基于科教融合的交通工程精品實驗建設與實踐

［摘 要］ 為實現培養目標中“能設計及運用現代交通儀器和信息技術對復雜交通工程問題分析和模擬計算”的交通工程專業畢業要求，須利用科教融合手段設計實驗方案和構建實驗系統，達到“兩性一度”的標準要求。以“不同能見度對駕駛安全影響實驗”精品實驗項目建設為例，介紹了以復雜科研實驗萃取為教學實驗項目的基本原則，以先進科研裝備為手段，遴選科研實驗、結合開放實驗到最后成功應用至實驗教學等環節。實踐證明，科教融合的實驗教學對學生的人格素養和創新能力培養具有積極作用，學生評教調查表明，基于科教融合的實驗教學具有挑戰性，能夠激發學生深度思考，取得優秀的教學效果。

［關鍵詞］ 科教融合；精品實驗；交通工程實驗；創新能力

［基金項目］ 2022年度同濟大學第十五期精品實驗建設項目“能見度對駕駛行為和交通安全的影響分析實驗”（1600104153）

［作者簡介］ 毋妙麗（1971—），女，山西運城人，工程碩士，同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室高級工程師，主要從事基于虛擬駕駛平臺的實驗教學及管理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）10-0005-04 ［收稿日期］ 2023-01-05

引言

聯合國教科文組織于2022年5月18日至20日召開第三屆世界高等教育大會，提出重塑高等教育的理念與實踐，以培養學生探究式、批判性思維和創造力作為塑造高等教育未來六項原則之一［1］。結合交通工程專業“交通強國”國家戰略，高校須培養具有交叉學科知識背景、國際化視野、寬廣的專業內涵、與時俱進的復合型創新人才［2］。在此背景下，實驗室充分發揮同濟交通學科優勢，在多年實驗教學和實踐環節中，緊跟培養目標、畢業要求、課程體系的變化，結合科教融合開設了系列實驗項目［3］，作為培養學生認識工程問題、解決復雜交通工程問題能力的重要手段。

將人—車—路—環境所形成的復雜的交通系統工程作為對象，以實際交通問題為案例，使學生深刻理解交通系統中各個因素之間的關系和各因素對道路安全存在的隱患，引導學生思考如何解決問題。本文以“交通工程實驗”課程中“不同能見度對駕駛安全影響實驗”精品實驗項目建設為例，通過實驗分析交通環境因素之一，即天氣變化（霧的濃度）對駕駛員的行為影響，闡述了將科研實驗萃取為教學實驗能夠成功地將相關科研成果滲入課內的實驗項目，為其他類似案例提供參考。

一、以萃取科研實驗為課內實驗的基本原則

傳統意義的科教協同，通常是指大學與科研院所的相互配合、協同育人，通過發揮雙方優勢，提高人才培養質量［4］。本文主要探索將實驗室的科研成果應用在本科實驗教學中對學生能力培養的作用?？蒲袑嶒炛蹖W術前沿和實際工程需求，應用在本科生的實驗和實踐課堂中，須對實驗項目進行遴選和萃取，明確實驗項目的重點，選擇適合的實驗內容和方法，理論結合實踐，促使實驗與教學效果相得益彰，從而建設成精品實驗。為保障課內實驗能有效完成，遴選和萃取時要把握一個“度”。根據近幾年的實踐和學生的綜合評價，以“不同能見度對駕駛安全影響實驗”為例，總結從科研實驗延伸至課內實驗教學的基本原則。

（一）實驗設計新穎，符合教學內容的原則

科研項目實驗具有前瞻性和實用性的特點，加之設備先進，應用在實驗教學中大大拓寬了學生的視野。先進實驗裝備是學生施展能力的重要舞臺，在此基礎上設計的實驗項目具有新穎性，能吸引學生的興趣。該實驗項目基于實驗室內國際先進的8自由度駕駛模擬平臺開展，平臺集電子技術、通信技術、交通、汽車及機械等專業知識于一體，方便學生直觀了解交叉學科在本專業的應用。實驗克服了傳統只在課上進行理論知識講解的弊端，學生可以通過親身體驗，感受環境變化對駕駛員的駕駛行為及心理影響，理解人—車—路—環境之間的耦合關系，根據理論知識結合工程應用更能體現實驗的新穎性。

（二）實驗項目設計符合“兩性一度”原則

科研實驗反哺本科教學的綜合性實驗能有效地滿足實驗的“兩性一度”標準，但在萃取本科實驗時還要把握住“度”，難度太高學生掌握不了，難度太低又會變成演示實驗?！皟尚砸欢取笔墙逃扛辈块L吳巖提出的“金課”標準，即高階性、創新性、挑戰度［5］，也是對實驗教學的至高要求。

實驗設計的高階性，要從實驗目的、實驗性質和學生能力培養上考慮，結合開放創新實驗，完成場景設計—實驗分工—平臺駕駛—數據提取—分析數據—報告等步驟，有效訓練了學生解決復雜問題的綜合能力。創新性主要體現在實驗內容和實驗手段上，實驗內容以科研項目為依托，萃取時須反映前瞻性和創新性。如“不同能見度對駕駛安全影響實驗”以國際最先進的8自由度駕駛模擬平臺為實驗手段，保障了實驗項目的先進性和師生之間的互動性，在不同實驗階段也體現了實驗的探究性和個性化創新。實驗設計的挑戰度則遵從學生培養的共性基礎+個性發展需求。個性化實驗設計服務學生參與創新實驗及交通科技大賽等，具有一定的挑戰度，學生應進行文獻閱讀，采用不同手段深入思考問題，從而有效地提高綜合素質。

（三）實驗設計體現能力培養公平性原則

實驗教學的公平性表現在既要普遍受益，又要體現因材施教，即共性基礎+個性發展。課上的實驗教學內容，要保障絕大多數學生可以完成，保障“共性基礎”能力的培養；對學有余力的學生可選更深層次的實驗內容，亦可向學生提供課后開放實驗和科創實驗的“個性發展”需求。實驗指導教師的認真挖掘及合理設置，均要滿足實驗教學項目的共性基礎和個性發展的設計需求。

二、科教融合的交通工程精品實驗項目建設實踐

交通工程傳統實驗主要由交通調查、交通規劃、交通控制及交通設計等部分組成，實驗項目多采用現場交通調查、交通仿真軟件等手段進行［6］。近年來，道路交通事故的產生對民眾的生命安全和財產損失影響巨大，如何分析影響因素、評價事故安全與預測和預防事故，如何仿真事故并通過駕駛模擬行為分析事故，已成為道路交通安全的研究趨勢與熱點問題［7］。“不同能見度對駕駛安全影響實驗”項目的出發點緊跟交通行業需求，從實驗準備到實驗報告，遵從“現象—問題—理論—思考—結論”幾個階段，以高速公路濃霧天氣駕駛為實驗環境，在不同的位置設置觸發器，模擬現實的天氣環境變化場景。為增加實驗的可比性，須要進行兩段道路環境變化設置，即無霧—淡霧—無霧—濃霧。

（一）前沿設備保障了實驗內容前瞻性

道路與交通工程教育部重點實驗室8自由度駕駛模擬平臺是目前國內最先進的模擬器，由8自由度運動系統、視景系統、聲音系統、數據采集系統、操作及反饋系統、安全控制系統組成，能高逼真度模擬車輛駕駛的過程，是將先進科研設備應用在本科實驗教學的成功案例。通過對設備的了解和使用，學生可了解交通領域的前沿設備及交叉學科對傳統交通工程的支撐和推動，拓寬了學生的國際視野，同時，實驗的前瞻性會為學生的進一步深造打下基礎。

（二）科教融合拓展了精品實驗的深度和廣度

十余年來，百余項道路安全與駕駛行為的實驗研究積累，為教學實驗打下了堅實的基礎。從不同層面進行提煉和萃取，從開放實驗和創新實驗試點，根據學生的反饋不斷對實驗方案的深度和廣度進行優化，確保教學在規定的實驗學時內完成。實驗能夠彌補僅通過仿真軟件，如Paramics、VISSIM等模擬交通問題的不足，且在逼真的場景里駕駛車輛，重復開展現實生活中無法進行的實驗。通過實驗及分析可以幫助學生為其今后從事道路應急組織、優化道路交通事故處理機制提供科學的研究方法。對實驗的內涵和外延進行進一步拓展與探索，如在數據分析時考慮實際科研實驗樣本需求，借鑒相關文獻考慮多樣性的樣本對駕駛行為的影響等。

（三）實驗設計體現了個性和共性需求

“不同能見度對駕駛安全影響實驗”項目在實驗不同階段對應的學生能力培養見圖1示意。以掌握實驗設備原理及基本操作、設置道路場景等為共性基礎，需要所有學生能夠使用模擬軟件設置環境變化的觸發條件及分組分工駕駛；為滿足學生的個性化需求，結合生理儀器對駕駛車輛數據和生理反應數據綜合處理，進一步深化實驗方案、進行數據清洗并精確分析駕駛行為。個性化需求不是實驗內容的強制要求，而是作為拓展實驗，即在課后進行的創新開放實驗。

三、精品實驗建設成效

基于科教融合的不同能見度駕駛行為實驗，彌補了純理論教學的不足，將工程實踐和實驗教學進行了深度融合。學生通過6個學時的實踐，不僅掌握了國際先進儀器在本專業的應用，直觀感受了不同天氣條件下的駕駛，而且建立了安全駕駛的意識。同時，在課程講授過程中，教師會結合科研實驗所遇到的困難與學生分享，使學生認識到在科學研究過程中遇到的各種難題都可通過科學的方法逐步解決，這種融于課堂的德育教育，能夠潛移默化地影響學生的價值觀，使學生受益終身。連續三年，學生對實驗進行了評教，評教分值分別為9.9、9.7和10分（總分10分）。精品實驗建設成效主要體現在以下幾個方面。

（一）激發了學生的實驗興趣

以工程應用或前沿研究為對象設置實驗項目，能夠極大地激發學生的好奇心和學習興趣。針對大學生埋頭于理論知識學習的情況，實驗項目可以讓學生了解科研項目的整體過程，盡管教學實驗的深度和廣度遠達不到科研項目的要求，但基于該科研平臺能夠結合開放實驗進行相關問題的深度探索。以小組為單位，各自又有不同的分工任務，能夠培養學生的團隊合作精神，且實驗報告要求小組成員選擇不同的角度進行分析，所以一次實驗相當于學生完成了多個項目。調查統計發現，94.7%的學生表示明確了實驗內容和目標，100%學生認為實驗教學方式和方法有特色，效果很好，89.8%的學生表示實驗激發了他們的學習興趣，促使他們深度思考。

（二）實驗新穎、有挑戰性，鍛煉了學生的綜合能力

實驗項目在科研實驗項目萃取時堅持了上述的原則，保障了實驗設計不流于形式，且在難度上把握了學生能在規定時間內完成。從實際工程中提取與理論知識關聯的部分，實驗前學生須查閱相關論文，收集實驗素材；在課上快速掌握場景建模及環境變化觸發設置；在8自由度模擬器中作為受試者，感受惡劣條件下的危險駕駛；在實驗結束后，教師引導學生對道路交通安全駕駛進行深入思考，根據實驗數據得出極端條件下的駕駛行為指導建議。實驗設計新穎但又受樣本限制，在統計分析、數據清洗、主客觀評價等方面具有一定挑戰性。在學生評教中，94%的學生認可實驗設計新穎，內容具有挑戰性。

（三）教學相長，提高素養

教學相長是師生兩個主體之間相互促進的過程。對于教師主體來說，通過將科研實驗分解應用于實驗教學環節，在教學過程和實驗報告中收到學生反饋，進行教學反思進而激發教師持續改進實驗設計，達到精品實驗的目標要求。在科教融合的多年探索實踐中，實驗報告的最后一項都是總結本次實驗心得和建議。從學生的反饋中，能體現出學生對科研反哺教學及先進設備應用在教學中的高度認可，也能反映出學生從實驗中學到的知識和做人道理。信息時代提供了知識獲取的便捷手段，一些反饋和有建樹的建議也許正是前期教師沒有考慮周全的地方，這個教學相長的過程更有利于實驗教學的改進和優化。調查顯示，87.6%的學生認為老師學養深厚，知識淵博；91.84%的學生反映老師能有效回答學生的提問。這個比例相對于其他選項來說偏低，體現了學生對教師的要求，也激勵教師不斷豐富知識結構，學習新技能以滿足實驗教學的需求。

結語

科教融合開設實驗改進了實驗教學內容和教學手段，為建設精品實驗項目、提升實驗教學質量提供了有效保障。結合近幾年的實踐、學生評教調查和學生對實驗的反饋意見進行綜合分析，驗證了將科研實驗萃取和提煉應用在本科實驗教學中，能有效激發學生的學習熱情和對專業知識的探索精神。在實踐過程中，將課內實驗和開放實驗相結合、共性和個性相結合、課程理論和工程應用相結合訓練了學生發現問題、分析問題，以及應用信息先進手段對復雜交通工程問題解決和模擬仿真的能力。2022年12月28日，鄭州由于團霧影響駕駛員能見度發生了重大交通事故，這是該實驗項目在現實中的一個鮮活例子。結合案例進行學習，將會為學生今后在行業部門制定相關氣象災害預警標準開辟新思路、引發新思考。

參考文獻

［1］吳巖.國際共識中國創新：準確把握新時代高等教育發展的著力點［J］.中國高教研究，2022（8）：7-10+23.

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［5］王香芬，萬博，黃姣英.面向“兩性一度”的實驗課程混合式教學實踐探索［J］.教育教學論壇，2022（6）：5-8.

［6］龍科軍，蔣陽升，梁衡弘，等.交通工程實驗指導書［M］.北京：人民交通出版社，2014：59-80.

［7］萬明，吳倩，嚴利鑫，等.道路交通安全研究的現狀與熱點分析［J］.交通信息與安全，2022（2）：11-20.

Construction and Practice of Superior Traffic Engineering Experiment Based on Combining Science Research with Teaching

WU Miao-li， WANG Yan-li， YANG Shuo， ZHANG Li-nan

（The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering， MoE， Tongji University，

Shanghai 201804， China）

Abstract： In order to reach the graduation goal of having the ability of designing and using modern traffic instruments and information technology to analyze and simulate complex traffic engineering problems， the experimental scheme and construct experimental system should be designed by means of combining science research with teaching. Taking the experiment on the influence of different visibility on driving safety as an example， the principle how to select the cases from complex research and using experiment as teaching experiment project is introduced. Using the advanced laboratory advanced equipment and lots of scientific research experiments， we select some cases from scientific research， and combine open experiments with application. Here we introduce. The practice proves the experimental teaching combining research and teaching did a positive power to adapt the students’ cultivation personality and innovation ability. The students’ evaluation of this course shows that it can inspire student to think deeply and the teaching result is outstanding.

Key words： combination of science research with teaching; superior experiment; experiment of traffic engineering; innovation ability