交通工程专业开展虚拟实验教学的实践途径

侯曙光，顾海燕

（南京工业大学 交通运输工程学院，江苏 南京）

实验教学既可视作为理论教学的继续和延伸，也可看成是理论与实践相结合的重要模块，对大学生创新思维、实践能力、凝练问题、分析问题、解决问题能力的培养，有着不可或缺的作用。随着信息化技术的发展和深入，虚拟仿真实验成为了现代化实验教学的一个重要手段[1]。虚拟仿真实验教学是依托虚拟现实、网络通信、数据库、多媒体、人机交互等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，利用足够逼真的实验环境为学生提供实践教学帮助，体现高校教育中以学生为中心、自主学习的教育理念，在一定程度上快速推进我国现代化的实验教学进程，为高等教育发展提供新途径[2]。

目前，我国高校大力强调大学生的实践能力和创新思维，在这种大背景下，传统教育归一性、计划性教学管理模式需与现代信息技术深度融合，开展虚拟仿真实验教学，推动高校积极参与线上线下教学相结合，探索个性化、智能化、泛在化的实验教学新模式，建立弹性教育机制，迎合高校教育的培养要求，为学生提供一个充分发挥自主性、创新性的学习环境，形成专业布局合理、教学效果优良、共享资源有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，支撑高等教育教学质量的全面提高[3]。虚拟仿真实验教学能够提供充足、先进的、符合社会经济发展需求，并与当前最新科学技术相匹配的教育资源，供学生选择性修学，同时在教学计划的设置上，学生拥有更多的选择性和自由度，使学生能够量力而行、循序渐进地制定实验课程的学习计划，是未来交通工程专业实验教学一种新手段。

一 交通工程专业传统实验教学现状

传统的高校实验教学采用的方式是集中教学，统一模式，内容更新换代慢，教学方式单一乏味，长此以往，实验教学的开展与社会需求、科技发展严重脱节，教学实验无法达到实践能力培养、创新精神培育的目标，极大降低了实验教学的功能发挥[4]。主要存在如下问题：

（一） 实验设备无法得到及时更新

部分高校因为实验经费受限，实验设备与学生人数不对等，不能保证学生有充足的设备开展实验，使得实验教学质量严重下降。也有很多高校实验室内部的设备陈旧、破损严重，未能及时更新替换实验器材及设备，导致教学活动开展受限，无法满足学生的基本操作需求。交通工程专业发展迅速，近年来多学科交叉融合成为新的趋势，交通工程实验技术及设备也因为其他相关学科，例如计算机、通信、传感、网络等先进技术的发展，实验设备日新月异，而前沿实验教学设备的延迟补充、滞后更新，远远落后于时代发展和课程革新的速率。与此同时，部分高校实验教学内容设计、教学大纲编排一成不变，未将创新知识和学科前沿纳入其中，无法满足学生基于实验的探究性学习需求，和高校教学方向发展相背离。

（二） 实验教学模式与专业发展速度有差距

传统实验教学大多基于实验室提供的固定条件和设备来开展，学生获取实验所需的信息的主要来源是教材和实验教师，一般每个实验都有确定的实验方法和实验步骤，是非对错是有已知的、明确的答案，学生只需要在听取实验教师讲述之后，关注实验注意点，模仿老师演示的操作方法模仿即可。随着近年来我国基础设施的快速发展，交通工程专业的工程实践相关理论知识的发展速度加快，施工难度变大，实验教学内容涉猎范围广，但是实验教学内容却比较固定，学生在学习现有理论知识的过程中经常会遇到工程中各种难以理解的施工过程或操作机理；但在开展教学活动时，教师仅仅采用原有的固定内容教学形式，学生很难迅速理解实验目的，实验过程基本上是按图索骥，由于没有充足的实践机理作为支撑，学生对一些工程实践的理解即便知其然也不能知其所以然。其次，不管是前沿科技内容，还是最新工程实践成果，若要将其转化为教学实验内容，则存在一定的滞后性，极大地约束了学生自我探索的空间，这在一定程度上制约了学生主动学习的积极性。

（三） 生源基数与教师人数不相匹配

随着社会的发展，各大高校的招生数量逐年增加。于交通工程专业时下属于热门专业，生源质量优良，数量众多，但是部分高校尤其是省属高校交通工程专业由于发展阶段的原因，师资力量尚有欠缺，在设置课程体系时，无法根据学生实际数量来配备相应的教师团队、更新实验设备，经常出现一个教师指导数十名同学的局面，无法满足学生的实践学习需求，很多时候实践教学形成以观摩为主，动手操作为辅的形式，不能有效提高高校的教育质量。

二 交通工程专业开展虚拟仿真实验教学的途径

与传统的实验教学相比，高校虚拟仿真实验具有无可比拟的优越性，它解决了传统实验技术和手段在实验教学开展过程中的难以克服的问题，并且能够让学生在无需现场参与的情况下，仍有身临其境的观感。这种方式不仅能够提高课堂的效率，还能使某些受时间、地点、成本、实验性质等影响的重大或高危实验成为可能，提高实验教学的深度和广度，拓展学生视野，增加实践经验。

（一） 虚拟仿真实验的教学特色

虚拟仿真实验教学依托于互联网以及多媒体技术，可将实验平台扩展到虚拟实验中心，打破实验课传统模式，无需依附于理论课程，依据实验技术自身的系统性和科学性，可独立开设实验课程，实验内容多元、实验设计巧妙、实验技术先进、实验步骤灵活，甚至抽象实验也能够使得过程形象化、逼真化等显著特征，极大地拓展了实验教学的深度与广度，是高校实验教学的新形态[5]。

虚拟实验成本低、效率高、操作安全，除此之外，可扩展性强、可移植性高，得益于网络高度开放和资源共享等特点，可有效解决由于时间和场地限制，学生没有时间和精力去现场熟悉交通工程专业道路整个施工过程及工序的难题，极大地提高了实验教学效果。虚拟仿真实验教学在为学生提供良好学习环境、多源的学习资源的同时，降低学校在建设实验室、设备维护、器材更新等方面的资金压力，同时利用人工智能技术、互联网技术作为媒介，学生在校内就能完成相关实验的学习和操作，使得昂贵的、不可逆实验以及微观实验等实践教学得以实现。另一方面，虚拟仿真实验能够较好地衔接理论教学和野外实践教学，学生通过理论学习-虚拟仿真实验教学-工程实验的步骤，能够将所学知识融会贯通。交通工程专业的学生通过虚拟平台进行路基设计、道路选线、信号配时、交通管控等虚拟仿真实验操作，了解高速公路机械化施工的基本施工方法和流程、城市道路运行组织的优化决策，自主学习，既能弥补实体教学工期长，实验困难的缺陷，又能对某些实际交通中无法实现的实验工况进行剖析。

（二） 虚拟仿真实验的教学理念

虚拟仿真实验教学以学生为中心，将整个教学理念贯穿于实验教学的各个环节，包括实验内容、实验方法、实验手段、组织模式和考核标准等各方面，旨在为学生创造自主、宽松的学习环境和自由、和谐学习氛围，注重培养学生的社会责任感、创新精神、实践能力，调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能，增强学生创新创造能力，学会发现问题，善于提出问题，培养学生面对交通工程专业问题能够独立思考、解决问题的习惯，回归实验探寻的本质，激发学生的学习动力，更新学生的知识资源，提升创新实践能力[6]。

（三） 虚拟仿真实验教学的必要性

虚拟仿真实验是实验教学的一种新手段，在一定程度能够丰富实验教学内容，实现实验教学辅助的自主化与智能化，满足学生在线学习的个性化诉求，增加交通工程前沿领域或从交通工程科研成果转化而来的实验成果，方便教学内容做实时增减和调整，实现实验教学内容的整体优化；虚拟仿真实验的教学始终坚持问题导向，关注信息化时代背景下学生的需求，重点实行基于问题、基于案例的互动式、研讨式教学，倡导自主式、合作式、探究式学习模式。虚拟仿真实验教学，推进了传统验证性实验融入基础理论课程的教学，带动学生提升自主探索专业理论知识的能力[7]。虚拟仿真实验教学的可复制性既能减少学校建设、维护实验室的资金压力，又能在线上平台，不断更新迭代，与时俱进。

（四） 虚拟仿真实验的过程自主化

虚拟仿真实验教学在不断加强基础训练的同时，更注重拓宽学生的知识覆盖面，注重学科专业知识的交叉融合，对学生开展难度递增的实验项目训练，培养学生主动建构知识体系和提升实践操作的能力[8]。按照实验项目的难度和培养体系的要求，可将虚拟仿真实验分为基础实验、综合实验、工程实验，结合现场讲解视频、微课、网络资源、动画、图片、文献、图纸等多种方式教学资源，做到虚实结合。资源库内容包括：真实实习场所三维场景构建、实习场景内涉及到交通及轨道交通基础设施及其结构组成的识别、分解和介绍、简易实习工具的虚拟使用、实习任务点的设定、实习涉及到的专业知识资料库（规范、图纸等），构建“场景体验”+“学习”+“考核评价”三大教学模块，完成讲授、学习、评价整个过程，实现教学方式个性化，因材施教。学生可根据自身学习需求，自主选择实验仪器、时间、类别、内容。参考学习资源库中的资料、自主完成实验方案设计、步骤确定、流程安排，培养自主学习，分析问题、解决问题的能力。

（五） 虚拟仿真实验的内容

虚拟仿真实验教学的实验内容设置多样，既可以自下而上，选取专业基础问题，从理论引申至实际应用，让学生知其然而知其所以然，也可以自上而下，选取科学前沿、生活生产实践中亟需解决的问题。坚持问题导向与需求导向，双管齐下，重点解决不具备实验条件或运行困难的实验内容；紧密结合社会经济和行业发展发展对交通工程专业人才培养的需求，综合考虑各学校专业特色，淘汰简单验证性、陈旧性项目，保留内容优质、综合性强的实体实验教学项目。内容形式可以为创新实验、演示型实验，传统教学实验等。建立健全实验内容的更新机制和实验内容库，为学生的理论学习带来实践支撑。例如采用二维及三维动画反映交通工程专业路基路面工程施工过程中的设备、材料、场景、人员操作等因素对施工质量的影响，学生能够身临其境地感受真实施工过程中的各种典型场景及突发状况，通俗易懂，生动有趣。还可以结合目前城市交通拥挤等现象，让交通工程专业学生在早晚高峰时段的城市交通瓶颈（拥堵路段或交叉口），利用固定式或实时信号控制模拟并设计进行交叉口配时，让学生体会合理配时对城市交通状况的改善效果。

（六） 虚拟仿真实验的教学形式

在虚拟仿真实验教学改革中，教育教学与信息技术融合，摒弃传统的老师手把手教，学生模仿的教学模式，与真实实验相辅相成，实现交互式、沉浸式实验，充分发挥学生的主观能动性，通过虚拟仿真教学资源进行实验，可在课前提前了解实验仪器，熟悉原理方法，预习实验内容等。教师以教学计划和教学要求为纲，为学习者提供参考资料、添加课堂活动、设置作业要求、开展主题讨论，并充分利用慕课、金课等线上资源[9]，及时开展在线指导、答疑、讨论、问卷、测验、评分等教学活动，充分满足学生在线学习的基本需求和个性化需求。例如，让学生利用视频检测器进行交通事故成因分析，利用雷达检测器检测道路交通量情况，利用雷达监测器分析车辆道路占有率等，培养学生学习的兴趣，发挥学生自主动手操作能力，提高学生分析问题和解决问题的能力，为日后专业工作或者科学研究打下基础。

（七） 虚拟仿真实验的教学创新

基于虚拟仿真实验，线上线下相结合的模式，让个性化教学成为可能。

1.依托互联网+，构建了“立体化”实验课教学资源库。每一个教学单元都由教案、讲稿、课件、理论讲授视频、操作演示视频、过关测试和问题讨论组成。在每一个实验操作演示视频中，都将实验的全过程，包括元件的摆放、调节、采集信息，都完整的呈现给学生，这使得学生在对实验前已经有了直观的了解，再开展虚拟仿真实验操作自然也就事半功倍。

2.借助信息化手段，激活了具有双向互动特征的课堂教学。原来的课堂教学，最大的缺陷就是缺少双向互动，但在“混合”模式下，通过“抢答”“选人”“投票”“讨论”等方式，有效地解决了课堂互动的问题。

3.教学设计符合艾宾浩斯记忆曲线，有助于学生对知识的记忆。在每一个实验项目的设计中都要求学生先完成预习，然后开展实验，完成实验操作及实验报告后，通过过关测试和参与讨论，这实际上是在每一个实验项目后，都进行了多次复习，这无疑是最符合艾宾浩斯遗忘曲线的教学设计。

三 结语

虚拟仿真实验教学是高校推进传统实验教学改革、提升实验教学质量、优化实验教学资源结构的重要措施。虚拟仿真实验是交通工程专业学生素质教育与能力培养中不可或缺的一环，不仅能够学习具体的实验操作，更以知识学习、探究本源、开拓创新为目的，通过问题导向、小组讨论、头脑风暴等方式引导学生关注问题、发现现问题，从而培养学生分析问题、解决问题的能力，是对新的教学理念、教学模式、教学方法和教学手段的进一步探索和实践。虚拟实验教学注重相关专业交叉融合，，实现资源优化配置和共享，达到课程与实践一体化的目的；虚拟仿真实验注重人才创新能力的培养，真正体现以人为本，提升学生的实践能力、实验技能、信息化应用能力、自学能力等，促进高素质人才教育，提高应用型人才培养成效。