交通工程專業開展虛擬實驗教學的實踐途徑

侯曙光，顧海燕

（南京工業大學 交通運輸工程學院，江蘇 南京）

實驗教學既可視作為理論教學的繼續和延伸，也可看成是理論與實踐相結合的重要模塊，對大學生創新思維、實踐能力、凝練問題、分析問題、解決問題能力的培養，有著不可或缺的作用。隨著信息化技術的發展和深入，虛擬仿真實驗成為了現代化實驗教學的一個重要手段[1]。虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現實、網絡通信、數據庫、多媒體、人機交互等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，利用足夠逼真的實驗環境為學生提供實踐教學幫助，體現高校教育中以學生為中心、自主學習的教育理念，在一定程度上快速推進我國現代化的實驗教學進程，為高等教育發展提供新途徑[2]。

目前，我國高校大力強調大學生的實踐能力和創新思維，在這種大背景下，傳統教育歸一性、計劃性教學管理模式需與現代信息技術深度融合，開展虛擬仿真實驗教學，推動高校積極參與線上線下教學相結合，探索個性化、智能化、泛在化的實驗教學新模式，建立彈性教育機制，迎合高校教育的培養要求，為學生提供一個充分發揮自主性、創新性的學習環境，形成專業布局合理、教學效果優良、共享資源有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系，支撐高等教育教學質量的全面提高[3]。虛擬仿真實驗教學能夠提供充足、先進的、符合社會經濟發展需求，并與當前最新科學技術相匹配的教育資源，供學生選擇性修學，同時在教學計劃的設置上，學生擁有更多的選擇性和自由度，使學生能夠量力而行、循序漸進地制定實驗課程的學習計劃，是未來交通工程專業實驗教學一種新手段。

一 交通工程專業傳統實驗教學現狀

傳統的高校實驗教學采用的方式是集中教學，統一模式，內容更新換代慢，教學方式單一乏味，長此以往，實驗教學的開展與社會需求、科技發展嚴重脫節，教學實驗無法達到實踐能力培養、創新精神培育的目標，極大降低了實驗教學的功能發揮[4]。主要存在如下問題：

（一） 實驗設備無法得到及時更新

部分高校因為實驗經費受限，實驗設備與學生人數不對等，不能保證學生有充足的設備開展實驗，使得實驗教學質量嚴重下降。也有很多高校實驗室內部的設備陳舊、破損嚴重，未能及時更新替換實驗器材及設備，導致教學活動開展受限，無法滿足學生的基本操作需求。交通工程專業發展迅速，近年來多學科交叉融合成為新的趨勢，交通工程實驗技術及設備也因為其他相關學科，例如計算機、通信、傳感、網絡等先進技術的發展，實驗設備日新月異，而前沿實驗教學設備的延遲補充、滯后更新，遠遠落后于時代發展和課程革新的速率。與此同時，部分高校實驗教學內容設計、教學大綱編排一成不變，未將創新知識和學科前沿納入其中，無法滿足學生基于實驗的探究性學習需求，和高校教學方向發展相背離。

（二） 實驗教學模式與專業發展速度有差距

傳統實驗教學大多基于實驗室提供的固定條件和設備來開展，學生獲取實驗所需的信息的主要來源是教材和實驗教師，一般每個實驗都有確定的實驗方法和實驗步驟，是非對錯是有已知的、明確的答案，學生只需要在聽取實驗教師講述之后，關注實驗注意點，模仿老師演示的操作方法模仿即可。隨著近年來我國基礎設施的快速發展，交通工程專業的工程實踐相關理論知識的發展速度加快，施工難度變大，實驗教學內容涉獵范圍廣，但是實驗教學內容卻比較固定，學生在學習現有理論知識的過程中經常會遇到工程中各種難以理解的施工過程或操作機理；但在開展教學活動時，教師僅僅采用原有的固定內容教學形式，學生很難迅速理解實驗目的，實驗過程基本上是按圖索驥，由于沒有充足的實踐機理作為支撐，學生對一些工程實踐的理解即便知其然也不能知其所以然。其次，不管是前沿科技內容，還是最新工程實踐成果，若要將其轉化為教學實驗內容，則存在一定的滯后性，極大地約束了學生自我探索的空間，這在一定程度上制約了學生主動學習的積極性。

（三） 生源基數與教師人數不相匹配

隨著社會的發展，各大高校的招生數量逐年增加。于交通工程專業時下屬于熱門專業，生源質量優良，數量眾多，但是部分高校尤其是省屬高校交通工程專業由于發展階段的原因，師資力量尚有欠缺，在設置課程體系時，無法根據學生實際數量來配備相應的教師團隊、更新實驗設備，經常出現一個教師指導數十名同學的局面，無法滿足學生的實踐學習需求，很多時候實踐教學形成以觀摩為主，動手操作為輔的形式，不能有效提高高校的教育質量。

二 交通工程專業開展虛擬仿真實驗教學的途徑

與傳統的實驗教學相比，高校虛擬仿真實驗具有無可比擬的優越性，它解決了傳統實驗技術和手段在實驗教學開展過程中的難以克服的問題，并且能夠讓學生在無需現場參與的情況下，仍有身臨其境的觀感。這種方式不僅能夠提高課堂的效率，還能使某些受時間、地點、成本、實驗性質等影響的重大或高危實驗成為可能，提高實驗教學的深度和廣度，拓展學生視野，增加實踐經驗。

（一） 虛擬仿真實驗的教學特色

虛擬仿真實驗教學依托于互聯網以及多媒體技術，可將實驗平臺擴展到虛擬實驗中心，打破實驗課傳統模式，無需依附于理論課程，依據實驗技術自身的系統性和科學性，可獨立開設實驗課程，實驗內容多元、實驗設計巧妙、實驗技術先進、實驗步驟靈活，甚至抽象實驗也能夠使得過程形象化、逼真化等顯著特征，極大地拓展了實驗教學的深度與廣度，是高校實驗教學的新形態[5]。

虛擬實驗成本低、效率高、操作安全，除此之外，可擴展性強、可移植性高，得益于網絡高度開放和資源共享等特點，可有效解決由于時間和場地限制，學生沒有時間和精力去現場熟悉交通工程專業道路整個施工過程及工序的難題，極大地提高了實驗教學效果。虛擬仿真實驗教學在為學生提供良好學習環境、多源的學習資源的同時，降低學校在建設實驗室、設備維護、器材更新等方面的資金壓力，同時利用人工智能技術、互聯網技術作為媒介，學生在校內就能完成相關實驗的學習和操作，使得昂貴的、不可逆實驗以及微觀實驗等實踐教學得以實現。另一方面，虛擬仿真實驗能夠較好地銜接理論教學和野外實踐教學，學生通過理論學習-虛擬仿真實驗教學-工程實驗的步驟，能夠將所學知識融會貫通。交通工程專業的學生通過虛擬平臺進行路基設計、道路選線、信號配時、交通管控等虛擬仿真實驗操作，了解高速公路機械化施工的基本施工方法和流程、城市道路運行組織的優化決策，自主學習，既能彌補實體教學工期長，實驗困難的缺陷，又能對某些實際交通中無法實現的實驗工況進行剖析。

（二） 虛擬仿真實驗的教學理念

虛擬仿真實驗教學以學生為中心，將整個教學理念貫穿于實驗教學的各個環節，包括實驗內容、實驗方法、實驗手段、組織模式和考核標準等各方面，旨在為學生創造自主、寬松的學習環境和自由、和諧學習氛圍，注重培養學生的社會責任感、創新精神、實踐能力，調動學生參與實驗教學的積極性和主動性，激發學生的學習興趣和潛能，增強學生創新創造能力，學會發現問題，善于提出問題，培養學生面對交通工程專業問題能夠獨立思考、解決問題的習慣，回歸實驗探尋的本質，激發學生的學習動力，更新學生的知識資源，提升創新實踐能力[6]。

（三） 虛擬仿真實驗教學的必要性

虛擬仿真實驗是實驗教學的一種新手段，在一定程度能夠豐富實驗教學內容，實現實驗教學輔助的自主化與智能化，滿足學生在線學習的個性化訴求，增加交通工程前沿領域或從交通工程科研成果轉化而來的實驗成果，方便教學內容做實時增減和調整，實現實驗教學內容的整體優化；虛擬仿真實驗的教學始終堅持問題導向，關注信息化時代背景下學生的需求，重點實行基于問題、基于案例的互動式、研討式教學，倡導自主式、合作式、探究式學習模式。虛擬仿真實驗教學，推進了傳統驗證性實驗融入基礎理論課程的教學，帶動學生提升自主探索專業理論知識的能力[7]。虛擬仿真實驗教學的可復制性既能減少學校建設、維護實驗室的資金壓力，又能在線上平臺，不斷更新迭代，與時俱進。

（四） 虛擬仿真實驗的過程自主化

虛擬仿真實驗教學在不斷加強基礎訓練的同時，更注重拓寬學生的知識覆蓋面，注重學科專業知識的交叉融合，對學生開展難度遞增的實驗項目訓練，培養學生主動建構知識體系和提升實踐操作的能力[8]。按照實驗項目的難度和培養體系的要求，可將虛擬仿真實驗分為基礎實驗、綜合實驗、工程實驗，結合現場講解視頻、微課、網絡資源、動畫、圖片、文獻、圖紙等多種方式教學資源，做到虛實結合。資源庫內容包括：真實實習場所三維場景構建、實習場景內涉及到交通及軌道交通基礎設施及其結構組成的識別、分解和介紹、簡易實習工具的虛擬使用、實習任務點的設定、實習涉及到的專業知識資料庫（規范、圖紙等），構建“場景體驗”+“學習”+“考核評價”三大教學模塊，完成講授、學習、評價整個過程，實現教學方式個性化，因材施教。學生可根據自身學習需求，自主選擇實驗儀器、時間、類別、內容。參考學習資源庫中的資料、自主完成實驗方案設計、步驟確定、流程安排，培養自主學習，分析問題、解決問題的能力。

（五） 虛擬仿真實驗的內容

虛擬仿真實驗教學的實驗內容設置多樣，既可以自下而上，選取專業基礎問題，從理論引申至實際應用，讓學生知其然而知其所以然，也可以自上而下，選取科學前沿、生活生產實踐中亟需解決的問題。堅持問題導向與需求導向，雙管齊下，重點解決不具備實驗條件或運行困難的實驗內容；緊密結合社會經濟和行業發展發展對交通工程專業人才培養的需求，綜合考慮各學校專業特色，淘汰簡單驗證性、陳舊性項目，保留內容優質、綜合性強的實體實驗教學項目。內容形式可以為創新實驗、演示型實驗，傳統教學實驗等。建立健全實驗內容的更新機制和實驗內容庫，為學生的理論學習帶來實踐支撐。例如采用二維及三維動畫反映交通工程專業路基路面工程施工過程中的設備、材料、場景、人員操作等因素對施工質量的影響，學生能夠身臨其境地感受真實施工過程中的各種典型場景及突發狀況，通俗易懂，生動有趣。還可以結合目前城市交通擁擠等現象，讓交通工程專業學生在早晚高峰時段的城市交通瓶頸（擁堵路段或交叉口），利用固定式或實時信號控制模擬并設計進行交叉口配時，讓學生體會合理配時對城市交通狀況的改善效果。

（六） 虛擬仿真實驗的教學形式

在虛擬仿真實驗教學改革中，教育教學與信息技術融合，摒棄傳統的老師手把手教，學生模仿的教學模式，與真實實驗相輔相成，實現交互式、沉浸式實驗，充分發揮學生的主觀能動性，通過虛擬仿真教學資源進行實驗，可在課前提前了解實驗儀器，熟悉原理方法，預習實驗內容等。教師以教學計劃和教學要求為綱，為學習者提供參考資料、添加課堂活動、設置作業要求、開展主題討論，并充分利用慕課、金課等線上資源[9]，及時開展在線指導、答疑、討論、問卷、測驗、評分等教學活動，充分滿足學生在線學習的基本需求和個性化需求。例如，讓學生利用視頻檢測器進行交通事故成因分析，利用雷達檢測器檢測道路交通量情況，利用雷達監測器分析車輛道路占有率等，培養學生學習的興趣，發揮學生自主動手操作能力，提高學生分析問題和解決問題的能力，為日后專業工作或者科學研究打下基礎。

（七） 虛擬仿真實驗的教學創新

基于虛擬仿真實驗，線上線下相結合的模式，讓個性化教學成為可能。

1.依托互聯網+，構建了“立體化”實驗課教學資源庫。每一個教學單元都由教案、講稿、課件、理論講授視頻、操作演示視頻、過關測試和問題討論組成。在每一個實驗操作演示視頻中，都將實驗的全過程，包括元件的擺放、調節、采集信息，都完整的呈現給學生，這使得學生在對實驗前已經有了直觀的了解，再開展虛擬仿真實驗操作自然也就事半功倍。

2.借助信息化手段，激活了具有雙向互動特征的課堂教學。原來的課堂教學，最大的缺陷就是缺少雙向互動，但在“混合”模式下，通過“搶答”“選人”“投票”“討論”等方式，有效地解決了課堂互動的問題。

3.教學設計符合艾賓浩斯記憶曲線，有助于學生對知識的記憶。在每一個實驗項目的設計中都要求學生先完成預習，然后開展實驗，完成實驗操作及實驗報告后，通過過關測試和參與討論，這實際上是在每一個實驗項目后，都進行了多次復習，這無疑是最符合艾賓浩斯遺忘曲線的教學設計。

三 結語

虛擬仿真實驗教學是高校推進傳統實驗教學改革、提升實驗教學質量、優化實驗教學資源結構的重要措施。虛擬仿真實驗是交通工程專業學生素質教育與能力培養中不可或缺的一環，不僅能夠學習具體的實驗操作，更以知識學習、探究本源、開拓創新為目的，通過問題導向、小組討論、頭腦風暴等方式引導學生關注問題、發現現問題，從而培養學生分析問題、解決問題的能力，是對新的教學理念、教學模式、教學方法和教學手段的進一步探索和實踐。虛擬實驗教學注重相關專業交叉融合，，實現資源優化配置和共享，達到課程與實踐一體化的目的；虛擬仿真實驗注重人才創新能力的培養，真正體現以人為本，提升學生的實踐能力、實驗技能、信息化應用能力、自學能力等，促進高素質人才教育，提高應用型人才培養成效。