公路隧道運營安全虛擬仿真實驗教學實踐和思考

趙 顗，馬健霄，陸 濤

（南京林業大學汽車與交通工程學院 江蘇 南京 210037）

中華人民共和國教育部于2018 年發布關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知以及《教育信息化2.0 行動計劃》[1]，行動計劃強調加快面向下一代網絡的高校智能學習體系建設，其中示范性虛擬仿真實驗教學項目是高校智能學習體系建設的重要載體[2]。虛擬仿真實驗教學能實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，因此仿真場景或實驗內容通常具有涉及高危或極端環境、高成本、高消耗等特征[3]。

隨著我國公路網絡的逐步建成，公路運營時代已全面來臨，公路對綜合管理養護型人才的需求日漸增多。公路管養是需要大量實踐經驗的工作，公路隧道作為其中重要的組成部分，其運營安全要求更高，并且開展隧道運營現場實驗存在危險性、局限性、耗時長、不可逆、管理難等難點[4]。將虛擬仿真技術應用于公路隧道運營安全實驗，可有效降低實驗風險，提高實驗效率[5]。本實驗教學項目以培養隧道綜合管理養護型人才為目標，以隧道日常運營和事故處置兩類工作為特征，面向交通工程、交通運輸、道路工程等專業設計，滿足包括“交通工程設計”“道路交通安全”“道路養護管理”等課程的實驗需求。

1 公路隧道運營安全虛擬仿真實驗教學設計

1.1 虛擬仿真實驗教學目標設計

公路隧道運營安全虛擬仿真實驗設計包括隧道交通安全設施檢測、隧道交通事故現場處置及隧道交通事故現場勘查三個環節，通過各實驗環節和步驟的設計，力求實現以下教學目標：①以公路隧道作為載體，將多個知識點融會貫通，加深學生對公路設施體系中專業知識點的理解；②在三維場景中，以第一視角方式完成各項實驗步驟，倡導學生自主探索，提升學生的專業綜合實踐能力；③以問題為導向，將實驗需完成的教學內容按照隨機變量模型處理，激發學生的實驗興趣，幫助學生提高對工作環境的適應性；④通過多環節模擬，強化各環節間的關聯性，加深學生對道路交通事故隱患及其成因的認識[6]。

1.2 虛擬仿真實驗教學方法設計

實驗以虛擬仿真技術為依托，教學方法重點體現“綜合性、分環節、重實踐、重探究、多反饋”的特點[7]，實驗設置了大量操作反饋機制，以強化學生對操作的認識和理解，從而為公路隧道運營安全領域培養知識體系全面、實踐能力強的綜合性人才。實驗教學方法的實施過程主要體現在以下幾點：

①循序漸進、環環相扣的綜合性實驗環節設計。實驗設置的三個環節共同體現了對公路隧道運營安全人才培養的綜合性，同時也是隧道運營安全教學上的逐步深化。

②以學生為中心的探究型教學方法。以學生自主操作為主，每個實驗環節在設計時均提供實驗步驟和實驗指南，讓學生自主地研究實驗的具體方法并進行實驗；以學生為主體，讓學生在科學研究式的學習過程中，對平時不能直接感受的公路隧道交通安全設計以及交通事故現場的處理方法有直觀的了解，激發其學習熱情和創新意識。

③基于反饋機制的交互式教學模式。實驗設置了三重反饋機制，上層為環節內部操作中的反饋機制，中層是每個環節結束后的反饋機制，下層是前兩個環節之間的反饋機制。

④多維思辨的研討式教學方法。實驗在最終實驗報告中將評價結論和解決問題的方法提供給學生，讓學生指出優劣，并可對其實驗操作加以完善。在虛擬仿真實驗中還設置了討論專區，學生和教師可以根據實驗環節、實驗操作步驟以及實驗結果對實驗進行不斷改善。

1.3 虛擬仿真實驗方法與步驟

實驗以隨機生成的公路隧道模型為背景，通過隧道交通安全設施檢測、隧道交通事故現場處置、隧道交通事故現場勘查三個環節的實驗，培養學生對隧道交通安全的日常管理和應急管理能力。隧道交通安全設施檢測環節，學生依據所學知識以隧道養護人員視角對隧道內的交通安全設施進行巡檢，檢測隧道內交通安全設施可能存在的病害，并給出病害的處置措施；隧道交通事故現場處置環節，學生以交通管理者身份對隧道內交通事故現場進行分析，并給出交通事故的處置措施；隧道交通事故現場勘查環節，學生以交通警察的身份對交通事故現場進行物證采集、現場丈量等，并填寫勘查報告。

實驗項目由14 個步驟組成，具體包括：①動態參數內嵌式公路隧道模型；②隧道土建結構設施病害檢測；③隧道機電設施病害檢測；④隧道其他工程設施病害檢測；⑤隧道內交通設施缺失檢測以及病害的拍照取證；⑥提交檢測報告并反饋遺留病害可能誘發的交通事故類型；⑦基于交通安全設施檢測結果生成交通事故場景；⑧查看交通事故現場并填寫事故情況表；⑨在交通指揮中心進行交通事故處置；⑩進入隧道內交通事故現場進行交通處置；?提交環節報告并反饋交通事故處置的正確率；?交通事故現場攝影；?交通事故現場的物證拾取與事故測量；?填寫事故信息采集表并查看操作正確性。

1.4 虛擬仿真實驗考核要求

為完成本實驗所包含的教學內容，實驗者需完整了解隧道安全系統的組成內容，并掌握各組成部分的設計過程和設計標準；對隧道設施管養的內容具有深入的了解，依據相關標準規范對隧道內不同安全設施所存在的問題和嚴重程度進行劃分，并給出設施病害的相應處置方案；熟悉疏散節點、逃生路線、應急照明燈和消防設施的布設方法，掌握隧道內疏散的操作規程；掌握隧道交通事故現場勘查的基本內容和勘查方法。

要求學生獨立完成每個環節的各個功能，通過運行不同的參數結果進行公路隧道交通安全設施、運營安全檢測、應急處置、交通事故勘驗定責各實驗，并完成實驗報告。實驗報告包括實驗名稱、實驗內容、實驗結果（重要軟件界面及數據）以及實驗總結。

實驗評價分為過程性評價和形成性評價兩個部分：過程性評價側重操作規程和操作步驟的考查，過程性評價在評價體系中占比20%；形成性評價側重對實驗結果的考查，主要對照規范性、正確率等標準進行評價，形成性評價在評價體系中占比80%。

2 教學項目效果評價及改進計劃

公路隧道運營安全虛擬仿真實驗教學項目已接入江蘇省高等學校虛擬仿真實驗教學共享平臺，并提供教學服務，同時以平臺資源共享的方式提供給包括內蒙古大學、內蒙古農業大學在內的多所院校開放使用，并充分吸收各高校的反饋意見，對系統加以改進完善。同時，項目平臺還直接面向生產管理單位訴求，充分吸收了用人單位對人才培養的需求，并收集了用戶單位的使用反饋意見，使得項目未來開發面向的服務對象可以更加多元化，并直接應用于與公路安全生產相關的多個領域。

2.1 教學項目效果評價

綜合院校和生產管理單位的意見反饋，形成本教學項目的效果評價結論如下：

①教學項目體現行業需求。公路行業發展模式目前正處在由建設向管養過渡的窗口期，未來公路管養人才的缺口將顯著增加，培養公路綜合管理型人才具有重要意義。

②實驗項目模型架構合理，場景預設真實。實驗按三環節設計，不同環節體現不同公路管理人才工作的需求特征，分別對應道路管理工程師、道路養護工程師、道路交通警察等，不同環節既相互獨立又相互關聯，除場景相同外，各環節的上一層應用也會直接影響下一層應用，并相互制約。

③教學過程以學生為主體，評價結果以學習為導向，可促進學生對知識點的掌握。實驗在實施過程中體現以學生為主體的探究型實驗教學理念，采用基于反饋機制的互動教學模式，結合多維思辨的研討式教學方法，教學效果顯著，受益面大。實驗評價分為過程性評價和形成性評價兩個部分，兩種評價相結合，促進學生對知識點的掌握。

④虛擬實驗成果是傳統教學的有益補充，可提高學生的學習主動性。虛擬仿真實驗教學實現了實驗教學的線上交互，改善了傳統教學“填鴨式”的教學方式，強調教學的研究性與互動性。另外教師可以通過管理系統進行實驗參數預設、實驗教學信息發布、網絡實驗教學評價，而學生則可以進行實驗預習、實驗自測、實驗報告提交、討論，實現實驗教學的線上交互，有效提高學生學習的主動性。

2.2 教學項目改進計劃

針對公路隧道運營安全虛擬仿真實驗教學項目的建設階段和反饋意見，未來本教學項目將從以下方面進行改進：①加大對本項目的投入，豐富實驗設計，完善保障機制，加強實驗交互式參數的開放性功能設計，強化學生的自主學習和創新實踐能力，完善多樣化的公路隧道運營場景，豐富交通虛擬仿真的多情景環境架構和實驗參數設計；②配合有相關實驗需求的高校或企業，編制負荷相應需求的教學指導書，并組織討論形成教學大綱以及成績考核方法，共同提升交通運輸類專業學生的關鍵知識點掌握和綜合實踐能力，助力人才培養；③本項目將面向各高校，尤其是西部高校免費開放并提供教學服務，同時，學校將進一步加強與專業軟件設計公司協作，通過合理優化與改進，深入應用本項目的成果，通過線上線下結合的教學方式，打造滿足更廣泛社會應用需求的多元化平臺，以滿足不斷提升的人才培養需求。

3 結語

公路隧道運營安全虛擬仿真實驗教學項目的建設取得了顯著成果。通過虛擬仿真技術的應用，項目成功解決了真實實驗存在的環境限制、時間和成本等問題。然而，隨著教學項目的不斷擴展和發展，還需進一步加強實驗的深化設計，加強資源共享和合作，進一步推廣項目成果，以滿足不斷提升的人才培養需求和行業人才需求。