地方院校交通運輸專業虛擬仿真實驗項目設計*

□ 趙魯華，劉海青，王建春

(山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590)

工程教育要求培養學生的工程實踐能力與多學科知識綜合運用的能力，培養實用型、創新型、綜合型人才[1]；卓越工程師教育培養學生的工程實踐能力與創新能力，培養具有戰略眼光和前瞻意識，能夠滿足未來發展需求，適應和引領未來工程技術發展方向的工程師[2]。交通運輸行業的發展既需要掌握專業基礎理論知識，又需要掌握機械、計算機、大數據、通信、管理、經濟等知識的人才；既具有較強的工程實踐能力，又具有創新能力的綜合素質高的人才。這些教育及行業發展需求，對學生的實踐實驗能力、創新能力、知識的學習及應用能力等方面提出了更高的要求，從而也需要專業具有更好的實踐實驗教學資源。而地方院校的交通運輸專業多數不是依托交通相關學科建設的，專業資源基礎薄弱，缺乏實驗設備或者實驗設備陳舊，不能滿足學生的實驗教學需求。

以山東科技大學為例，學校的建設目標是建成以工科為主導，特色鮮明的高水平應用研究型大學；學校交通運輸專業的培養方向是以運輸組織、規劃管理為主。基于教育及交通運輸行業發展需求、學校及專業發展特點，除了要教授學生扎實的專業基礎知識外，還要著重培養學生的工程實踐能力、創新能力、交通協同管理能力、交叉學科知識學習能力以及計算機、信息技術應用等能力(圖1)。這些能力的培養既需要健全的課程體系及良好的課堂教學效果來支撐，也需要有效的實踐實驗環節的支撐。而目前僅有載運工具等有關交通設施的實驗設備難以滿足專業培養需求。虛擬仿真實驗技術的發展為交通運輸專業實驗項目的開展提供了很好的技術條件[3]。因此，本文以山東科技大學交通運輸專業為例，基于專業發展特點，探討地方院校交通運輸專業虛擬仿真實驗項目的構建，對提高地方院校交通運輸專業的實驗培養質量，提升學生的實踐、創新等能力具有積極的意義。

1 地方院校交通運輸專業虛擬仿真實驗需求分析

山東科技大學交通運輸專業從2004年開始招生，專業最初是由礦業與安全工程學院建設。近幾年為了適應地方行業的發展需求及學校的發展規劃，該專業進行了三次培養計劃的修訂。在2018版培養計劃中主要有兩個變動：一是根據青島市軌道交通發展需求，增加了軌道交通運營管理方向；二是基于提升學生實踐實驗能力的培養需求，在《交通運輸設備》、《運籌學》、《運輸組織學》、《旅客運輸組織》、《貨物運輸組織》、《交通管理與控制》、《交通系統仿真》、《汽車運用工程》、《智能交通系統》等專業課中新增加了實驗學時。本專業學生的培養目標仍然是以運輸規劃，組織管理為主，主要涉及到軌道交通、公路交通，學生就業及考研專業也涉及航空運輸及港口運營方面，這些知識在專業課程中都有體現。

近幾年學校加強了對實驗室建設的投入。學校交通學院的智能交通實驗室、計算機模擬信息中心、虛擬仿真實驗室已初具規模。目前智能交通實驗室開設的實驗包括城市交叉口信號配時、交通控制、交通流模擬等；計算機模擬信息中心面向全院四個專業，主要提供學生課程上機實驗；虛擬仿真實驗中心目前開設的實驗是汽車模擬駕駛，學生可以搭建交通場景，進行駕駛行為模擬分析。雖然學院的實驗條件有了一定的改善，但是難以滿足交通運輸專業的實驗需求。交通運輸專業實驗室設備陳舊，學生可以動手實踐，能進行開發設計的實驗項目較少。因此急需要進行實驗項目的開發設計及相應設施的建設。

交通運輸系統是由固定設施系統、移動設備系統、運輸組織與管理系統構成的復雜大系統，涉及到眾多行業領域。運輸設施的建設過程不可逆，運輸生產過程具有連續性、多環節、高風險、跨時空等特點[4-5]。而虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互等技術，可以構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，能夠以生動、逼真、立體的形式來演示實驗室中無法完成的復雜性、危險性實驗項目[6-7]。因此，用虛擬仿真技術來構建模擬交通運輸系統的規劃設計、運營組織場景，設計虛擬仿真實驗項目可有效滿足交通運輸專業的實驗需求。通過讓學生進行自主規劃設計，可最大限度地激發學生的自主學習興趣及創新設計能力。

2 地方院校交通運輸專業虛擬仿真實驗項目設計

通過調研地方行業發展需求，結合學校、專業的培養目標，并基于本校交通運輸專業發展特點，以創新性工程實踐應用與研究型交通運輸專業人才培養為根本，設計交通運輸專業虛擬仿真實驗項目，如圖1所示。

圖1 基于專業培養目標的交通運輸專業虛擬仿真實驗項目設計

2.1 交通運輸組織調度管理虛擬仿真實驗

對應課程實驗：《運輸組織學》、《軌道交通運營》、《軌道交通規劃與設計》、《旅客運輸組織》、《貨物運輸組織》、《運輸組織課程設計》、《貨物運輸課程設計》、《交通系統仿真》、《交通管理與控制》等。通過該實驗項目，使學生熟悉運輸組織流程，并可自主進行運輸場景構建，進行運輸組織流程的優化管理，通過修改參數、輸入變量等因素，查看影響運輸效率的因素，并可進行組織流程的優化。根據學校交通運輸專業發展特點，具體內容包括：

2.1.1 運輸樞紐與港站運輸組織調度虛擬仿真實驗

針對公路、鐵路、水路、航空運輸樞紐場站，搭建虛擬的樞紐場站場景，模擬各種運輸組織流程。學生通過此實驗可以熟悉各種場站的運輸組織調度過程，掌握專業基礎知識。在此基礎上進行設計、修改運輸組織流程，參與要素等內容，以探究優化運輸組織的方法。通過此過程，掌握影響運輸組織調度管理的影響因素、基本方法、管理要點等知識并可靈活運用。具體包含以下幾個功能模塊。

①鐵路場站運輸組織虛擬仿真實驗，能夠實現的功能包括車站運輸能力計算、區間運輸能力計算、區段列車運行圖編制、鐵路運輸組織方案設計、優化列車運行技術、調度集中系統仿真等實驗[8]。基于城市軌道交通運營，可建設客流大數據、網絡化運營條件下交通組織優化、調度指揮、應急疏散虛擬仿真實驗[9-10]。

②公路客運站、貨運站運輸組織虛擬仿真實驗。針對站場內部作業進行虛擬仿真，學生不僅可熟悉公路站場內客運、貨運組織的基本業務流程、參與要素、管理方式；還可以自主進行站場內部作業調度優化設計，包括組織流程優化以及車輛調度優化。

該專業雖然是偏重于公路、鐵路的運營組織管理。但是基于地方行業發展需求，以及學生的就業及考研方向，實驗項目中也包含水路港口和機場的運營組織管理實驗模塊。

③水路港口運輸組織虛擬仿真實驗。搭建港口集疏運系統實驗場景，學生進行港口運作實驗，來模擬組織調度港口的各種生產要素，進行虛擬的港口生產作業。實驗場景可根據港口碼頭形式進行分類，如集裝箱碼頭、散貨碼頭、全自動碼頭等[11]。

④機場運輸組織虛擬仿真實驗。主要針對機場飛機起飛、著陸，模擬機場的航空管制。實驗模塊首先可以展示機場航空管制的過程，飛機起飛、著陸的規則。然后可搭建機場場景，進行管制模擬。例如，假設機場有一條跑道，每架飛機需一定的時間著陸、起飛，可讓學生試著編寫程序或規則來模擬機場的運行。通過這個實驗，學習航空運輸管理的一些知識。

2.1.2 客運組織流程虛擬仿真實驗

主要針對旅客從起點至終點的運輸組織及運輸服務策略進行實驗。系統中輸入的各種路線、設施、管理等運輸要素，讓學生在熟悉客運流程的基礎上，自主設計客運組織流程，通過調整參數，來評價運輸效率及運輸服務水平，得出提高運輸服務水平的各種優化策略。

2.1.3 貨運組織流程虛擬仿真實驗

公路運輸與物流虛擬仿真實驗，包括干線運輸仿真系統、倉儲仿真系統、配送運輸仿真系統，能夠實現作業流程的組織優化。學生可以自主搭建運輸實驗項目，進行虛擬實驗，鍛煉學生的創新設計能力。

2.2 運輸規劃、設計虛擬仿真實驗

實驗對應課程：《交通運輸系統規劃》、《物流系統規劃》、《交通場站課程設計》、《交通運輸規劃課程設計》、《物流學課程設計》等。此實驗項目針對交通基礎設施中的場站、線路等設施進行規劃設計。學生利用現有的交通規劃仿真軟件從數據調查分析、需求預測、方案設計、方案評價等方面進行規劃設計。熟悉規劃設計流程、方法及相關軟件。此模塊還提供學生的二次開發鍛煉，根據課程上學的一些理論方法進行實踐，鍛煉學生的計算機編程及系統開發能力。

2.3 運輸設備結構裝配虛擬仿真實驗

實驗對應課程：《交通運輸設備》、《汽車運用工程》、《汽車構造》等。實驗包括兩個功能模塊：固定場站、線路設施結構裝配虛擬仿真實驗和運載工具結構裝配實驗[12]。通過這兩個實驗，讓學生熟悉各種運輸設備的結構特點、每一種運輸設備的裝配過程，并可對某個部件進行自主改進、設計。在固定場站、線路設施結構裝配虛擬仿真實驗中，會有各種固定運輸設施的結構部件原型。如五種運輸方式的線路設施，場站等。例如對于鐵路軌道設施，可以看到組成軌道設施的各種零部件：鋼軌、道岔、聯結零件、軌枕等結構部件。在實驗過程中，學生自主完成軌道設施的裝備過程，并可進行創新設計，自己改進或重新設計某個部件的結構，并完成裝配。在運載工具結構裝配實驗模塊中，有各種類型的汽車、火車、輪船、飛機實驗原型。學生可以通過實驗熟悉這些運輸工具的結構，裝配過程及性能，并在此基礎上進行自主改進設計。這樣，學生既掌握了各種運輸設備的組成結構，又進行了自主設計或改進，從而提高了學生的創新實踐能力。

2.4 交通協同管理虛擬仿真實驗

基于該專業發展歷程及現有教育教學資源情況，在軌道、公路等深入的專業化教育方面難以與北京交通大學、西南交通大學、長安大學等以交通為重點學科的重點高校進行競爭，在做大交通方面又難以與山東交通學院這樣的專科院校進行競爭，因此需要探索專業的培養特色。本文提出交通運輸專業學生在達到專業基本培養目標的基礎上，還要培養學生交通運輸業的大工程觀，具備大交通融合、協同管理的能力。此處的大交通是指各種交通運輸方式的融合，或各種交通要素的融合，也可稱為交通協同。在城市交通中，有軌道交通、常規地面公交、個體交通等，在長距離交通中，有公路、水路、鐵路、航空、管道運輸方式的融合。學生具備綜合交通融合管理的意識，能夠融合各種交通方式的信息，實現多種方式的協同管理。這樣可以使學生既具有基本業務操作管理能力，又具備大交通綜合管理能力。這種能力的培養需要有課程內容的支持，也需要相應實驗教學內容。基于這個目標，提出建立“交通協同管理虛擬仿真實驗項目”。實驗內容可針對綜合運輸、多式聯運、聯合運輸、港口協同、共同配送等涉及多種運輸方式，或同種運輸方式不同企業等項目內容開展。這樣鍛煉學生的全局意識、交通協同管理能力。

3 地方院校交通運輸專業實驗項目實現途徑

地方院校交通運輸專業實驗基礎薄弱，需要在充分調研相關院校專業實驗教學模式及地方行業發展需求的基礎上，探索適合自身發展的實驗項目建設途徑。

3.1 校內實驗資源整合

以交通運輸專業人才工程實踐能力、創新能力、交叉學科知識能力培養為目標，結合本專業的實驗項目需求，整合校內車輛工程、交通工程、物流工程、土木工程、機械工程、計算機科學與技術、礦業安全工程、物聯網、物流管理、海洋工程等學科專業的虛擬仿真教學資源[13-14]。充分利用校內實踐資源，豐富本專業的實驗項目內容，從而提升專業的實踐實驗教學能力。

3.2 深入校企合作，充分利用企業資源

山東科技大學位于青島市，青島既有軌道、公路、航空、地鐵、水路相關的運輸企業，也有相應的制造企業。和這些企業從各個層面展開深入有效的長期合作[15]，充分利用企業資源來豐富交通運輸專業的實踐實驗資源，從而有效地提升學生的培養質量。

3.3 實驗項目的自主開發設計

根據課程內容，教師與學生在功能需求分析的基礎上，進行實驗腳本設計，并組織學生進行自主開發。一方面可以促使學生扎實地掌握專業知識，另一方面可以鍛煉學生的系統開發設計及編程能力，這種能力正是《計算機程序設計基礎》及《運輸管理信息系統》等課程的教學要求。通過每一級學生的不斷開發設計，使虛擬仿真實驗項目獲得持續完善和改進。

4 結語

作為地方院校的非重點專業，交通運輸專業資源基礎薄弱，需要結合地方行業發展需求、學校及專業發展特點，探索有效的實踐實驗模式。而虛擬仿真實驗教學是提升交通運輸專業學生培養質量、工程實踐能力、創新能力的一種新的教學模式。本研究以山東科技大學交通運輸專業為例，按照專業培養計劃進行了虛擬仿真實驗項目的設計，并分析其可實現的途徑，對地方院校交通運輸專業實驗項目的開展具有一定借鑒意義。在下一步研究過程中，需要繼續落實地方院校交通運輸專業虛擬仿真實驗項目的設計、開發，相關專業實驗資源的共享機制，校企之間深入有效地合作機制以及虛擬仿真實驗項目有效的評價、管理機制。另外，在實踐教學環節，還要探討培養學生高尚的道德情操，責任心、愛國心等人文素養的教學策略，使學生成為既具備扎實的專業能力，又具有健全人格的適應社會發展的綜合素質高的人才。