地方院校交通运输专业虚拟仿真实验项目设计*

□ 赵鲁华，刘海青，王建春

(山东科技大学 交通学院，山东 青岛 266590)

工程教育要求培养学生的工程实践能力与多学科知识综合运用的能力，培养实用型、创新型、综合型人才[1]；卓越工程师教育培养学生的工程实践能力与创新能力，培养具有战略眼光和前瞻意识，能够满足未来发展需求，适应和引领未来工程技术发展方向的工程师[2]。交通运输行业的发展既需要掌握专业基础理论知识，又需要掌握机械、计算机、大数据、通信、管理、经济等知识的人才；既具有较强的工程实践能力，又具有创新能力的综合素质高的人才。这些教育及行业发展需求，对学生的实践实验能力、创新能力、知识的学习及应用能力等方面提出了更高的要求，从而也需要专业具有更好的实践实验教学资源。而地方院校的交通运输专业多数不是依托交通相关学科建设的，专业资源基础薄弱，缺乏实验设备或者实验设备陈旧，不能满足学生的实验教学需求。

以山东科技大学为例，学校的建设目标是建成以工科为主导，特色鲜明的高水平应用研究型大学；学校交通运输专业的培养方向是以运输组织、规划管理为主。基于教育及交通运输行业发展需求、学校及专业发展特点，除了要教授学生扎实的专业基础知识外，还要着重培养学生的工程实践能力、创新能力、交通协同管理能力、交叉学科知识学习能力以及计算机、信息技术应用等能力(图1)。这些能力的培养既需要健全的课程体系及良好的课堂教学效果来支撑，也需要有效的实践实验环节的支撑。而目前仅有载运工具等有关交通设施的实验设备难以满足专业培养需求。虚拟仿真实验技术的发展为交通运输专业实验项目的开展提供了很好的技术条件[3]。因此，本文以山东科技大学交通运输专业为例，基于专业发展特点，探讨地方院校交通运输专业虚拟仿真实验项目的构建，对提高地方院校交通运输专业的实验培养质量，提升学生的实践、创新等能力具有积极的意义。

1 地方院校交通运输专业虚拟仿真实验需求分析

山东科技大学交通运输专业从2004年开始招生，专业最初是由矿业与安全工程学院建设。近几年为了适应地方行业的发展需求及学校的发展规划，该专业进行了三次培养计划的修订。在2018版培养计划中主要有两个变动：一是根据青岛市轨道交通发展需求，增加了轨道交通运营管理方向；二是基于提升学生实践实验能力的培养需求，在《交通运输设备》、《运筹学》、《运输组织学》、《旅客运输组织》、《货物运输组织》、《交通管理与控制》、《交通系统仿真》、《汽车运用工程》、《智能交通系统》等专业课中新增加了实验学时。本专业学生的培养目标仍然是以运输规划，组织管理为主，主要涉及到轨道交通、公路交通，学生就业及考研专业也涉及航空运输及港口运营方面，这些知识在专业课程中都有体现。

近几年学校加强了对实验室建设的投入。学校交通学院的智能交通实验室、计算机模拟信息中心、虚拟仿真实验室已初具规模。目前智能交通实验室开设的实验包括城市交叉口信号配时、交通控制、交通流模拟等；计算机模拟信息中心面向全院四个专业，主要提供学生课程上机实验；虚拟仿真实验中心目前开设的实验是汽车模拟驾驶，学生可以搭建交通场景，进行驾驶行为模拟分析。虽然学院的实验条件有了一定的改善，但是难以满足交通运输专业的实验需求。交通运输专业实验室设备陈旧，学生可以动手实践，能进行开发设计的实验项目较少。因此急需要进行实验项目的开发设计及相应设施的建设。

交通运输系统是由固定设施系统、移动设备系统、运输组织与管理系统构成的复杂大系统，涉及到众多行业领域。运输设施的建设过程不可逆，运输生产过程具有连续性、多环节、高风险、跨时空等特点[4-5]。而虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互等技术，可以构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，能够以生动、逼真、立体的形式来演示实验室中无法完成的复杂性、危险性实验项目[6-7]。因此，用虚拟仿真技术来构建模拟交通运输系统的规划设计、运营组织场景，设计虚拟仿真实验项目可有效满足交通运输专业的实验需求。通过让学生进行自主规划设计，可最大限度地激发学生的自主学习兴趣及创新设计能力。

2 地方院校交通运输专业虚拟仿真实验项目设计

通过调研地方行业发展需求，结合学校、专业的培养目标，并基于本校交通运输专业发展特点，以创新性工程实践应用与研究型交通运输专业人才培养为根本，设计交通运输专业虚拟仿真实验项目，如图1所示。

图1 基于专业培养目标的交通运输专业虚拟仿真实验项目设计

2.1 交通运输组织调度管理虚拟仿真实验

对应课程实验：《运输组织学》、《轨道交通运营》、《轨道交通规划与设计》、《旅客运输组织》、《货物运输组织》、《运输组织课程设计》、《货物运输课程设计》、《交通系统仿真》、《交通管理与控制》等。通过该实验项目，使学生熟悉运输组织流程，并可自主进行运输场景构建，进行运输组织流程的优化管理，通过修改参数、输入变量等因素，查看影响运输效率的因素，并可进行组织流程的优化。根据学校交通运输专业发展特点，具体内容包括：

2.1.1 运输枢纽与港站运输组织调度虚拟仿真实验

针对公路、铁路、水路、航空运输枢纽场站，搭建虚拟的枢纽场站场景，模拟各种运输组织流程。学生通过此实验可以熟悉各种场站的运输组织调度过程，掌握专业基础知识。在此基础上进行设计、修改运输组织流程，参与要素等内容，以探究优化运输组织的方法。通过此过程，掌握影响运输组织调度管理的影响因素、基本方法、管理要点等知识并可灵活运用。具体包含以下几个功能模块。

①铁路场站运输组织虚拟仿真实验，能够实现的功能包括车站运输能力计算、区间运输能力计算、区段列车运行图编制、铁路运输组织方案设计、优化列车运行技术、调度集中系统仿真等实验[8]。基于城市轨道交通运营，可建设客流大数据、网络化运营条件下交通组织优化、调度指挥、应急疏散虚拟仿真实验[9-10]。

②公路客运站、货运站运输组织虚拟仿真实验。针对站场内部作业进行虚拟仿真，学生不仅可熟悉公路站场内客运、货运组织的基本业务流程、参与要素、管理方式；还可以自主进行站场内部作业调度优化设计，包括组织流程优化以及车辆调度优化。

该专业虽然是偏重于公路、铁路的运营组织管理。但是基于地方行业发展需求，以及学生的就业及考研方向，实验项目中也包含水路港口和机场的运营组织管理实验模块。

③水路港口运输组织虚拟仿真实验。搭建港口集疏运系统实验场景，学生进行港口运作实验，来模拟组织调度港口的各种生产要素，进行虚拟的港口生产作业。实验场景可根据港口码头形式进行分类，如集装箱码头、散货码头、全自动码头等[11]。

④机场运输组织虚拟仿真实验。主要针对机场飞机起飞、着陆，模拟机场的航空管制。实验模块首先可以展示机场航空管制的过程，飞机起飞、着陆的规则。然后可搭建机场场景，进行管制模拟。例如，假设机场有一条跑道，每架飞机需一定的时间着陆、起飞，可让学生试着编写程序或规则来模拟机场的运行。通过这个实验，学习航空运输管理的一些知识。

2.1.2 客运组织流程虚拟仿真实验

主要针对旅客从起点至终点的运输组织及运输服务策略进行实验。系统中输入的各种路线、设施、管理等运输要素，让学生在熟悉客运流程的基础上，自主设计客运组织流程，通过调整参数，来评价运输效率及运输服务水平，得出提高运输服务水平的各种优化策略。

2.1.3 货运组织流程虚拟仿真实验

公路运输与物流虚拟仿真实验，包括干线运输仿真系统、仓储仿真系统、配送运输仿真系统，能够实现作业流程的组织优化。学生可以自主搭建运输实验项目，进行虚拟实验，锻炼学生的创新设计能力。

2.2 运输规划、设计虚拟仿真实验

实验对应课程：《交通运输系统规划》、《物流系统规划》、《交通场站课程设计》、《交通运输规划课程设计》、《物流学课程设计》等。此实验项目针对交通基础设施中的场站、线路等设施进行规划设计。学生利用现有的交通规划仿真软件从数据调查分析、需求预测、方案设计、方案评价等方面进行规划设计。熟悉规划设计流程、方法及相关软件。此模块还提供学生的二次开发锻炼，根据课程上学的一些理论方法进行实践，锻炼学生的计算机编程及系统开发能力。

2.3 运输设备结构装配虚拟仿真实验

实验对应课程：《交通运输设备》、《汽车运用工程》、《汽车构造》等。实验包括两个功能模块：固定场站、线路设施结构装配虚拟仿真实验和运载工具结构装配实验[12]。通过这两个实验，让学生熟悉各种运输设备的结构特点、每一种运输设备的装配过程，并可对某个部件进行自主改进、设计。在固定场站、线路设施结构装配虚拟仿真实验中，会有各种固定运输设施的结构部件原型。如五种运输方式的线路设施，场站等。例如对于铁路轨道设施，可以看到组成轨道设施的各种零部件：钢轨、道岔、联结零件、轨枕等结构部件。在实验过程中，学生自主完成轨道设施的装备过程，并可进行创新设计，自己改进或重新设计某个部件的结构，并完成装配。在运载工具结构装配实验模块中，有各种类型的汽车、火车、轮船、飞机实验原型。学生可以通过实验熟悉这些运输工具的结构，装配过程及性能，并在此基础上进行自主改进设计。这样，学生既掌握了各种运输设备的组成结构，又进行了自主设计或改进，从而提高了学生的创新实践能力。

2.4 交通协同管理虚拟仿真实验

基于该专业发展历程及现有教育教学资源情况，在轨道、公路等深入的专业化教育方面难以与北京交通大学、西南交通大学、长安大学等以交通为重点学科的重点高校进行竞争，在做大交通方面又难以与山东交通学院这样的专科院校进行竞争，因此需要探索专业的培养特色。本文提出交通运输专业学生在达到专业基本培养目标的基础上，还要培养学生交通运输业的大工程观，具备大交通融合、协同管理的能力。此处的大交通是指各种交通运输方式的融合，或各种交通要素的融合，也可称为交通协同。在城市交通中，有轨道交通、常规地面公交、个体交通等，在长距离交通中，有公路、水路、铁路、航空、管道运输方式的融合。学生具备综合交通融合管理的意识，能够融合各种交通方式的信息，实现多种方式的协同管理。这样可以使学生既具有基本业务操作管理能力，又具备大交通综合管理能力。这种能力的培养需要有课程内容的支持，也需要相应实验教学内容。基于这个目标，提出建立“交通协同管理虚拟仿真实验项目”。实验内容可针对综合运输、多式联运、联合运输、港口协同、共同配送等涉及多种运输方式，或同种运输方式不同企业等项目内容开展。这样锻炼学生的全局意识、交通协同管理能力。

3 地方院校交通运输专业实验项目实现途径

地方院校交通运输专业实验基础薄弱，需要在充分调研相关院校专业实验教学模式及地方行业发展需求的基础上，探索适合自身发展的实验项目建设途径。

3.1 校内实验资源整合

以交通运输专业人才工程实践能力、创新能力、交叉学科知识能力培养为目标，结合本专业的实验项目需求，整合校内车辆工程、交通工程、物流工程、土木工程、机械工程、计算机科学与技术、矿业安全工程、物联网、物流管理、海洋工程等学科专业的虚拟仿真教学资源[13-14]。充分利用校内实践资源，丰富本专业的实验项目内容，从而提升专业的实践实验教学能力。

3.2 深入校企合作，充分利用企业资源

山东科技大学位于青岛市，青岛既有轨道、公路、航空、地铁、水路相关的运输企业，也有相应的制造企业。和这些企业从各个层面展开深入有效的长期合作[15]，充分利用企业资源来丰富交通运输专业的实践实验资源，从而有效地提升学生的培养质量。

3.3 实验项目的自主开发设计

根据课程内容，教师与学生在功能需求分析的基础上，进行实验脚本设计，并组织学生进行自主开发。一方面可以促使学生扎实地掌握专业知识，另一方面可以锻炼学生的系统开发设计及编程能力，这种能力正是《计算机程序设计基础》及《运输管理信息系统》等课程的教学要求。通过每一级学生的不断开发设计，使虚拟仿真实验项目获得持续完善和改进。

4 结语

作为地方院校的非重点专业，交通运输专业资源基础薄弱，需要结合地方行业发展需求、学校及专业发展特点，探索有效的实践实验模式。而虚拟仿真实验教学是提升交通运输专业学生培养质量、工程实践能力、创新能力的一种新的教学模式。本研究以山东科技大学交通运输专业为例，按照专业培养计划进行了虚拟仿真实验项目的设计，并分析其可实现的途径，对地方院校交通运输专业实验项目的开展具有一定借鉴意义。在下一步研究过程中，需要继续落实地方院校交通运输专业虚拟仿真实验项目的设计、开发，相关专业实验资源的共享机制，校企之间深入有效地合作机制以及虚拟仿真实验项目有效的评价、管理机制。另外，在实践教学环节，还要探讨培养学生高尚的道德情操，责任心、爱国心等人文素养的教学策略，使学生成为既具备扎实的专业能力，又具有健全人格的适应社会发展的综合素质高的人才。