謝金森 湯凌志 曾文杰

摘要：虛擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。本文結(jié)合核工程與核技術(shù)的專業(yè)特點(diǎn)，探討虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)對核工程與核技術(shù)專業(yè)在學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)、學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)、節(jié)約教學(xué)資源以及就業(yè)等方面的促進(jìn)作用。實(shí)踐表明建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)機(jī)制不僅可以有效提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，更能全面促進(jìn)學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)識，提高教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生就業(yè)。

Abstract： Virtual simulation technology has been widely used in various industries. This paper combines the characteristics of nuclear engineering and nuclear technology major， and discusses the promotion role of virtual simulation laboratory construction for nuclear engineering and nuclear technology major in the cultivation of students' practical ability and innovative ability， saving teaching resources and employment. Practice shows that establishing a virtual simulation experimental teaching mechanism can not only effectively improve the students' practical innovation ability， but also can fully promote students' understanding of the major， improve teaching efficiency and promote student employment.

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室；核工程與核技術(shù)；優(yōu)勢

Key words： virtual simulation laboratory； nuclear engineering and nuclear technology； advantages

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）19-0251-02

0 引言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的重要載體。隨著虛擬仿真技術(shù)的成熟，人們漸步認(rèn)識到虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室不僅可以輔助科研工作，在實(shí)踐教學(xué)方面也具有高效率﹑易于維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來，我國已有許多高校根據(jù)自身科研和教學(xué)的需要，建成了一批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。隨著國家核工業(yè)的不斷發(fā)展，國家對核工程與核技術(shù)專業(yè)人才的需求愈發(fā)凸顯，對人才實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)也提出了更高的要求。然而，核工程與核技術(shù)專業(yè)是一門技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備繁多且以工程實(shí)踐為基礎(chǔ)的專業(yè)。絕大多數(shù)高校無法完整地開展核工程與核技術(shù)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)。一方面，核工程與核技術(shù)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)涉及到大型核設(shè)施設(shè)備，設(shè)備成本高；另一方面，涉核實(shí)驗(yàn)中多數(shù)為不可及﹑不可逆實(shí)驗(yàn)，無法在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)。因此，通過建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)需要，從而實(shí)現(xiàn)對學(xué)生貫通式的培養(yǎng)，以適應(yīng)大眾化教育背景下學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的需要。

1 核工程與核技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)

我國核工程與核技術(shù)專業(yè)人才教育開始于20世紀(jì)50年代，一批重點(diǎn)院校相繼建立了與核工程與核技術(shù)相關(guān)的系所，當(dāng)時(shí)的主要目的是為了適應(yīng)我國核武器事業(yè)和核科技工業(yè)的發(fā)展。核工程與核技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)注重實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。早期我國的核工程與核技術(shù)專業(yè)教學(xué)缺乏教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)施，高校也沒有足夠的能力建立完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，導(dǎo)致對學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)相對薄弱，無法滿足社會需求。因此，加強(qiáng)和完善核工程與核技術(shù)專業(yè)的設(shè)施建設(shè)是非常關(guān)鍵的。

隨著核能與核技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，涉核企業(yè)對核類人才的能力要求也越來越高，不僅要求培養(yǎng)的人才具有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)、較強(qiáng)的獲取知識、更新知識的能力，還要能夠分析歸納、綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識，分析解決實(shí)際問題。而這些，僅僅著眼于課堂和課本是不夠的。虛擬仿真技術(shù)提供計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的交互功能和虛擬軟件友好的人機(jī)界面，結(jié)合了視聽功能、形象直觀，采用虛擬仿真技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能有效激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的興趣，充分調(diào)動學(xué)生參與的積極性，有助于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制儀器、收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、駕馭大批數(shù)據(jù)和制作實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力，全面提高學(xué)生綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)的能力，增強(qiáng)學(xué)生步入社會的適應(yīng)能力，切實(shí)提高學(xué)生多方面的能力。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在核工程與核技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)中的優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識別、智能技術(shù)、傳感技術(shù)、語言處理與音響技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門科學(xué)，融入了大量的圖片、動畫、語音等多媒體元素，有助于引導(dǎo)和幫助學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化的學(xué)習(xí)。相對于傳統(tǒng)的課堂加實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑每萍嫉倪M(jìn)步，在學(xué)生實(shí)踐教學(xué)方面產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍，網(wǎng)絡(luò)版的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更配有實(shí)時(shí)的信息交流平臺，教師還可以借此與學(xué)生進(jìn)行課后的交流和討論，增強(qiáng)了師生間的互動，提高了指導(dǎo)的效果，激勵學(xué)習(xí)者探索性思維。

2.1 實(shí)踐能力培養(yǎng)方面

解決招生規(guī)模擴(kuò)大后的學(xué)生現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)習(xí)、實(shí)踐難的問題。南華大學(xué)核類專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)地點(diǎn)主要有中國原子能科學(xué)研究院、中國核動力研究設(shè)計(jì)院、中核（北京）核儀器廠、中國輻射防護(hù)研究院、中核（西安）核儀器廠、中科院上海應(yīng)用物理研究所等單位。擴(kuò)招之前實(shí)習(xí)學(xué)生人數(shù)是30-40人/年，實(shí)踐教學(xué)資源非常豐富；擴(kuò)招之后，現(xiàn)在實(shí)習(xí)學(xué)生人數(shù)是500-600人/年，需要分批進(jìn)行，每批實(shí)習(xí)的人數(shù)都非常多，實(shí)習(xí)時(shí)間和實(shí)習(xí)效果都顯著下降，同時(shí)也給實(shí)習(xí)接待單位的正?？蒲猩a(chǎn)活動造成影響。雖然虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能完全替代實(shí)踐教學(xué)，但是在一定程度上可以緩解實(shí)踐教學(xué)的資源不足問題。

特別是在學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)過程中，往往有一些實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)是在真實(shí)環(huán)境下難以復(fù)現(xiàn)、觀察或者成本較高實(shí)施難度較大的為使學(xué)生對專業(yè)理論與知識有親身的體驗(yàn)和直觀感受，有必要借助虛擬仿真技術(shù)，利用數(shù)字化、多媒體、網(wǎng)絡(luò)化軟硬件技術(shù)，精確模擬真實(shí)物理環(huán)境和作業(yè)任務(wù)，讓學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺下，完成真實(shí)環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)的認(rèn)知和實(shí)踐過程，從而提高學(xué)生對知識的深入理解和綜合運(yùn)用程度。

2.2 創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面

中國高校的傳統(tǒng)教育一直著重于知識教育，對學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)度不強(qiáng)。據(jù)調(diào)查，在核電企業(yè)，一般畢業(yè)的本科學(xué)生都愿意接受分配的工作任務(wù)，但是卻沒有足夠的能力去承擔(dān)具有挑戰(zhàn)性的研究工作。其實(shí)不是這些學(xué)生沒有勇氣，而是高校在培養(yǎng)學(xué)生的時(shí)候忽視了能力教育、素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育。

虛擬仿真教學(xué)充分利用各類先進(jìn)的仿真技術(shù)，體現(xiàn)虛擬仿真的高精度、高效率的特點(diǎn)，在學(xué)生研究能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了良好平臺。實(shí)現(xiàn)綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新平臺方面，利用虛擬仿真平臺，將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化為解決科研和生產(chǎn)實(shí)際問題能力，開發(fā)工程實(shí)踐能力和研究創(chuàng)新能力。例如，專用軟件的開放與再開發(fā)提高碩士博士科研創(chuàng)新能力，同時(shí)形成反哺實(shí)驗(yàn)室的良性循環(huán)。

2.3 節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本

節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)，大幅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)的使用效率。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以部分彌補(bǔ)在開展學(xué)生現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)過程中普遍存在的學(xué)生人數(shù)偏多；實(shí)驗(yàn)的深度不夠、范圍狹窄等問題。核電實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用一般都過百萬，而許多高校本身沒有足夠的經(jīng)費(fèi)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)的儀器價(jià)格通常都很貴，且對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能要求較高，一旦出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)失誤，其損失和后果不堪設(shè)想。而仿真虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的出現(xiàn)有效解決了上述問題，不僅大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，還不受時(shí)間、物質(zhì)條件等其它客觀因素的限制，能為學(xué)生提供更多的體驗(yàn)和學(xué)習(xí)機(jī)會。另外，只需提高實(shí)驗(yàn)室開放程度，便可實(shí)現(xiàn)學(xué)生全天候開展實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對計(jì)算機(jī)和服務(wù)器資源要求較高，但對硬件設(shè)備的要求相對較低，如此不僅有利于提高實(shí)驗(yàn)室的開放程度，也便于開展全天候虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.4 關(guān)于就業(yè)

核工程與核技術(shù)專業(yè)相關(guān)的多數(shù)企業(yè)要求從業(yè)者具有高的實(shí)踐能力，例如基于核電站具有高度敏感性，一旦出現(xiàn)失誤便是災(zāi)害性的，比如日本福島核事故、蘇聯(lián)切爾諾貝利事故、美國三里島事故等，所以對相關(guān)人員的要求必須做到精準(zhǔn)無誤。然而，核電站是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，不僅內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，其環(huán)境還具有高輻射，導(dǎo)致操縱人員的的日常培訓(xùn)困難重重。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為核電站安全培訓(xùn)提供了新的方式，采取該技術(shù)即使在培訓(xùn)中出現(xiàn)紕漏，其損失也不會是致命的，大大降低了培訓(xùn)的環(huán)境和財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，基于此，國內(nèi)核電領(lǐng)域的很多標(biāo)桿企業(yè)均采用了該技術(shù)構(gòu)建核電站虛擬仿真系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在核電相關(guān)的多個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景，比如宣傳演示、安全培訓(xùn)及輔助設(shè)計(jì)等，為我國的核電長遠(yuǎn)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的積極影響。對于核專業(yè)以就業(yè)為方向的畢業(yè)生們，提前利用虛擬仿真技術(shù)模仿實(shí)際工作環(huán)節(jié)和真實(shí)情景建立起來的仿真場所，使學(xué)生在實(shí)習(xí)的過程中把專業(yè)課所學(xué)的基本技能知識得到鞏固和練習(xí)。在今后的工作中能更快地適應(yīng)和提高。

3 結(jié)束語

在各高校培養(yǎng)核工程與核技術(shù)專業(yè)人才時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的存在讓學(xué)生享受到了更好的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，有利于將理論和實(shí)踐教學(xué)體系相結(jié)合，讓學(xué)生走入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)會理論聯(lián)系實(shí)際，不僅有效地提高了學(xué)生的實(shí)踐能力、學(xué)習(xí)興趣，更能全面促進(jìn)學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)識，提高了教學(xué)效率。

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