智能交通工程虚拟仿真实验教学体系的构建*

蔡 铭，徐 朋，黄 敏，章 伟

（中山大学 智能工程学院，广东 广州 510275）

一、引言

虚拟仿真实验教学是新世纪教育背景下出现的新型教学模式，以实验教学资源共享化和网络化为核心，满足多学科专业的虚拟仿真实验教学需求，实现校内外及更广范围内的实验教学资源共享，以此推动教学改革和促进教育质量的提升。

中山大学智能交通工程虚拟仿真实验教学中心围绕智能交通、绿色交通的实验教学特点，开发虚拟仿真实验的硬件设备与软件系统，开展基于虚拟现实、数据仿真、网络交互、智能设计等技术的实验教学和研究工作，支撑交通环境工程、噪声控制工程、交通地理信息系统、交通软件与系统应用控制等多门课程共享资源的建设，探索虚拟仿真与现场实践教学相结合的实验教学模式。

二、智能交通工程虚拟仿真实验教学体系内涵

1.基本概况

中山大学智能交通工程虚拟仿真实验教学中心成立于2017年，依托中山大学力学实验教学中心（成立于2013年）和工学院实验教学中心（成立于2008年）建设，同时拥有广东省智能交通系统（ITS）重点实验室、视频图像智能分析与应用技术公安部重点实验室、广东省交通环境智能监测与治理工程技术研究中心、OpenITS等科研平台进行支撑，并有学校网络中心提供网络技术支持。

中心现有一支教学水平高超、科研能力卓越、实验技术能力强大的教学和技术管理队伍。其中，正高级职称共17人，副高级职称共22人；其他技术人员60余人，拥有博士学历6人，硕士学历49人。

中心现有实验教学及科研面积4000余平方米，拥有价值超2000万元的仪器设备，包括模拟控制中心（总价值近百万的交通仿真软件）、中国环境监测总站实训基地（近百种大气监测相关仪器设备）、试验车道、交通数据采集车、无人机课外开发平台、虚拟道路模拟驾驶仿真平台等。

2.建设的必要性

（1）新工业革命带来的新技术冲击较大

传统的交通学科受大数据、人工智能、云计算等新技术的影响越来越明显，新技术的变革是传统行业转型的必由之路，传统的教学模式已不能支撑现有知识体系的发展，而改变教学模式，采用虚拟网络化平台进行教学、仿真模拟、评价等，可更直观、更方便地展示交通新技术、新方法，有助于学生的理解和学习。

（2）交通系统形态演变复杂

交通形态演变复杂，恶劣天气、交通事故等不可预测的极端事件对交通系统的影响无法重复观测，因而无法通过分析来尽可能地减少这类事件对交通系统带来的损失，从而提高交通网络的长时间适应性，同时也对学生的实习过程带来不确定的安全隐患。运用虚拟仿真技术进行模拟，可以更好地解决这些难题。

（3）交通专业课程实验相对独立

专业课程之间的实验相对独立，易产生学习断面，不利于整体系统认识。例如《交通调查与分析》课程所用到的数据及部分分析方法，在《交通环境工程》课程里也需用到，这容易造成实验数据等的重复采集和分析。通过虚拟仿真实验教学平台可将不同的课程教学成果关联起来，形成系统的教学体系，有助于学生的理解和学习。

3.建设思路

加快深化工程教育改革，建立“新工科”是立足于我国战略发展需求、国际竞争趋势和立德树人时代要求提出的深刻命题。中山大学智能交通工程虚拟仿真实验教学中心面向“新工科”的要求，贯彻国家“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，紧贴交通学科发展的现实需求，着力开展“教研协同、校企联合”模式的教学实践形式改革，探索虚拟仿真与现场实践教学相结合的实验教学模式，培养智能交通工程领域优秀人才。

4.建设内容

中心构建了从专业基础、综合训练到创新实践的层层递进式、四年贯通的虚拟仿真实验教学体系，形成了包括专业基础虚拟仿真实验模块、综合训练虚拟仿真实验模块、创新实践虚拟仿真实验模块的三个教学模块，具体如图1所示。

图1 虚拟仿真实验教学体系

（1）专业基础虚拟仿真实验模块

该模块以强化学生专业基础研究能力为目标，依托于 《交通工程》《工程测量》《交通调查与分析》《工程制图》《智能交通系统概论》《电子技术开放实验》等理论、实验课程建设。模块中的实验教学项目，在加强学生基本知识、基本理论、基本实验技能学习的同时，让学生实操能力、动手实践能力得到充分训练，并向学生传授科研理念、科研文化。主要实验内容包括“交通调查与分析实验”“工程测量实验”和“电子技术开放实验”。

（2）综合训练虚拟仿真实验模块

该模块以提高学生的综合实践能力为目标，依托于《交通地理信息系统》《数字图像处理》《视频技术》《交通规划与设计》《交通软件与系统应用控制实验》《交通管理与控制》《交通流理论》等理论、实验课程建设。模块中的实验教学项目，设计于专业基础虚拟仿真实验模块之上，该模块的实验教学能进一步拓展学生的实践能力和设计能力，有效启发学生的科研思维，为学生科研能力、创新能力的快速提升奠定基础。主要实验内容包括“交通仿真与分析实验”“交通地理信息系统实验”“视频数据分析实验”。

（3）创新实践虚拟仿真实验模块

该模块围绕智能交通系统的创新实践运用设计，以提高学生的自主学习能力、综合设计能力、创新科研能力为目标，依托于《交通环境工程》《噪声控制工程》《道路交通系统建模与仿真》《科学研究实践与创新》《课程设计》《毕业设计》等理论、实验课程建设。该模块实验项目的载体主要来源于专业教师承担的国家科技支撑计划项目、国家自然基金项目等高水平基础科研项目和工程应用项目的成果转化，支撑学生课外科研项目的创新性训练和课程设计、毕业设计中的应用实践训练。主要实验内容包括“交通噪声模拟与分析实验”“交通尾气排放模拟与分析实验”和“交通大数据分析与处理实验”。

三、智能交通工程虚拟仿真实验教学特色

中心以综合能力和创新能力培养为目标，以教学体系、教学内容、教学方法、技术手段改革为重点，不断提高实验教学水平和教学质量，已形成以下三大特色：

1.通过结合新型技术，依托大数据、互联网等有效提升教学水平

中心依托广东省智能交通系统重点实验室的技术力量，以跨学科交叉和教学资源共享推动实验教学发展。虚拟仿真实验教学体现了信息化、智能化、大数据的发展潮流和多学科交叉融合的技术趋势。中心一方面利用多媒体网络技术使学生的实验教学及沟通辅导模式更为多元和灵活，并通过开放共享有效扩大了实验教学的交流和影响；另一方面立足于工学院，与数据科学与计算、地理科学与规划等学院及相关企业机构进行教学合作，丰富实验内容的深度和广度。

2.通过加强校企合作，推动虚拟仿真实验教学中心的持续发展

中心已与北京晶众智慧交通科技股份有限公司（共同开发了交通信号感应控制实验平台、硬件在环实验平台等）、广州市公安局交通警察支队（签订了“人才培养实习基地合作协议”）、广东方纬科技有限公司（共建中大-方纬联合实验室）、广州市公共交通数据管理中心（为实践教学提供数据资源支持）等10余家机构、企业形成了战略伙伴关系。企业技术力量雄厚，拥有业内高素质的团队，为虚拟仿真实验教学平台的搭建及研发提供了强大的技术力量支持。在校企联合共建模式下，企业与高校之间形成了相互促进、共同发展的良好局面。

3.通过不断丰富内涵，逐步扩大教学、实验资源的开放共享

中心资源的共享包括教学资源的网络共享、实验资源的开放共享以及实验设备的开放共享。教学资源的网络共享主要是开放各个实验项目介绍及实验数据，用户可在网上查到相关内容；并且应用虚拟化平台实现VISSIM、Paramics等仿真软件的校内共享。

中心依托国际合作组织OpenITS联盟进行实验资源的开放共享，目前已有开放数据集、开放测试工具、开放论文三大类资源，这些资源部分已纳入虚拟仿真实验教学内容中。中心的软硬件实验平台可以通过远程控制进行数据共享，通过云计算平台进行高效的数据计算和存储，除了对本中心全体师生开放外，大型的仪器设备、虚拟仿真实验教学平台也对学校其他院系和社会研究机构开放。

综上所述，中心立足于智能交通工程专业本科人才培养的要求，将虚拟仿真实验纳入专业实验课程体系，构筑了3个模块的虚拟仿真实验教学内容，以达到高效管理实验教学资源的目的，实现校内外及更广范围内的实验教学资源共享，促进了交通专业学科的人才培养。