交通運輸類專業開放創新實驗平臺建設研究與實踐

韓錕，孫 博，陳峰，彭建華

（中南大學 交通運輸工程學院，長沙 410075）

2016年，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出：“辦好我國高校，辦出世界一流大學，必須牢牢抓住全面提高人才培養能力這個核心點。”當前，無論是一流專業建設，還是新工科建設，其核心目標都在于培養研究創新人才，所以，高校如何提高人才培養能力必須圍繞創新型人才培養的需求展開。而創新源于實踐，所以建設適應創新人才培養的一流實驗教學平臺，是高校實現人才培養能力提升的基礎工程。

自黨的十九大以來，國家對交通強國戰略的重視程度持續加深，創新發展的步伐加快[1]，亟需培養大量掌握交通類學科前沿和人工智能、互聯網、物聯網及大數據分析等交叉學科知識的交通運輸類研究創新型工程人才，這給交通運輸類專業人才培養帶來了機遇，也提出了挑戰。工程人才培養必須“回歸工程實踐”[2]，而實踐性很強的交通運輸類專業[3]，要提高人才培養水平，必須加強在工程人才培養中具有無可替代作用的創新實驗平臺的建設，為學生提供解決真實的或接近本專業真實工程問題的開放式實驗環境，這對培養學生的自主學習能力、獨立思考能力和工程創新能力具有重要意義。

一 建設思路

關于實驗教學平臺建設，教育部在2005 年就提出建設儀器設備先進、資源共享和開放服務的實驗教學環境的目標[4]；2015 年國務院辦公廳發文“各高校要加強專業實驗室、虛擬仿真實驗室、創業實驗室和訓練中心建設，促進實驗教學平臺共享”[5]；2018 年教育部再次指出“加強校內實驗教學資源建設，構建功能集約、資源共享、開放充分和運作高效的實驗教學平臺”[6]，可見“共享”和“開放”是高校實驗教學平臺建設的關鍵詞，也是交通運輸類專業實驗平臺建設的基本遵循。

交通運輸類專業涉及機電、控制、規劃、管理、物流和工業設計等學科知識，多學科“跨界融合”[7]，理論體系復雜。同時，所研究的交通問題來自于交通大系統，比如軌道交通領域列車的運行調度、列車牽引傳動系統的控制等，也具有相當的復雜性。理論體系和研究對象的復雜性，使得為學生提供接近真實交通大系統環境和真實交通問題的實驗平臺，在培養學生綜合運用多學科知識和創造性思維解決復雜交通問題的能力中具有突出且重要的意義，但同時也給建設專業特色鮮明的實驗平臺帶來很大挑戰。

為此，本文提出面向前沿以優化體系布局、虛實結合以模擬真實問題和融合共建以推動開放創新的建設思路，以中南大學交通運輸工程學院開放創新實驗平臺的建設為例，探索交通運輸類專業開放創新實驗平臺的建設模式。

二 建設實踐

（一）面向前沿優化體系布局

國務院新聞辦公室于2020 年12 月22 日發布《中國交通的可持續發展》白皮書[8]，指出新時代的中國交通，要著力推進綜合交通、智慧交通、平安交通和綠色交通建設。在這條邁向交通強國的可持續發展進程中，新一代信息、先進制造和能源等領域的前沿技術[9]必將發揮關鍵作用，交通運輸類專業也必須面向這些前沿需求培養工程創新人才。

為此，面向交通運輸領域研究前沿布局實驗平臺體系架構，圍繞交通運輸業未來發展對人才能力素養的需求設計實驗場景，構建包括共享支撐平臺、學科基礎平臺、專業特色平臺、創新創業平臺四位一體和相互融通的開放創新實驗平臺，使學生通過該平臺實現“學科基礎素養→專業素養→職業和創新素養”全過程訓練。平臺的總體架構如圖1 所示。

圖1 實驗教學共享平臺總體架構圖

其中，共享支撐平臺旨在為整個實驗平臺提供基礎的計算資源、信息資源和實驗開發及管理工具，以設備先進、運作高效為建設目標，平臺軟硬件后臺統一管理維護，面向管理員、教師和學生三類用戶分權限開放。共享支撐平臺利用現代信息技術，打破了時間和空間限制，實現了優質計算資源和信息資源的共享，為師生提供了先進的實驗和技術開發環境。

學科基礎平臺整合交通運輸類各專業交叉融合的學科基礎知識，如信息與控制、人工智能、智能制造及智慧物流等，面向學科前沿進行布局，以培養學生學科基礎素養為目標，把寬度、厚基礎，通過模塊化結構向處于不同階段的學生提供多層次的實驗項目。低年級學生可通過該平臺提供的通識性實驗，加強對所學基礎理論的理解，亦可通過科學探索性實驗，了解學科前沿；中高年級學生則可以通過該平臺提供的實驗模塊，根據實驗課程或課程實驗的具體要求，自主組合以設計出綜合性或創新性實驗。

專業特色實驗平臺以《交通強國建設綱要》[10]中的戰略布局為基本遵循，布局了時速600 km 高速動模實驗系統、儲能式機車車輛結構工藝綜合實驗平臺和面向智能網聯測試的駕駛模擬器系統等，旨在為強化新型載運工具前沿關鍵技術研發提供技術和人才儲備。同時布局了交通運輸調度仿真系統、列車信號與控制實驗系統、智能倉儲和分揀系統等，旨在為大力發展智慧交通提供技術和人才儲備。通過專業特色實驗平臺，在實驗室環境下，最大限度為學生提供融入前沿技術解決專業領域復雜工程問題的平臺，培養學生解決專業領域復雜工程問題的能力、攻堅毅力和科學思維。

創新創業平臺旨在為學生提供一個深度開放、高度自治的自主創新實踐平臺，配套有專門的實驗場地、實驗制作工具和實驗耗材，以各類學科競賽和創新創業項目為驅動，培養學生的工程實踐能力、創新創業能力、團隊協作能力和溝通管理能力。

（二）虛實結合模擬真實問題

創新始于問題。能為學生提供專業領域真實問題的實驗平臺，對科研創新型與工程實踐型人才的培養至關重要。但前已述及，交通運輸類專業面向的是交通大系統中的復雜問題，由于成本、周期和場地等的限制，校內實驗平臺很難提供原型實驗讓學生直接接觸真實的對象和工程問題。如何通過實驗平臺模擬真實工程問題是平臺建設中需要著力突破的瓶頸。解決這一問題最常用的途徑是基于相似原理構建研究對象的縮比模型，例如世界各地已建成了數個高速列車動模型實驗平臺來模擬列車在各種線路條件下的絕對運動[11]，以開展列車空氣動力學領域的相關研究和實驗。專業特色實驗平臺中的時速600 km 高速動模實驗系統，就是模型比例為1∶20 的縮比實驗系統，為學生提供解決中速磁浮列車空氣動力學問題的場景。

近年來，隨著現代信息技術與實驗教學的深度融合，虛擬仿真實驗成為高校破解傳統實驗教學中“做不到、做不好、做不了、做不上”老大難問題[12]的有效途徑，基于虛擬仿真技術的工程實踐實驗平臺建設已成為現代工程教育的發展方向[13]。基于此，在交通運輸類專業開放創新實驗平臺建設過程中，本著“虛實結合、能實不虛”的原則引入虛擬仿真技術，在盡可能模擬真實工程問題的前提下，以虛擬仿真實驗拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間及提升實驗教學質量和水平。

“虛實結合、能實不虛”的原則體現在以下兩方面。

一是在采用實物或縮比模型作為實驗對象的同時，為順應教育信息化的發展趨勢，運用虛擬仿真技術建立相應的虛擬模型，二者既可獨立實驗，也可實時連接，虛實協同。比如智慧物流平臺中的立體倉庫子系統，如圖2 所示，圖2（a）是縮比物理模型，圖2（b）是虛擬模型。二者獨立實驗時，學生可以先通過虛擬模型進行路徑優化仿真，然后將仿真得到的優化算法及參數下載到控制器，控制物理系統動作，以得到實物控制效果；二者實時連接時，則可通過虛實協同實現路徑的動態優化。在這種虛實協同的實驗環境下，學生可借助虛擬模型開展仿真實驗，仿真實驗允許試錯，能有效幫助學生克服“怕弄壞實驗設備”的畏懼心理，同時也使學生不受時空限制反復多次開展實驗，有利于錘煉和提升實驗研究技能。

圖2 立體倉庫子系統

二是對于實驗室條件下難以構建的高復雜度、高危險性和高成本系統，則通過虛擬實驗場景為學生提供實驗條件。此時可遵循“核心工程要素引入、實際運行數據驅動、真實工程問題復現”的原則設計實驗項目，力求以“虛”的手段，解決“實”的問題。例如開放創新實驗平臺中的列車牽引傳動與故障診斷虛擬仿真實驗項目，其設計理念和架構如圖3 所示，來自于實際工程應用的三大數據庫：實際運行數據庫、核心工程要素庫和真實工程問題庫是支撐該虛擬仿真實驗運行的關鍵，是其靈魂所在。

圖3 列車牽引傳動與故障診斷虛擬仿真實驗項目體系架構

（三）融合共建推動開放創新

開放創新實驗平臺采用科教、產教雙融合共建模式以保證先進性、實踐性、創新性和可持續發展。雙融合共建模式下，“科”“產”深度融合至“教”的閉環鏈路中，如圖4 所示。

圖4 中的閉環培養鏈路以學生為中心，通過產、科和教三方在開放創新實驗平臺建設及應用中的深度融合、協同共建，為工程創新人才的培養提供理實一體化的支撐平臺。這種融合共建體現在以下幾方面。

圖4 科教、產教雙融合共建的閉環鏈路體系架構

第一，開放創新實驗平臺的建設目標和功能定位由“科”“產”對人才能力的具體需求決定。實現路徑：以交通運輸類專業教師為主導，通過“引進來、走出去”等方式，深度調研產業發展及需求，結合教師的前沿科學研究和一線教學實踐，提出交通運輸類工程創新人才培養目標，再將其細化為畢業要求，最終逐條對照畢業要求凝練出期望通過實驗平臺培養的核心素養圖譜，對標一流，追求卓越，得出平臺的建設目標和功能定位，做好頂層設計。

第二，開放創新實驗平臺的先進性和實踐性由科教、產教融合來保證。通過科教融合，教師將學科專業前沿知識和科研創新成果融入開放創新平臺設計，充分發揮教師對專業和學生了解的優勢，將復雜的科研問題轉化為不同層次、不同深度和不同廣度的實驗項目，為學生創設類似科學研究的情景和途徑，使學生通過實驗項目演繹科研過程，全方位鍛煉分析和解決復雜工程問題的能力，并從中體驗知識的發現過程，感受科研魅力，從更深的思想層面喚起學生主動學習的內生動力；通過產教融合，一方面可以精準定位交通運輸類各專業面臨的典型對象和真實工程問題，保證實驗項目落到實處，更接地氣，另一方面亦可以借助企業的技術支持進行平臺各子系統的開發，使教師專注于實驗設計和教學，而企業則運用先進的信息技術和開發工具更高效率、更高水平地開發出融入教師設計思想的實驗系統。

第三，開放創新實驗平臺的不斷完善和可持續發展由產、科和教三方通過科學評價、及時反饋與持續改進來實現。交通運輸行業的發展日新月異，開放創新實驗平臺要保持其先進性，必須以開放融合的態度不斷融入當今最前沿的技術、工藝和方法，才能與時俱進，充分發揮其在工程創新人才培養中實踐育人的作用。

三 建設成效

開放創新實驗平臺的建設實踐，在實驗教學、專業建設和人才培養等方面發揮了重要作用，取得了良好的效果。

（一）實驗平臺日趨完善

建成交通運輸虛擬仿真實驗室等一批專業特色室和“數字交通”等五個創客空間；建成“軌道車輛碰撞及耐撞性虛擬仿真實驗”國家虛擬仿真實驗教學一流課程和“列車電力牽引與故障診斷虛擬仿真教學實驗”省虛擬仿真實驗教學一流課程；吸引中國中車、中國通號設計院等行業龍頭企業參與共建并建立長期合作關系。

（二）專業建設持續進步

交通運輸專業和交通設備與控制工程專業先后獲批2019 年和2020 年國家一流專業建設點，開放創新實驗平臺的建設，為專業發展提供堅實的支撐，有力推動了專業跨越式、內涵式發展。

（三）人才培養質量穩步提高

近幾年，實驗平臺在課程實驗、畢業設計、學科競賽和創新創業教育等方面發揮了重要作用，依托該平臺，學院本科生100%參加創新創業教育活動，取得了連續三年獲中國“互聯網+”大學生創新創業大賽金獎、銀獎及連續四年獲全國交通科技大賽和全國“互聯網+交通運輸”大賽一等獎、獲湖南省技術發明一等獎（排六）等好成績。

四 結束語

本文立足交通運輸類一流專業建設的實踐，以中南大學交通運輸工程學院開放創新實驗平臺的建設為例，立足前沿探尋實驗室開放融合新理念、虛實結合探索服務師生需求新方法和整合內外資源探索實驗室融合共建新機制，為學生提供了一個深度開放、高度自治和直面真實交通大系統環境和真實交通問題的自主創新實驗平臺，在培養學生綜合運用多學科知識和創造性思維解決復雜交通問題的能力方面發揮了重要作用，促進了交通運輸類專業實踐教學高質量發展。