公路隧道运营安全虚拟仿真实验教学实践和思考

赵 顗，马健霄，陆 涛

（南京林业大学汽车与交通工程学院 江苏 南京 210037）

中华人民共和国教育部于2018 年发布关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知以及《教育信息化2.0 行动计划》[1]，行动计划强调加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设，其中示范性虚拟仿真实验教学项目是高校智能学习体系建设的重要载体[2]。虚拟仿真实验教学能实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，因此仿真场景或实验内容通常具有涉及高危或极端环境、高成本、高消耗等特征[3]。

随着我国公路网络的逐步建成，公路运营时代已全面来临，公路对综合管理养护型人才的需求日渐增多。公路管养是需要大量实践经验的工作，公路隧道作为其中重要的组成部分，其运营安全要求更高，并且开展隧道运营现场实验存在危险性、局限性、耗时长、不可逆、管理难等难点[4]。将虚拟仿真技术应用于公路隧道运营安全实验，可有效降低实验风险，提高实验效率[5]。本实验教学项目以培养隧道综合管理养护型人才为目标，以隧道日常运营和事故处置两类工作为特征，面向交通工程、交通运输、道路工程等专业设计，满足包括“交通工程设计”“道路交通安全”“道路养护管理”等课程的实验需求。

1 公路隧道运营安全虚拟仿真实验教学设计

1.1 虚拟仿真实验教学目标设计

公路隧道运营安全虚拟仿真实验设计包括隧道交通安全设施检测、隧道交通事故现场处置及隧道交通事故现场勘查三个环节，通过各实验环节和步骤的设计，力求实现以下教学目标：①以公路隧道作为载体，将多个知识点融会贯通，加深学生对公路设施体系中专业知识点的理解；②在三维场景中，以第一视角方式完成各项实验步骤，倡导学生自主探索，提升学生的专业综合实践能力；③以问题为导向，将实验需完成的教学内容按照随机变量模型处理，激发学生的实验兴趣，帮助学生提高对工作环境的适应性；④通过多环节模拟，强化各环节间的关联性，加深学生对道路交通事故隐患及其成因的认识[6]。

1.2 虚拟仿真实验教学方法设计

实验以虚拟仿真技术为依托，教学方法重点体现“综合性、分环节、重实践、重探究、多反馈”的特点[7]，实验设置了大量操作反馈机制，以强化学生对操作的认识和理解，从而为公路隧道运营安全领域培养知识体系全面、实践能力强的综合性人才。实验教学方法的实施过程主要体现在以下几点：

①循序渐进、环环相扣的综合性实验环节设计。实验设置的三个环节共同体现了对公路隧道运营安全人才培养的综合性，同时也是隧道运营安全教学上的逐步深化。

②以学生为中心的探究型教学方法。以学生自主操作为主，每个实验环节在设计时均提供实验步骤和实验指南，让学生自主地研究实验的具体方法并进行实验；以学生为主体，让学生在科学研究式的学习过程中，对平时不能直接感受的公路隧道交通安全设计以及交通事故现场的处理方法有直观的了解，激发其学习热情和创新意识。

③基于反馈机制的交互式教学模式。实验设置了三重反馈机制，上层为环节内部操作中的反馈机制，中层是每个环节结束后的反馈机制，下层是前两个环节之间的反馈机制。

④多维思辨的研讨式教学方法。实验在最终实验报告中将评价结论和解决问题的方法提供给学生，让学生指出优劣，并可对其实验操作加以完善。在虚拟仿真实验中还设置了讨论专区，学生和教师可以根据实验环节、实验操作步骤以及实验结果对实验进行不断改善。

1.3 虚拟仿真实验方法与步骤

实验以随机生成的公路隧道模型为背景，通过隧道交通安全设施检测、隧道交通事故现场处置、隧道交通事故现场勘查三个环节的实验，培养学生对隧道交通安全的日常管理和应急管理能力。隧道交通安全设施检测环节，学生依据所学知识以隧道养护人员视角对隧道内的交通安全设施进行巡检，检测隧道内交通安全设施可能存在的病害，并给出病害的处置措施；隧道交通事故现场处置环节，学生以交通管理者身份对隧道内交通事故现场进行分析，并给出交通事故的处置措施；隧道交通事故现场勘查环节，学生以交通警察的身份对交通事故现场进行物证采集、现场丈量等，并填写勘查报告。

实验项目由14 个步骤组成，具体包括：①动态参数内嵌式公路隧道模型；②隧道土建结构设施病害检测；③隧道机电设施病害检测；④隧道其他工程设施病害检测；⑤隧道内交通设施缺失检测以及病害的拍照取证；⑥提交检测报告并反馈遗留病害可能诱发的交通事故类型；⑦基于交通安全设施检测结果生成交通事故场景；⑧查看交通事故现场并填写事故情况表；⑨在交通指挥中心进行交通事故处置；⑩进入隧道内交通事故现场进行交通处置；⑪提交环节报告并反馈交通事故处置的正确率；⑫交通事故现场摄影；⑬交通事故现场的物证拾取与事故测量；⑭填写事故信息采集表并查看操作正确性。

1.4 虚拟仿真实验考核要求

为完成本实验所包含的教学内容，实验者需完整了解隧道安全系统的组成内容，并掌握各组成部分的设计过程和设计标准；对隧道设施管养的内容具有深入的了解，依据相关标准规范对隧道内不同安全设施所存在的问题和严重程度进行划分，并给出设施病害的相应处置方案；熟悉疏散节点、逃生路线、应急照明灯和消防设施的布设方法，掌握隧道内疏散的操作规程；掌握隧道交通事故现场勘查的基本内容和勘查方法。

要求学生独立完成每个环节的各个功能，通过运行不同的参数结果进行公路隧道交通安全设施、运营安全检测、应急处置、交通事故勘验定责各实验，并完成实验报告。实验报告包括实验名称、实验内容、实验结果（重要软件界面及数据）以及实验总结。

实验评价分为过程性评价和形成性评价两个部分：过程性评价侧重操作规程和操作步骤的考查，过程性评价在评价体系中占比20%；形成性评价侧重对实验结果的考查，主要对照规范性、正确率等标准进行评价，形成性评价在评价体系中占比80%。

2 教学项目效果评价及改进计划

公路隧道运营安全虚拟仿真实验教学项目已接入江苏省高等学校虚拟仿真实验教学共享平台，并提供教学服务，同时以平台资源共享的方式提供给包括内蒙古大学、内蒙古农业大学在内的多所院校开放使用，并充分吸收各高校的反馈意见，对系统加以改进完善。同时，项目平台还直接面向生产管理单位诉求，充分吸收了用人单位对人才培养的需求，并收集了用户单位的使用反馈意见，使得项目未来开发面向的服务对象可以更加多元化，并直接应用于与公路安全生产相关的多个领域。

2.1 教学项目效果评价

综合院校和生产管理单位的意见反馈，形成本教学项目的效果评价结论如下：

①教学项目体现行业需求。公路行业发展模式目前正处在由建设向管养过渡的窗口期，未来公路管养人才的缺口将显著增加，培养公路综合管理型人才具有重要意义。

②实验项目模型架构合理，场景预设真实。实验按三环节设计，不同环节体现不同公路管理人才工作的需求特征，分别对应道路管理工程师、道路养护工程师、道路交通警察等，不同环节既相互独立又相互关联，除场景相同外，各环节的上一层应用也会直接影响下一层应用，并相互制约。

③教学过程以学生为主体，评价结果以学习为导向，可促进学生对知识点的掌握。实验在实施过程中体现以学生为主体的探究型实验教学理念，采用基于反馈机制的互动教学模式，结合多维思辨的研讨式教学方法，教学效果显著，受益面大。实验评价分为过程性评价和形成性评价两个部分，两种评价相结合，促进学生对知识点的掌握。

④虚拟实验成果是传统教学的有益补充，可提高学生的学习主动性。虚拟仿真实验教学实现了实验教学的线上交互，改善了传统教学“填鸭式”的教学方式，强调教学的研究性与互动性。另外教师可以通过管理系统进行实验参数预设、实验教学信息发布、网络实验教学评价，而学生则可以进行实验预习、实验自测、实验报告提交、讨论，实现实验教学的线上交互，有效提高学生学习的主动性。

2.2 教学项目改进计划

针对公路隧道运营安全虚拟仿真实验教学项目的建设阶段和反馈意见，未来本教学项目将从以下方面进行改进：①加大对本项目的投入，丰富实验设计，完善保障机制，加强实验交互式参数的开放性功能设计，强化学生的自主学习和创新实践能力，完善多样化的公路隧道运营场景，丰富交通虚拟仿真的多情景环境架构和实验参数设计；②配合有相关实验需求的高校或企业，编制负荷相应需求的教学指导书，并组织讨论形成教学大纲以及成绩考核方法，共同提升交通运输类专业学生的关键知识点掌握和综合实践能力，助力人才培养；③本项目将面向各高校，尤其是西部高校免费开放并提供教学服务，同时，学校将进一步加强与专业软件设计公司协作，通过合理优化与改进，深入应用本项目的成果，通过线上线下结合的教学方式，打造满足更广泛社会应用需求的多元化平台，以满足不断提升的人才培养需求。

3 结语

公路隧道运营安全虚拟仿真实验教学项目的建设取得了显著成果。通过虚拟仿真技术的应用，项目成功解决了真实实验存在的环境限制、时间和成本等问题。然而，随着教学项目的不断扩展和发展，还需进一步加强实验的深化设计，加强资源共享和合作，进一步推广项目成果，以满足不断提升的人才培养需求和行业人才需求。