多學科視角下核電站結構健康監測人才培養

賀敏 袁澤同 田婧 張銘中 侯潤琨 侯鋼領

摘? 要：通過介紹學科融合的教育策略，討論在核電站結構健康監測教育中引入多學科視角的重要性。通過學科融合，學生可以全面理解和解決核電站結構健康監測領域的復雜挑戰。在核電站結構健康監測中，學科融合涵蓋土木工程、核工程、計算機科學和數據科學等多個領域。通過學科融合的教育策略，學生不僅了解各學科的基礎理論，還能夠在實際項目中應用這些知識，培養跨學科思維和解決問題的能力。這種教育策略有助于為未來的工作和研究培養具備復合型能力的工程專業人才。

關鍵詞：核電站；結構健康監測；人才培養；多學科；學科融合

中圖分類號：C961? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0167-04

Abstract： By introducing an educational strategy of disciplinary integration， this paper discusses the significance of incorporating a multidisciplinary perspective into the education of structural health monitoring in nuclear power plants. Through disciplinary integration， students can gain a comprehensive understanding of and address the complex challenges in the field of structural health monitoring for nuclear power plants. Disciplinary integration in the structural health monitoring of nuclear power plant encompasses various fields such as civil engineering， nuclear engineering， computer science， and data science. Through the educational strategy of disciplinary integration， students not only acquire foundational theories from each discipline but also apply this knowledge in real-world projects， fostering interdisciplinary thinking and problem-solving skills. This educational approach contributes to the cultivation of engineering professionals with versatile capabilities for future work and research.

Keywords： nuclear power plant; structural health monitoring; talent development; multidisciplinary; disciplinary integration

核電站作為一項重要的能源設施，在現代社會的能源供應中扮演著至關重要的角色[1-2]。然而，隨著核電站的不斷運行和環境變化的影響，其結構健康監測變得尤為重要[3]。結構健康監測旨在實時評估結構的狀態，以確保設施的安全性、可靠性和持續運行[4]。在過去的幾十年里，結構健康監測領域已經有了顯著進步[5-6]，從傳統的定期檢查發展到利用先進的傳感技術、數據科學和計算機模擬等方法進行實時監測。然而，核電站結構健康監測領域依然面臨一系列挑戰，包括復雜的結構特征、多變的工作環境、長期運行引起的結構疲勞等問題[7]。這些挑戰要求不僅要持續改進監測技術本身，還需要培養能夠全面理解和解決這些問題的工程專業人才。傳統的工程教育模式可能無法滿足這一需求，因此，需要尋求新的教育策略，使學生能夠在跨學科的背景下培養全面的技能，以更好地應對結構健康監測領域的復雜挑戰。

在這一背景下，本論文的焦點是探討在核電站結構健康監測教育中引入多學科視角的教育策略。本文將這種策略稱之為“學科融合”，旨在將土木工程、核工程、計算機科學和數據科學等多個學科的知識和方法整合在一起，為學生提供更全面、綜合的學習體驗[8-9]。通過這種跨學科的教學模式，希望培養出能夠在實際工作中跨足多個領域、協作解決問題的工程師。學科融合并不僅僅是簡單地將不同學科的課程堆疊在一起，而是通過深度融合，使學生能夠理解不同學科之間的聯系，形成全面的思維方式。在核電站結構健康監測中，學科融合可以涵蓋土木工程、核工程、計算機科學和數據科學等多個領域。土木工程提供了結構分析和設計的基礎，核工程提供了對核電站運行環境的深刻理解，而計算機科學和數據科學則為實時監測和大數據分析提供了強大的工具。

通過學科融合的教育策略，學生將不僅僅能夠了解各個學科的基礎理論，還能夠在實際項目中應用這些知識。例如，學生可以參與模擬核電站結構在不同工況下的響應，使用計算機科學和數據科學的技術分析大量的監測數據，并通過核工程的知識評估結構的安全性。這樣的綜合性學習經歷將使學生更好地理解復雜問題，培養跨學科解決問題的能力。

本論文將通過對學科融合教育策略在核電站結構健康監測領域的應用進行深入研究，期望通過這一研究，能夠為核電站結構健康監測領域的教育提供有力支持，通過促進不同學科的交叉融合，培養具備全面能力的專業人才，并為工程專業學生提供更為有效的跨學科培訓模式。

一? 核電站結構健康監測的重要性

核電站結構健康監測的重要性在于確保核電站的結構安全、可靠、持續運行，并提供實時的結構健康狀態信息。表1是關于核電站結構健康監測重要性的一些內容。

綜合來看，核電站結構健康監測的重要性體現在提高安全性、延長壽命周期、降低成本、提高效率和應對緊急情況等多個方面。這一系統性的監測方法不僅對核電站自身的可持續運行至關重要，也是保障公共安全和環境保護的必要手段。

二? 多學科視角下的核電站結構健康監測

多學科視角下的核電站結構健康監測強調通過整合不同學科的知識、技術和方法，全面理解和評估核電站結構的健康狀況。這種方法超越了傳統的單一學科視角，涉及土木工程、核工程、計算機科學和數據科學等多個領域，為解決核電站結構監測中的復雜問題提供了更全面的解決方案。基于此，本文提出了多學科視角下核電站結構健康監測的一些重要方面。

結構分析與設計。土木工程師在核電站結構健康監測中負責對建筑和結構的靜力學和動力學進行分析。他們關注結構的穩定性、荷載分布、地震響應等，確保結構能夠承受各種外部力的作用。

輻射環境與核安全。核工程師關注核電站的輻射環境和核安全性。他們需要確保結構健康監測系統對輻射環境的適應性，以及在發生核事故時能夠提供關鍵的結構健康信息，保障核電站的核安全。

傳感器網絡與數據采集。計算機科學家負責設計和維護結構健康監測系統中的傳感器網絡。他們利用物聯網技術收集大量實時數據，確保監測系統對結構的覆蓋面廣、采集的數據準確可靠。

大數據分析與預測模型。數據科學家利用大數據分析技術處理傳感器生成海量數據。他們構建預測模型，通過數據挖掘和機器學習算法對結構健康未來趨勢進行預測，有助于實現預測性維護。

傳感器和儀器設備。電氣工程師設計、部署和維護核電站結構健康監測系統中的傳感器和儀器設備。他們確保這些設備的準確性和可靠性，以便實時監測結構的各個方面。

虛擬現實與增強現實。利用虛擬現實和增強現實技術，可以為工程師提供仿真環境，進行結構健康監測方面的培訓和模擬。這有助于提高工程師的實踐經驗，應對各種情況。

實時數據傳輸。通信工程師負責建立高效的數據傳輸通道，確保傳感器生成的數據能夠實時傳送到監測中心。這對于及時發現結構問題和采取應對措施至關重要。

環境監測與適應性。環境工程師關注核電站周圍環境的變化對結構健康的影響。他們確保監測系統具有適應性，能夠在各種環境條件下正常運行。

通過多學科視角，不同專業領域的專家能夠共同協作，解決核電站結構健康監測中的復雜問題。這種整合性的方法有助于提高監測系統的效能，降低風險，保障核電站的可持續運行和公共安全。

三? 學科融合的教育策略

學科融合的教育策略在當今的教育環境中越來越受到重視。這種策略強調的是將不同學科的知識和方法進行有機整合，打破傳統學科之間的壁壘，幫助學生建立起跨學科的思維模式，培養他們全面、深入地理解和解決問題的能力。特別是在核電站結構健康監測這一領域，學科融合的教育策略顯得尤為重要。核電站是一個高度復雜且精密的系統，其結構健康監測不僅涉及到土木工程的知識，還需要核工程、計算機科學、數據科學等多個學科的深入理解。因此，在教學中，不能只局限于某一學科的視角，而是需要從多個角度、多個層面來審視和理解這個問題。土木工程學科關注的是核電站結構的強度、穩定性和耐久性；核工程學科則關注的是核反應堆的安全性和能效；計算機科學和數據科學則提供了對大量監測數據進行高效處理和分析的方法。這四個學科在核電站結構健康監測中相互交織，互為補充。因此，在教育實踐中，我們需要采用學科融合的策略，引導學生從多個角度去理解和分析核電站結構健康監測的問題，培養他們跨學科的思維方式和解決實際問題的能力。這不僅可以提高他們的學習效果，更可以為他們未來的職業生涯打下堅實的基礎。以下是對學科融合教育策略的詳細展開。

綜合性課程設計：制定一系列綜合性的課程，將土木工程、核工程、計算機科學和數據科學等相關學科內容有機地結合起來。這些課程應覆蓋核電站結構的理論基礎、監測技術、數據分析方法等方面，使學生在學習過程中能夠全面理解和應用多學科知識。

跨學科項目實踐：設計跨學科的項目，要求學生組成團隊，每個團隊成員代表不同的學科背景。項目可以模擬真實的核電站結構健康監測場景，要求學生運用各自專業知識，共同解決實際問題。這樣的實踐項目有助于培養學生團隊協作和解決復雜問題的能力。

跨學科導師團隊：組建由不同學科領域的教師組成的導師團隊。這樣的團隊可以為學生提供更廣泛的學科指導，確保學生在不同學科領域都能得到專業的培養。導師團隊的跨學科性質也有助于更好地整合不同學科的教學資源。

虛擬實驗室和仿真技術：利用虛擬實驗室和仿真技術模擬核電站結構健康監測的實際情況。通過這些虛擬環境，學生可以在不受限制的條件下進行實驗和模擬，更好地理解多學科知識如何協同工作。

交叉學科研究中心：建立交叉學科研究中心，集結來自不同學科領域的研究人員和學生。這個研究中心可以成為學科融合的創新和實踐平臺，促進不同領域之間的學術交流和合作。

行業合作與實習機會：與核電站運營公司和相關行業建立合作關系，提供學生實習機會。這樣的實習經歷能夠讓學生親身感受多學科知識在實際工作中的應用，促使他們更好地理解學科之間的相互關系。

跨學科研討會和講座：組織跨學科研討會和講座，邀請不同領域的專家分享他們的經驗和見解。這有助于學生更深入地了解不同學科的前沿動態，拓展他們的學科視野。

評估與反饋機制：設計全面的評估機制，包括考試、項目評估、團隊評估等多個方面。通過及時的反饋，學生可以了解自己在不同學科領域的學習情況，從而更好地調整學習策略，提高綜合素質。

通過學科融合的教育策略，學生將能夠得到全面發展，不僅在自己專業領域深耕，還能夠理解和應用其他學科的知識，為將來解決跨學科問題做好準備。這樣的教育模式有助于培養具備復合型能力，能夠在復雜多變的工作環境中勝任各類任務的工程師。

四? 實例分析

哈爾濱工程大學煙臺研究院致力于培養具備跨學科能力的專業人才，特此組建了核電站結構健康監測的學科融合團隊。為了使學生能夠全面掌握并應用不同學科的知識，團隊開設了結構健康監測相關課程。課程的核心內容是讓學生整合土木工程、核工程、計算機科學和數據科學等多個學科的知識，設計和實施核電站結構健康監測系統的設計與研發。這樣的綜合性項目不僅有助于學生對各個學科的理論知識有更深入的理解，同時也能提升他們在實際操作中的技能。通過這樣的教學模式，學生不僅能夠掌握單一學科的專業知識，更能培養跨學科的思維方式和實踐能力。這種能力在未來的工作和研究中都是不可或缺的，也將為學生未來的發展奠定堅實的基礎。其主要通過以下步驟實施。

課程建設：團隊教師設計了一門名為土木結構健康監測與工程實踐的課程，由土木工程、核工程、計算機科學和數據科學的教師以及企業專家聯合教授。課程包括理論知識講解、實驗室實踐和綜合項目。

學科團隊組建：學生在課程開始時被分成小組，每個小組由來自不同學科領域的學生組成。例如，一個小組可能包括土木工程專業的學生、核工程專業的學生、計算機科學專業的學生和數據科學專業的學生。

虛擬實驗室實踐：依托校企聯合實驗室——智慧城市與重大工程基礎設施智能監測聯合實驗室，學生在虛擬實驗室中進行結構監測系統的設計和仿真實驗。通過這個環境，他們能夠模擬核電站結構在不同條件下的響應，優化傳感器網絡布局，學習數據采集和分析技術。

項目任務分配：每個小組的項目任務涉及到不同學科的內容。土木工程專業的學生負責結構分析和設計，核工程專業的學生負責核安全性和輻射環境的考慮，計算機科學和數據科學專業的學生則負責傳感器網絡和大數據分析。

導師團隊輔導：項目中設有一個由導師組成的團隊，這個導師團隊涵蓋了各個學科領域。導師們為學生提供專業的指導，確保項目能夠在各個學科領域得到充分考慮。

實地考察與實踐：學生團隊進行實地考察，實際了解核電站結構和運行環境。他們與當地核電站的工程師進行交流，獲取實際工程經驗，并將這些經驗融入到他們的項目設計中。

成果展示與評估：項目的最終成果由每個小組在期末展示中呈現。學生需要解釋他們的設計理念、展示虛擬實驗室實踐的結果，并討論他們在各自學科領域的貢獻。評估標準綜合考慮了學生對各學科知識的理解和團隊協作能力。

通過這個學科融合項目，學生不僅深入了解了核電站結構健康監測的全貌，而且培養了跨學科思維和綜合解決問題的能力。他們通過實際項目實踐，獲得了更深層次的專業知識，同時也在團隊協作、溝通和領導力方面取得了顯著進展。這樣的實踐經驗使他們更好地為未來的工作和研究做好準備，成為具備跨學科能力的工程專業人才。

五? 結論與展望

學科融合的教育策略在核電站結構健康監測領域取得了顯著成果。通過綜合性課程設計、跨學科項目實踐、虛擬實驗室實踐和導師團隊輔導等手段，學生在土木工程、核建設、計算機科學和數據科學等多個學科領域中得到了全面的培養。跨學科合作和項目實踐使學生能夠更好地理解和應用各學科的知識，培養了他們解決復雜問題的能力。未來可以進一步深化跨學科合作，引入更多新興學科，如人工智能、機器學習等，以應對不斷發展的監測技術和方法。提供更多實地考察、實踐和實習機會，讓學生更直接地接觸核電站結構健康監測的實際問題，提高實際應用能力。通過不斷優化和完善學科融合的教育策略，將為培養更具綜合素質的核電站結構健康監測專業人才打下更加堅實的基礎，促進相關領域的可持續發展。

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基金項目：教育部產學合作協同育人項目“基于Simdroid提高核電站結構力學安全性能的創新型教學研究與實踐”（220806517284114）；黑龍江省重點研發計劃項目“數字化核能供熱堆三維隔震減震技術研究”（2022ZX01A14）；煙臺市校地融合發展項目“核科學與土木水利交叉學科——核電站建設與安全類建設”（22MZ03CD012）；哈軍工精神研究項目“哈軍工精神引領的土木水利專碩產教融合培養模式變革：理論構建、創新路徑與實證研究”（01762002051240）

第一作者簡介：賀敏（1989-），男，漢族，山東濟寧人，博士，準聘副教授，碩士研究生導師。研究方向為結構健康監測。

*通信作者：侯鋼領（1973-），男，漢族，陜西渭南人，博士，教授，博士研究生導師，院長助理。研究方向為重大結構與核設施地震安全、結構優化。