摘要：介绍了虚拟仿真技术的定义、发展和现状，总结了虚拟仿真技术在教育和培训中的应用，通过分析虚拟仿真技术对核工程与核技术专业的促进作用，提出了核电仿真机教学法和多媒体虚拟操作教学法，探索出一条有特色、理论教学与实验教学、教学与科研相结合的专业教改道路，取得了明显的教学效果。
关键词：虚拟仿真技术；核工程与核技术；核电仿真机
作者简介：郭江华（1979-），男，湖北浠水人，武汉大学动力与机械学院，讲师；聂矗（1975-），男，辽宁沈阳人，武汉大学动力与机械学院，副教授。（湖北 武汉 430072）
中图分类号：G726 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）09-0037-02
虚拟技术是上世纪末才兴起的一门综合性信息技术，是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境——虚拟环境。用户投入这种环境中，就可与之交互作用、相互影响。系统仿真就是通过建立系统的模型（数学模型、物理模型或半实物模型等），并在模型上进行实验和研究一个存在的或设计中的系统。将虚拟技术与系统仿真结合起来，就构成了虚拟仿真技术。本文结合武汉大学核工程与核技术专业的建设，就虚拟仿真技术在该专业教学和培训中的应用进行了实践与研究。
虚拟仿真技术就是在三维可视化仿真系统的基础上，按照“人在回路中”的思想，提供听觉、触觉、嗅觉和味觉等逼真感受，建立人与系统的实时交互与控制，使操作者和管理决策者近似身临其境地观察和感受被仿真系统运行中的动态变化，并可随用户的意愿进入系统的特定地点，对系统进行控制和做出决策，且在仿真系统的支持下，实时地对人的行为和控制决策进行仿真和评估。
一、虚拟仿真技术在教育与培训领域的应用
虚拟仿真通过交互式环境、情景复现功能以及一对一的实践，实现了对抽象概念的具体化，提高了学生的学习兴趣，因此被广泛应用在教育教学中。例如，瑞典皇家理工学院的研究人员开发了共享的虚拟环境Cyber Math用于微分代数和微分几何学习；美国佛罗里达大学开发了一个虚拟的野外实验室，用于模拟由于时间、距离、经费、安全限制或者真实环境高度复杂性等原因而无法进行的野外考察和野外旅行课程，从而提高了学生的高层次认知技巧。
除了在教育教学领域的应用外，虚拟仿真技术在职业培训中获得了越来越广泛的应用。在电力系统培训中，通过虚拟仿真的方法研制了各种模拟机。特别是在核电站的教学培训中，从原理模拟机到全范围全工况模拟机的研制开发，为专业人才的培养发挥了重要的作用。在飞机维修培训中，Jeenal Vora等研制了用于飞机维修培训的虚拟仿真系统，通过模拟研究飞机维修中人的行为，提高了维修培训效果。
二、虚拟仿真技术对核工程与核技术专业教学改革的促进作用
由于专业的特殊性，核工程与核技术专业的教学和实习存在着大量的局限性。在虚拟环境中进行教学和实践具有很好的安全性和可重复操作性，因而利用虚拟仿真系统对从事辐射工作或其他高危险、高成本工作的人员进行教学和培训是非常好的选择。虚拟仿真系统可以有效降低操作人员的辐射剂量、节省经费，而且还可以通过生动逼真的视觉、听觉和触觉等感受使操作人员如同在真实的系统和环境中操作一样。此外，通过更深入的虚拟仿真，可以实现在操作人员发生错误操作时及时发出报警信息和操作建议的功能，甚至可以刻意模拟某些在现实中不大出现但是必须掌握的事故操作，加深培训人员对这类事故的认识，提高他们处理事故的能力。
通过虚拟仿真系统，可以使课堂教学不再局限于教室、实验室中，为学生提供了更广阔的教学场所和教学机会，从而加强了教师和学生的教学互动，还可以实现虚拟教学或远程教学。
1.变抽象为直观，有利于激发学生的学习兴趣，提高教学质量
作为一门技术复杂、设备众多的学科，核工程与核技术专业教学的一个重要要求就是直观、形象、生动，但在目前国内广大院校的实际教学中往往难以直接展示系统的结构、作用原理及工作流程等教学内容，这对学生更好地掌握专业知识极为不利。通过虚拟仿真方法建立的核电站系统与设备模型，可以使学生通过人机交互的方式对核电模型进行浏览，在模型内部自由“漫游”，使他们能非常直观地学习核电站系统与设备结构。这样不仅调动了学生的学习兴趣，而且将复杂、抽象的内容具体化、形象化，提高了教学质量。
核工程与核技术是一门实践性很强的学科，实验和实习应贯穿于整个教学过程。实践教学环境的好坏对掌握专业知识至关重要。三维虚拟软件和多媒体系统的开发与应用，可对专业教育起到很好的促进作用。三维虚拟软件与多媒体系统相结合，打破了时间、空间、经费等方面的局限性，为学生提供了真正的“开放性教学环境”，提高了学生的自主动手能力和创新能力。
青年学生正处于思维最为活跃的时期，对新生事物有浓厚兴趣。相对于传统的“板书+挂图”或纯PPT播放等教学形式而言，虚拟仿真教学形式新颖，能够充分调动学生的学习兴趣，激发他们的求知欲望，有利于提高教学效果。例如，在学习核物理基础知识时，可利用虚拟仿真和多媒体技术，克服时空限制，再现核反应过程，使学生对抽象物理过程的认识又增添了一份感性。
2.虚拟仿真教学有助于提高学生的空间想象能力
利用虚拟仿真的方法能形象、生动地描绘出传统课堂上无法准确、细致表达的复杂图形、图像等。借助虚拟现实、计算机仿真、计算机辅助设计软件等模拟出核电站复杂系统和设备的结构、原理、工作流程、空间位置布局、立体图形的生成过程等。通过对这些过程的模拟可以实现由点、线、面到体的全程模拟，帮助提高学生的空间想象能力和形象思维能力。例如，在教学中有时要碰到一些复杂系统的内部构造、立体分布等问题（如从核岛结构到反应堆压力容器结构，再到燃料组件的构造等过程），以往主要是依靠教师动手画、做模型的方式来讲解，但对初次接触该知识的学生而言，总有想不出或理解不深的感觉，这时通过虚拟仿真技术可以使学生对这些系统的理解更形象、直观且全面，也克服了专业教学中教师难讲、学生难学的弊端。
3.虚拟仿真教学有助于提高课堂教学效率
虚拟仿真技术和多媒体课件的应用，可使教师在课堂上省去板书、画图和擦黑板的时间，从而使教师有更多的时间和精力去讲课和与学生互动，及时回答学生的各种疑问。这样可以在较短的时间内，加强学生对课堂信息的吸收和消化过程，加深理解，提高记忆效果，提高教学质量。
总之，虚拟现实技术由于具有虚拟三维动画、原理仿真、多媒体演示等功能，可将教学培训中复杂、抽象的内容真实、形象、生动地表现出来，从而使学生真正参与到教学和兴趣活动中，这是传统教学方法所不能比拟的。
三、虚拟仿真技术在核工程与核技术专业教学中的应用
利用虚拟仿真技术，不仅可以使从事核电管理和操作的人员复现和优化操作过程，节省大量经费，提高学习和培训效果，而且可以用于该类工作人员岗前、任职培训中，以降低其在实际操作中接受的辐射剂量。
在国外核工程与核技术专业教学领域，虚拟仿真技术已经得到了广泛和深入的研究和应用，主要包括虚拟漫游、虚拟拆装、核电站仿真模拟机、辐射场剂量的分布计算与显示等方面。西班牙已经开发完成了一个用于计算核电站换料过程中辐射剂量的虚拟现实系统CIPRES和一个用来改善控制室人-机界面的虚拟仿真程序SICOMORO等虚拟仿真系统。欧洲核能机构则利用虚拟仿真技术进行了退役过程中的研究。他们设计了一套特殊的拆除装置，应用拆除被极毒性核素Pu污染的手套箱，然后开发虚拟现实系统来模拟其工作，并评价拆除装置的性能以及进行操作人员的培训。
目前，我国核工业也已经开始应用虚拟仿真技术。武汉核动力运行研究院核电仿真中心为核电站开发了用于工作人员操作培训的虚拟仿真系统，为核电工作人员熟悉工作环境、掌握设备流程、演习工作流程等提供了帮助，也为我国该方面的自主研究做出了贡献。该系统侧重于使用原理模型机进行实际的操作模拟，还研制开发了虚拟漫游和虚拟装配系统，可以用于开发各类交互式仿真产品，是虚拟仿真技术在核工业领域的一次成功应用。目前，结合该单位的研究成果，武汉大学与其合作，建成了国内先进的核电站虚拟仿真实验室，为核工程与核技术专业的教学和科研建立了良好的平台。
下面结合武汉大学核电站虚拟仿真实验室的现实条件，探索虚拟仿真技术在核工程与核技术专业教学中的应用。
1.核电仿真机教学法
核电仿真机（又称为模拟机）按照功能可以分为原形机、工程仿真机、培训仿真机（又可分为教学仿真机与操作员培训仿真机）等；按照仿真范围可以分为全范围仿真机和局部仿真机。仿真机控制台盘和操纵员站可以做到和核电主控室一样。
据统计，核电站70%以上的安全问题由人为因素造成，因而在每个核电站项目中，都需要模拟机供操纵员上岗前接受严格的培训和考核。利用仿真技术制造的核电站仿真机是核电站培训操纵员和运行管理人员的重要工具，直接影响着核电站运行的安全性、稳定性和经济性。
在核工程与核技术专业的教学过程中，可以在认识实习环节和生产实习环节中利用核电站仿真机，在虚拟环境下，模拟核电站运行原理的仿真操作，完成反应堆启动、停堆和故障运行等，弥补该专业学生无法实现在真实核电站实习的不足，最大限度地提高专业教学质量和教学效果。图1为常见的核电仿真机的结构组成。
2.多媒体虚拟操作教学法
利用虚拟仿真技术和多媒体设备可以将那些复杂、抽象的理论知识用多媒体课件演示出来，并通过编制一些三维动画，收集一些案例实物等方式来丰富课程内容和表现形式，变黑板式教学为实体化教学，使过去因无法看到实物而抽象难学的内容变得具体、形象。例如，在讲解从核岛结构到反应堆压力容器结构，再到燃料组件构造等复杂系统的过程时，可以利用虚拟仿真技术实现对全过程的三维模拟，使学生对这些系统的理解更直观、更形象、更全面，还可以通过交互式操作提高学生的动手和创新能力。
目前，国内核工程与核技术专业的研究及工作人员在培训时有时需要接触真实的辐射源，或者进行1：1实物模型的培训，这增加了工作人员被照射的风险，同时也增加了实验和培训平台建设的经费投入和后期管理风险。此时，采用虚拟仿真技术实现虚拟仿真教学和培训，则能够有效降低辐射剂量，节约经费，降低运行和管理风险。
核工程与核技术领域的虚拟仿真系统有其自身的特点。对于设备、场景、动作的建模和仿真，目前已有许多专用或通用的建模工具软件可以使用，如3DMAX、CATIA、VRML与JAVA、MATLAB与C++等。针对应用目的的不同，可选择其中某些软件或软件的组合进行系统开发。
在核工程与核技术专业的教学过程中，可以利用虚拟仿真技术对换料过程进行操作培训，以减少被培训人员的操作时间、辐射剂量以及对该过程的重复操作。图2为武汉大学核电站虚拟操作系统的虚拟换料过程演示图。虚拟仿真系统可通过考虑了核电站换料过程中所有可能的操作来实现换料路径的最优化选择。通过对各个操作步骤的分析，建立一个计算模型，利用各种模拟计算方法（如MCNP）确定重点区域辐射剂量分布的情况。此外，还可根据实际换料过程中的每一个换料动作的辐射剂量分布，来实现对换料过程的辐射防护监测，并建立一个监测基础数据库，以实现对操作人员辐射剂量的管理。同时，可以使操作者非常直观地了解到在真实操作过程的各种行为以及带来的后果，从而达到换料教学和培训的目的。
四、结束语
虚拟仿真技术在核工程与核技术专业教学中有着极好的应用前景。借助核电仿真机可以在认识实习环节和生产实习环节中，在虚拟环境下模拟核电站运行原理的仿真操作，完成反应堆启动、停堆和故障运行等，弥补该专业学生无法实现在真实核电站实习的不足，最大限度地提高专业教学质量和教学效果。而利用多媒体虚拟操作，可以实现对核电站运行部件虚拟现场的拆装培训、剂量管理等。
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（责任编辑：麻剑飞）