仿真實驗設計及教學實踐[J].實驗室研究與探索，2021，40（3）：102-106，128.