钱立冰，王晓彧，陈志远，熊厚华

(湖北科技学院 核技术与化学生物学院，湖北 咸宁 437100)

虚拟仿真实验是学科专业与信息技术深度融合的产物，是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，更是实验教学的发展方向[1]。依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，学生在虚拟环境中开展实验，能达到所要求的认知与实践教学效果。尤其，在一些训练成本高、消耗大、不可逆、存在安全隐患如高危或极端的环境、不可及的操作等情况时，能提供绿色、可靠、安全和经济的实验项目[2]。而且，虚拟仿真实验室还具有成本低、效率高、可扩展性强、操作安全、高度开放和资源共享等特点，不仅可实现实验教学的虚实互补，也有利于培养学生自我训练及创新意识，因而它已经成为当前高校实验室建设的一个重要发展方向。湖北科技学院是一所省属地方本科院校，2009年开办了核工程与核技术专业，主要培养核电工程方向应用型人才，但目前学校涉核实验平台不完善，无法完整地开展核工程与核技术专业的实践教学。然而，核工程类专业是一个实践性和工程性非常强的工科专业，并且还具有特殊性，一方面是核专业的实践教学涉及到大型核设施设备，成本高；另一方面是涉核实验中多数为不可及﹑不可逆实验，有些还具有放射性，无法开展现场实验[3]。因此，对有辐射、高温高压、高成本、不可及的涉核专业实验项目应用虚拟仿真实验进行教学和实训是相当好的选择。但是，实施虚拟仿真实验教学最大的难度就在于平台的搭建，因此，伴随国家级虚拟仿真实验教学中心的持续建设，虚拟仿真实验室及平台建设也逐渐成为目前的研究热点[4]。于是，2015年我校实施校企合作积极申报并获批了湖北省核电工程与核技术虚拟仿真实验教学中心的建设，其中重点是要创建核电虚拟仿真实验室，从而更好地满足学生创新精神和实践能力的培养。

当前，主要有两种方式建设虚拟仿真实验室：自主研发和校企合作开发。其中，自主研发不仅需要具有相应的技术、设备等，而且建设成本高、开发时间长[5]。但是，校企合作开发能避免这些不足，因为企业具有技术、设备和资金的优势，而且相比自主研发，校企合作开发的成本低、时间短。因此，我校需积极利用企业的优势，实施校企合作开发共建核电虚拟仿真实验室，同时坚持“能实不虚”的原则，真正做到突破真实实验局限、弥补理论教学不足、提高实验教学水平、降低实验风险和成本[6]。

一、核电虚拟仿真实验室建设的必要性

美国弗吉尼亚大学的 William Wulf 教授首次提出虚拟实验室(virtual laboratory，VL)的概念，主要是致力于创建和模拟进行实验的交互式环境。发展至今，其关注点也从实验室环境及设备仿真日渐聚焦于平台与实验内容建设，即虚拟实验开发。针对目前我校涉核实验平台不完善，无法完整地开展实践教学，导致学生对所学核电设备和系统缺少感性认识、动手实践能力与创新能力普遍较差、理论与实践不能很好相结合。因此，建设核电虚拟仿真实验室显得十分必要。但是，由于我校办学资源的有限性以及核工程与核技术专业的特殊性，实施校企合作共建核电虚拟仿真实验室是必然选择。

1.有效促进实验教学改革与创新

建设核电虚拟仿真实验室，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，解决了实体难以接触、实验难于实现、成本过高、危险性大等问题，实现核专业传统真实实验不具备或难以完成的教学内容，从而提高教学能力、拓展实践领域、丰富教学内容、降低成本和风险、开展绿色实验教学[7]；同时，还能解决实验室建设过程中周期长、投入大、后期实验仪器性能老化、设备维护更新不到位等问题，既节约了财力、物力和时间，又使得实验教学能正常开展，还可以保证不断更新实验教学内容、优化实验方案。

2.有效提高实验教学效果

首先，核电虚拟仿真实验室不仅可以创设更加丰富的虚拟实验环境，还能打破时间和空间的限制，显著增强实验教学开展的灵活性和互动性，有效提高了实验效率和教学效果。其次，核电虚拟仿真实验室不仅摆脱了以教师为中心的局限，而且突出了学生的主体地位，学生在其中可以进行预习、复习等，有利于提高学生的学习效果[7]。再次，核电虚拟实验室非常方便学生自由大胆尝试各种综合性、设计性、研究性实验，不仅能拓展想象力和创新能力，还能提高兴趣、开拓视野[7]。而且，不用再担心实验的危险性或因操作失误而造成实验事故等，比如学生不仅能在虚拟实验室平台上做有关核反应堆的危险实验，还可以在失败的实验中汲取经验而不会造成任何实际伤害，既能满足学生对现实实验中危险操作的好奇，也可以反向地培养学生的安全意识。

3.有效促进教学资源开放共享

在“互联网+”大数据时代下，虚拟仿真实验室能够实现实验“时间、空间、内容”的开放共享状态，给学生提供较为自由宽松的学习条件，发挥出有限资源的最大效益。虚拟仿真实验室的开放共享，包括校内共享和校外共享。校内共享是指利用信息化管理手段实施全天候开放课内实验和预约实验；或通过共享平台，实施校园网内在线实验或授权下载实验，还可以按照实验指导书自行设计实验。校外共享是通过中国大学MOOC(慕课)平台如学堂在线、好大学在线等向其他高校学生开放与共享本校实验教学资源。因此，依托互联网技术的应用，通过核电虚拟仿真实验室建设，能促进学校内部、校校之间的资源充分使用，成果共享，拓展教学受益面[7]。

4.有效促进校企教育资源融合

虚拟仿真实验是学科专业与信息技术深度融合的产物。如果完全依靠高校自身的研发或外部企业的开发，很难得到积极有效的发展[7]。首先，高校实验室建设预算有限，不仅要购买仪器设备，还要购买实验耗材，剩余资金难以有效研发虚拟仿真实验项目；其次，企业虽然在技术、设备、资金等方面具有优势，但对高校学科、专业的了解不够透彻，导致开发的虚拟仿真产品与高校教学脱节，很难达到教学大纲所要求的教学效果[7]。因此，有必要加强与核电企业和虚拟技术开发公司的合作，确保核电虚拟仿真实验室的建设与实际生产和技术更新相一致。比如，校企共同开发实用性较强的应用软件、共建虚拟实验课程、以市场化方式运行和管理实验课程资源，这样才能培养出符合企业需求的应用型人才[7]。因此，校企合作共建核电虚拟仿真实验室，企业和学校教育资源的融合真正能够使得教学资源优化、实践教学强化、协同育人机制完善，不断提高核工程与核技术专业的人才培养能力。

二、核电虚拟仿真实验室建设模式

由于我校开办核专业的教学资源和支持条件相对有限，核电虚拟仿真实验室建设基础设施薄弱，比如核电虚拟仿真教学资源相对匮乏、硬件建设相对迟缓、师资队伍建设也相对滞后、对接行业的技术和实践内容持续更新不及时、教学管理体系不完善、教学资源整合与开放共享程度较低等，严重影响了核电工程应用型人才培养质量。因此，在新工科建设背景下，针对我校的上述不足，校企合作共建共管核电虚拟仿真实验室是最佳选择。因为校企共建的方式不仅有利于企业为专业建设、实践能力培养、技术更新、师资实践能力提升提供支持，还有利于企业根据生产格局合理布置实验室设备和推广应用新技术产品，而且有利于学校合理使用校企共同资源，更有利于核电产业人才培养、服务企业行业经济发展[8]。据此，我校核电虚拟仿真实验室建设采取如图1所示的模式，即校企合作开发仿真平台、设计实验项目、组建教学与管理队伍、制订教学及管理体系，并实施过程考核与效果评价，不断完善和持续改进实验室建设。

图1 核电虚拟仿真实验室建设模式

1.校企共建共管先进的仿真平台

构建仿真平台是建设虚拟仿真实验室的基础，我校依托核科学与技术湖北省重点(特色)学科、核技术与应用湖北省楚天学者设岗学科的优势与特色，按照互惠互利的方式，与中核武汉核电运行技术有限公司等企业合作创建先进的核电虚拟仿真实验平台。这里，平台实际上是指以虚拟仿真技术为载体，以软件环境为主，用于核专业实验教学的一系列软硬件的总称，是优化配置教学资源的实现路径[9]。在硬件设备配置方面，主要依靠学校学科建设、企业参与规划等方式添置虚拟仿真实验教学硬件设施，如高端的PC计算机或图形工作站、各类服务器、存储设备、视屏音响设备、网络设备及其他配件等。在软件方面，主要是依托合作企业的开发实力和支持服务能力，实施校企联合研发，已具备核电站虚拟漫游系统软件、虚拟反应堆组件软件、虚拟反应堆冷却剂泵软件、虚拟蒸汽发生器软件、虚拟换料仿真系统、虚拟AP1000非能动安全系统、核电模拟机仿真软件以及适用于电力系统虚拟仿真的变电站自动化实验台监控(THESBD -1F型) 软件；同时还拥有MCNP5、CFD、Simulink、PCTranAP1000等通用的核反应堆物理/热工设计软件。我们实施校企共建共管平台,并保障平台可持续发展，使之具有扩展性、兼容性、前瞻性，能更好地实现软件共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等。

2.校企协同设计优质的实验项目

优质的实验项目及资源是实验室建设的重点，我们遵循“校企合作，以校为主”的原则，与中核武汉核电运行技术有限公司等企业联合开发核电虚拟仿真实验项目，并按照学生的认知规律，将虚拟仿真实验分为“基础性、综合性和创新性”三个层次。首先，积极利用企业的人才、技术、设备等的优势，将当前行业发展的最新技术和产品，校企协同进行量身定制开发核电虚拟仿真实验项目，如《核电厂系统及设备虚拟仿真实验》《核电厂运行仿真实验》《电力系统虚拟仿真实验》等3门虚拟仿真实验课程，共计18个基础性实验项目[9]，保证了实验教学内容的更新与发展。其次，充分发挥我校核科学与技术学科专业的优势和特色，实施科教融合，采取“激励+引导”方式促进先进科研成果转化为虚拟仿真实验项目。教师在开展科研工作的同时，利用MCNP、CFD、Simulink等软件开发与自己科研相关的实验项目，如设计了《反应堆物理虚拟仿真实验》《反应堆热工水力虚拟仿真实验》《反应堆安全与控制虚拟仿真实验》等3门虚拟仿真实验课程的7个综合性、创新性实验项目[9]。这不仅丰富实验教学内容、扩大实验教学的深度、增强综合设计和创新能力，而且拓宽知识结构、开阔学生的视野、提升实验教学内容的水平。

3.校企合作组建高素质的实验教学与管理队伍

高素质的实验教学与管理队伍是实验室建设和发展的关键。首先，通过学校教师与行业人才双向交流组建专业知识扎实、虚拟仿真实验开发和实践教学能力强、专兼结合的“双师型”教学团队。我们实施“双百工程”，选派青年教师进入合作企业接受技能培训，并要求通过技能考核后担任兼职工程师，提高专业教师实践能力；同时通过筛选聘请合作企业高级技术专家担任学校“产业教授”，提高企业专家教学与科研能力。其次，通过校企合作人员培训，建成一支管理理念先进、专业技术较好、工程经验丰富、综合素质较高、人员相对稳定、业务能力过硬的实验室管理队伍。从而保证核电虚拟仿真实验室的正常运行。

4.校企协作制订完善的实验教学与管理体系

科学合理的管理体系是促进虚拟仿真实验室建设和发展的重要保障。首先，我们采取虚拟仿真实验教学软件开发及人员培训等合作项目由学校与合作企业共同建设和管理，日常的教学运行、管理、维护由学校负责。其次，我们建立跟踪反馈机制，当教师或学生、企业技术人员使用虚拟仿真实验室后，要求他们全面反馈使用情况和真实体验，让管理人员积极跟踪不足地方，并及时修正、改进和完善实验室建设，也为高质量教学资源的开发提供必要依据[7]。再次，为了保障能充分使用和开放共享核电虚拟仿真实验平台与资源，校企协同制订了实验室开放、资源共享、实验室维护与可持续发展等效果评价体系，并建立教学工作绩效考核、评价和反馈机制，激励教师教学积极性、激发学生学习兴趣和提高学生创新能力，同时效果评价结果作为持续改进的重要依据。

三、核电虚拟仿真实验室建设与运行成效

1.实验室建设效果

我们实施校企合作方式共建了如图2所示核电虚拟仿真实验室。该实验室具有先进的核电仿真平台，拥有了高端的PC计算机或图形工作站、各类服务器等硬件条件，具有可开展和运行核电虚拟仿真实验的各种软件。通过平台能自由搭建和开展《核电厂系统及设备虚拟仿真实验》《核电厂运行虚拟仿真实验》《反应堆物理虚拟仿真实验》《反应堆热工水力虚拟仿真实验》《反应堆安全与控制虚拟仿真实验》《电力系统虚拟仿真实验》共6门课程的25个不同层次的实验项目，并可以不断更新教学内容、持续提高教学水平和质量。实验室现有校内教学与管理人员12人，其中教授2人、副教授4人、高级工程师2人，具有博士学位的9人。从企业调入1名青年技术骨干作为专业教师，有双百工程3人，获注册核安全工程师2人，外聘企业产业教授10名，“双师型”教师达50%。我们还建成了核电工程与核技术虚拟仿真实验教学中心门户网站，为资源开放与共享提供了窗口；制订了科学合理的实验室教学与管理体系，不断优化实验教学质量管理和实验室绩效考核，为培养学生的实践操作能力和创新能力提供良好的保障。

图2 核电虚拟仿真实验室

2.实验室运行效果

我校核电虚拟仿真实验室自建成与开放以来，得到校内外师生的充分肯定和积极参与使用，至今已为我校十一届核专业学生开展了实验教学，并给学生提供了良好的线上线下实践训练和自主学习平台。同时，本实验室已成为学生见习、实习实训、岗前培训的第二课堂。通过虚拟仿真实验教学，不仅培养了学生的实验操作技能，还巩固了专业理论知识，激发了学习兴趣和提高了学习效果。粗略估计，在校核专业学生中每年大约有三分之一的学生能利用核电仿真平台自主开展相关课程设计、实施课外创新活动、完成毕业论文等，截至2022年已获得湖北省优秀学士学位论文8篇、国家级大学生创新创业训练项目2项、省级大学生创新创业训练项目4项，获湖北省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛二等奖3项、三等奖1项，获全国高校学生课外“核+X”创意大赛三等奖1项、优胜奖4项，获湖北省高校学生课外“核+X”创意大赛一等奖2项、三等奖3项；通过本平台培训后，毕业生可以直接到大亚湾核电站、昌江核电站、中船重工第七一九所等大中型企业和研究所就业，而且对学生评价良好；还向哈尔滨工程大学、华北电力大学、成都理工大学、南华大学等高校输送了大批优秀毕业生攻读硕士，平均考研录取率25.4%；同时，教师也依托核电虚拟仿真实验室承担教学改革项目16项，完成科研项目10余项，发表教学和科研论文30余篇，获省级教学成果二等奖、校级教学成果一等奖和三等奖各1项。我校核电虚拟仿真实验建设模式及运行效果得到武汉大学、华中科技大学、东华理工大学、三峡大学等高校同行专家的一致肯定；另外，每年还接待专家、领导以及核电科普爱好者来实验室参观与交流。但是，我校核电虚拟仿真实验室在资源的对外开放与共享方面还存在技术障碍等问题[9]，仍需我们持续不断的建设和完善。

四、结语

由于我校办学资源的有限性以及核工程与核技术专业的特殊性，我们实施校企合作的模式建成了核电虚拟仿真实验室，具有先进的仿真平台、优质的实验项目、高素质的实验教学与管理队伍、完善的实验室教学与管理体系，从而更好满足了学生实践创新能力培养的需要。实验室建成后，能开展6门实验课程、25个不同层次的实验项目；实验室在教学运行中增强了学生自主学习的积极性，提升了学生专业学习兴趣和实验效果，提高了学生的实践动手能力和创新能力，但也面临着资源的对外开放与共享问题和困难。我们清醒的认识到，核电虚拟仿真实验室建设是一个持续建设与不断完善的过程。