基于科研平臺的道路安全實驗教學改革及實踐

毋妙麗 段曉英

同濟大學道路與交通教育部重點實驗室 上海 201804

交通工程專業在本科生的畢業目標中要求學生具有一定的研究能力、使用現代工具的能力以及工程設計等解決復雜問題的能力，同時要求學生成為有多學科交叉融合和團隊協作精神的高素質復合型人才。綜合能力的培養與實驗教學的設備、人員及技術技能相關，只有對原有實驗進行調整，才能滿足學生認知、自主和創新實驗的要求。近年來，為適應學科發展需要，道路與交通工程教育部重點實驗室已投入了大量資金，購置高精尖的科研平臺，指導教師也積累了大量實驗經驗。已制訂一系列的管理制度和合理的實驗教學模式將先進的大型科研儀器有計劃地應用在本科生的實驗教學中。借鑒國內外高校在創新性人才培養策略，重視學生的技能培養及數據信息處理手段的鍛煉[1]，通過高效的實驗教學手段，力爭滿足學生能力培養的實驗教學的需求。本文將以道路安全實驗的教學探索闡述科研平臺對本科生能力的提升作用。

1 實驗設計的總體思想

道路交通安全與人、車、路和環境等交通綜合因素是分不開的。傳統的道路安全實驗項目包括對某一路段進行現場勘查、交通環境認知及汽車行駛機理等方便調查及評價實驗。受到場地、環境及學生外出安全等因素的影響，進行實地調查有相當的困難，實驗效率低。隨著汽車保有量的增加，人—車—路之間的矛盾變得更加尖銳。我國交警每年接報事故的總量在500萬起左右，并且通過對交通事故原因的分析可知，在引起交通事故的因素中人的因素占有相當大的比例，約為40%[2]。人在交通環境中對外界條件有限的適應能力與現在交通工具的高速發展之間的矛盾也使得事故頻發；國內外研究人員對車道變換時駕駛員的行為進行了諸多研究[3-6]；在負載環境下駕駛人的心率、視覺動態、駕駛操作行為等變化都對行車安全性造成影響[7,8]。以前由于儀器設備限制，無法進行實車駕駛時駕駛員的心理和生理監測，學生對特定環境下的駕駛行為沒有直觀的認識。為改善復雜環境下的道路實驗，借助實驗室科研平臺—8自由高仿真駕駛平臺及心生理分析儀，對道路設計、人的因素、氣候環境等模擬現場進行安全評價。相對于實車實驗，駕駛模擬實驗具有更安全、影響因素更可控、實驗可重復性高及更易獲得大量數據進行分析等優勢。平臺自2011年建成以來在道路安全科研實驗方面積累了多種經驗，結合心理和生理的分析儀可進行人為因素研究、先進的車輛安全系統認知回應研究、身體損傷研究、分心駕駛研究等多種影響安全項目的教學實驗。實驗表明，將先進的科研平臺應用到實驗教學改革對學生的技能培養和思維訓練起到積極的推動作用。

2 實驗類型的設置

實驗項目在設置時從道路安全影響因素出發，采用階段遞進式的實驗教學模式。在考慮所有學生受益同時結合因人施教的個性化實驗研究需求，我們采用兩種實驗類型：認知型實驗和研究探索型實驗。

2.1 認知型實驗

認知型實驗并不是走馬觀花形式上的參觀，其基于專業認證對學生知識能力的要求，即需要有寬廣的專業知識面和各種技能的訓練。通過認知型實驗，擴展學生的視野，體驗到真實的科研環境和先進的科研裝備；了解實驗過程，如何應用數據進行道路安全評價。用于道路安全實驗的科研儀器設備有：8自由度駕駛模擬實驗平臺、眼動儀、血氧儀等，如圖1所示。自由度模擬平臺可模擬各種道路線形和各種氣候環境；血氧儀主要用于分析測試環境下的生理變化；眼動儀記錄駕駛人在行使過程中的注視點及眼球的運動變化。有課時限制的認知實驗將由指導教師給定一個特定的道路場景，按實際情況進行分組駕駛實驗，每次實驗數據包括駕駛人在駕駛過程中的道路信息、車輛數據、心率和血氧濃度數據、眼動儀等數據。要求學生從海量數據中根據自己關注的問題提取多組數據進行數值分析，研究道路、氣候環境及駕駛行為的關系，從實驗數據中分析并形成報告。對于有能力進行更深入的或課外創新的同學可參加開放型研究探索型實驗。

圖1 實驗設備

2.2 研究探索型實驗

研究探索型實驗是從訓練學生研究能力，多學科交叉技能和團隊合作精神出發，學生可根據所學專業知識點和興趣選題，或由指導教師凝練實驗內容，學生組隊完成復雜的實驗項目過程。所用的儀器與圖1相同。實驗室提供一個開放自主的實驗環境，盡可能地釋放學生的學習能力和教師實驗指導能力，實現學生從驗證、設計為主的實驗向科研探索實驗的逐步轉變[9]。研究探索實驗采用因人施教的原則對學生有多方面的要求。相對于認知實驗學生需要了解平臺的原理，學習該平臺集道路、交通、信息通信、機械及汽車等交叉學科知識。要求學生參加儀器使用培訓并能獨立操作，熟悉使用模擬軟件并正確提取分析數據。學生可借用或自主設計測試場景，在多次討論實驗方案可行后方可進行實際實驗。該實驗要求學生要有道路設計能力，3D模型制作、信息處理機數據分析方法等交叉學科的知識，要有一定的組織能力招募駕駛人，要設計問卷調查等，最后根據多種信息完成對道路安全的評價，凝練完成實驗報告。

圖2為兩種實驗的過程流程圖，由圖可見，探究探索型實驗在實驗準備、實驗過程、技能需求、團隊協作等方面比認知型實驗要求要高得多。很顯然，經過這樣一個完整的實驗，學生的研究能力的到很大提高。

圖2 兩種實驗的過程流程圖

近兩年，在開放實驗教學的實踐中，多組學生參加“大創”“交科”等競賽實驗并取得了多個獎項。實驗教師在指導學生過程中以研究的態度和眼光開展實驗教學和建設，不斷總結經驗，提升了教學技術手段和實驗效果。

3 實驗效果分析

認知型實驗和研究探究型實驗經過兩年的探索與實踐，各有千秋。認知型實驗是在學生掌握理論基礎的基礎上，將先進的儀器應用在本科教學，開闊學生視野和使用新技術的能力，課程的所有學生均可受益，體現以學生為中心公平教育。探究探索型實驗以啟發式、互動式、研究式的實驗教學模式，對部分有興趣和有一定研究能力的學生開放，培養他們科學研究能力和團隊協作，體現以學生為主體實行因材施教的實驗教學改革[10]。這兩種實驗的教學應用也符合學院構建的“基礎—訓練—交流—競技”的大學生科技創新平臺，在先進的實驗平臺支撐下引導學生主動參與創新訓練項目，激發學生的科研熱情和創新思維能力的要求。在道路安全實驗教學的探索和經驗基礎上將逐步開發其他設備在本科實驗教學項目。

參考文獻

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[8]Salvucci D D, Liu A. The time course of a lane change: driver control and eye-movement behavior [J]. Transportation Research Part F: Traffic Psychol- ogy and Behavior, 2002,5(2):123-132.

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