道路交通工程虛擬仿真項目的資源建設(shè)方案

陳 峻， 熊宏齊， 黃曉明， 程建川， 戚浩平

(東南大學(xué) a. 交通學(xué)院； b. 實驗室與設(shè)備管理處， 南京 210096)

道路交通工程虛擬仿真項目的資源建設(shè)方案

陳 峻a， 熊宏齊b， 黃曉明a， 程建川a， 戚浩平a

(東南大學(xué) a. 交通學(xué)院； b. 實驗室與設(shè)備管理處， 南京 210096)

以優(yōu)化道路交通工程類專業(yè)虛擬仿真項目的資源建設(shè)方案為目標，從支撐學(xué)生專業(yè)知識基礎(chǔ)、專業(yè)知識協(xié)同和前沿知識拓展3個方面提出了由“專業(yè)基礎(chǔ)類、綜合訓(xùn)練類、創(chuàng)新實踐類”組成的虛擬仿真項目分類設(shè)計要求。進而面向?qū)I(yè)基礎(chǔ)類模塊，提出以“虛實結(jié)合、實時交互”為主體的資源建設(shè)形式，面向綜合訓(xùn)練類模塊，提出“軟件下載—實驗項目過程演示—實驗環(huán)節(jié)設(shè)計—實驗結(jié)果提交—在線討論”的建設(shè)方法，面向創(chuàng)新實踐類模塊，提出多樣化實驗項目設(shè)計、支撐CDIO教學(xué)模式的建設(shè)思路。相關(guān)設(shè)計方案在東南大學(xué)國家級道路交通虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)中進行了應(yīng)用與實踐。

道路交通工程； 專業(yè)知識； 虛擬仿真； 資源建設(shè)； 方案設(shè)計

0 引 言

交通運輸是國民經(jīng)濟發(fā)展的基本需要和先決條件，在整個社會機制中起著紐帶作用。我國支撐交通運輸類人才培養(yǎng)的專業(yè)涉及交通運輸、交通工程、交通設(shè)備與控制工程、航海技術(shù)、飛行技術(shù)、船舶電子電氣工程、道路橋梁與渡河工程等專業(yè)(道路運輸、鐵路運輸、水路運輸、航空運輸?shù)?，具有明顯的學(xué)科知識交叉特性。其中，道路交通工程側(cè)重以人、車、路、環(huán)境為研究對象，以安全、高效、可持續(xù)發(fā)展為目標，進行城市和區(qū)域道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)優(yōu)化。相對其他專業(yè)而言，道路交通工程的教學(xué)實驗、實踐環(huán)節(jié)主要面向工程現(xiàn)場，各類交通設(shè)施造價高、建設(shè)周期長、危險程度高，研究領(lǐng)域系統(tǒng)性強，涉及橋梁、道路、交叉口、場站乃至交通網(wǎng)絡(luò)等多個方面，僅僅在實驗室內(nèi)難以完成專業(yè)人才實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，因此，如何系統(tǒng)性設(shè)計虛擬仿真實驗項目的總體架構(gòu)及教學(xué)資源，提升學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力，具有重要的意義[1-2]。

由于不同專業(yè)在知識、能力等方面的要求存在差異，因此虛擬仿真實驗項目的資源設(shè)計也各有側(cè)重[3-6]，如何將道路交通工程專業(yè)人才培養(yǎng)要求與虛擬仿真實驗的特點和功能相結(jié)合[7-9]，形成有針對性的資源分類架構(gòu)與途徑設(shè)計方案。

1 面向道路交通專業(yè)人才培養(yǎng)要求的虛擬仿真項目建設(shè)分類設(shè)計

結(jié)合國家工程教育專業(yè)認證標準和交通運輸類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標準要求，可以定位道路交通工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標為：掌握與時代相適應(yīng)的道路交通規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、管理全方位基本知識，具備面向交通實際問題解決的研究創(chuàng)新能力。如何面向?qū)I(yè)人才培養(yǎng)目標，對虛擬仿真項目的建設(shè)進行分類設(shè)計，從而最大化支撐學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的培養(yǎng)，是教學(xué)資源建設(shè)需要解決的基本問題。

(1) 基于人才培養(yǎng)知識主線架構(gòu)的虛擬仿真項目建設(shè)?！敖煌ㄏ到y(tǒng)”和“交通土建”是道路交通類專業(yè)人才應(yīng)掌握的基本專業(yè)知識[10-11]，其中：① “交通系統(tǒng)類課程”以數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)學(xué)建模與分析、運籌與管理為基礎(chǔ)，為學(xué)生系統(tǒng)性認識道路交通需求與供給的相互作用關(guān)系，并進行優(yōu)化設(shè)計、管理提供幫助；② “交通土建類課程”以測量、力學(xué)、材料等為基礎(chǔ)，為學(xué)生進行道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計與施工建造提供支撐。為此，虛擬仿真實驗項目的建設(shè)應(yīng)兼顧兩大類課程群的專業(yè)知識要求，作為總體框架設(shè)計的基礎(chǔ)。

(2) 面向交通系統(tǒng)“規(guī)劃—建設(shè)—管理”協(xié)同的虛擬仿真項目。當前，我國交通需求和供給呈現(xiàn)出快速演變的特性，對于交通系統(tǒng)的優(yōu)化與建設(shè)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，交通運輸行業(yè)正經(jīng)歷著由“側(cè)重交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”向“綜合交通系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、管理協(xié)同”的重大轉(zhuǎn)型，對專業(yè)學(xué)生知識和能力的培養(yǎng)也需要兼顧交通系統(tǒng)“前期分析規(guī)劃—中期設(shè)計建造—后期效能提升”等多個方面。因此，將道路交通工程的前期分析規(guī)劃、中期設(shè)計建造、后期管理控制方案以虛擬仿真實驗項目的形式分類進行設(shè)計，有助于在教學(xué)過程中訓(xùn)練學(xué)生分析復(fù)雜交通形態(tài)演變所產(chǎn)生的影響，多方案解決現(xiàn)實交通問題。

(3) 面向?qū)I(yè)學(xué)生前沿知識拓展的虛擬仿真項目。交通運輸類專業(yè)是一門系統(tǒng)理論和實踐并重且涉及多學(xué)科交叉的專業(yè)，現(xiàn)代道路交通專業(yè)技術(shù)呈現(xiàn)出“綠色交通、安全交通、智能交通”等多方向、精細化發(fā)展的重大轉(zhuǎn)變?？茖W(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及一系列前沿交叉學(xué)科在交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用，使得虛擬仿真實驗項目的資源設(shè)計也需要具備“開放式、多元化、可拓展性”的功能。

基于上述分析，本研究從支撐學(xué)生專業(yè)知識基礎(chǔ)、專業(yè)知識協(xié)同和前沿知識拓展3個方面提出由“專業(yè)基礎(chǔ)類、綜合訓(xùn)練類、創(chuàng)新實踐類”組成的虛擬仿真項目建設(shè)分類設(shè)計要求，相互對應(yīng)關(guān)系見圖1。

2 實現(xiàn)虛擬仿真項目資源建設(shè)的途徑設(shè)計

3種類型虛擬仿真項目支撐學(xué)生知識、能力要求對應(yīng)側(cè)重點不同，資源建設(shè)的實現(xiàn)途徑也各有側(cè)重。

(1) 專業(yè)基礎(chǔ)類虛擬仿真實驗項目資源。專業(yè)基礎(chǔ)虛擬仿真實驗?zāi)K圍繞道路交通工程類相關(guān)專業(yè)統(tǒng)一基礎(chǔ)課程平臺開設(shè)的基礎(chǔ)課程進行教學(xué)資源建設(shè)，主要面向?qū)I(yè)低年級學(xué)生設(shè)計，由交通土建類專業(yè)基礎(chǔ)課程模塊和交通系統(tǒng)類專業(yè)基礎(chǔ)課程模塊兩部分構(gòu)成，如圖2所示。

其中：① 交通土建模塊的實驗項目主要針對兩條線，即“工程測量”對應(yīng)的道路“幾何設(shè)計”類以及“工程力學(xué)、工程材料”對應(yīng)的后續(xù)路基路面工程、橋梁工程、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理等課程，開設(shè)上述虛擬仿真實驗，旨在讓學(xué)生完整、高效地掌握“幾何設(shè)計”和“結(jié)構(gòu)設(shè)計”類課程的知識和技能；② 交通系統(tǒng)方向的實驗項目主要面向“交通調(diào)查、交通工程基礎(chǔ)、交通分析”等專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過開發(fā)交通參數(shù)自動識別的軟硬件設(shè)備及交通流基礎(chǔ)理論模型的應(yīng)用軟件，訓(xùn)練學(xué)生對速度、流量、密度等交通系統(tǒng)運行的關(guān)鍵參數(shù)采集、檢測和分析能力。

專業(yè)基礎(chǔ)類虛擬仿真的項目建設(shè)以側(cè)重各具體知識點的掌握以及對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)獲取的相關(guān)儀器設(shè)備功能掌握為目標，由于知識點多、內(nèi)容離散，實驗項目應(yīng)具備“可操作性強、直觀性和展示度強”的特點。因此，該類實驗資源建設(shè)的實現(xiàn)途徑以“虛實結(jié)合、實時交互”為主體[12]，學(xué)生在線登錄教學(xué)平臺后，面向各類專業(yè)基本知識點，可通過輸入不同的參數(shù)，分析輸出結(jié)果的變化規(guī)律?；蛘咴诰€了解各種實體實驗儀器設(shè)備的使用功能、操作流程和實驗步驟。

以我校設(shè)計的“道路邊坡穩(wěn)定分析的虛擬仿真試驗”為例(見圖3)，將極限平衡方法和強度折減有限元方法應(yīng)用于道路邊坡穩(wěn)定分析，學(xué)生可在線選擇不同力平衡分析算法，輸出不同強度折減有限元方法的邊坡失穩(wěn)滑動變化參數(shù)，直觀掌握邊坡穩(wěn)定的分析方法。

(2) 綜合訓(xùn)練類虛擬仿真實驗項目資源。綜合訓(xùn)練虛擬仿真實驗項目資源建設(shè)應(yīng)覆蓋交通運輸系統(tǒng)“規(guī)劃、設(shè)計、建造、管控”等全過程的專業(yè)主干課程知識點及相關(guān)實踐環(huán)節(jié)要求，主要面向?qū)I(yè)中、高年級學(xué)生進行設(shè)計。其中：交通系統(tǒng)類虛擬仿真項目資源側(cè)重訓(xùn)練學(xué)生宏觀交通網(wǎng)絡(luò)和微觀交通基礎(chǔ)設(shè)施的模擬分析與優(yōu)化設(shè)計能力；交通土建類的實驗項目資源側(cè)重道路與橋梁工程“幾何設(shè)計”和“結(jié)構(gòu)設(shè)計”類課程綜合能力的提升。

綜合類訓(xùn)練項目側(cè)重面向?qū)嶋H工程問題進行虛擬環(huán)境的構(gòu)建，具有“仿真環(huán)境建設(shè)復(fù)雜度大、實驗項目環(huán)節(jié)多、前后關(guān)聯(lián)性強、系統(tǒng)軟硬件運行環(huán)境要求高”等特點[13]，通常需要借助于大型專業(yè)模擬仿真軟件(或基于專業(yè)軟件的二次開發(fā))進行項目設(shè)計和教學(xué)資源建設(shè)，因此不宜完全采用在線實時參數(shù)輸入、輸出的項目建設(shè)形式，可以通過“軟件下載—實驗項目過程演示—實驗環(huán)節(jié)設(shè)計—實驗結(jié)果提交—在線討論”的方法加以實現(xiàn)。

以城市道路網(wǎng)絡(luò)宏觀交通模擬分析項目為例(見圖4)，虛擬仿真模塊以我校自主研發(fā)的“Transtar-交通仿真模擬分析”軟件和國外權(quán)威軟件TransCAD為基礎(chǔ)，實驗由“城市道路網(wǎng)絡(luò)空間模型構(gòu)建、交通出行生成預(yù)測、交通分布預(yù)測、創(chuàng)新方式劃分預(yù)測、交通分配與網(wǎng)絡(luò)評價”等5部分共同構(gòu)成，學(xué)生通過虛擬仿真項目各個環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)與操作，可將真實的城市道路交通系統(tǒng)抽象為空間模型，并分析交通需求與網(wǎng)絡(luò)供給的相互作用關(guān)系，仿真實際道路、交叉口的交通運行質(zhì)量，為優(yōu)化方案設(shè)計提供仿真支持。

(3) 創(chuàng)新實踐類虛擬仿真實驗。創(chuàng)新實踐類虛擬仿真實驗項目(見圖5)設(shè)計以服務(wù)專業(yè)學(xué)生前沿知識的探索為目標和導(dǎo)向，側(cè)重提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。實驗項目可以采用多樣化的建設(shè)形式，項目資源主要可以來源于專業(yè)學(xué)生每年的課外研學(xué)項目、參與的教師科研項目、科技競賽項目以及畢業(yè)設(shè)計項目。

這類項目的設(shè)計以學(xué)生為主體，學(xué)生在課堂教學(xué)以外進行各種工程項目的構(gòu)思、方案設(shè)計、優(yōu)化實現(xiàn)以及工程項目實施完成后效能優(yōu)化和分析評價，各個環(huán)節(jié)均可以廣泛使用虛擬仿真，使虛擬仿真成為工程實踐教學(xué)模式CDIO[構(gòu)思(Conceive)-設(shè)計(Design)-實現(xiàn)(Implement)-運作(Operate)]重要訓(xùn)練手段[14-16]。

我校道路交通虛擬仿真創(chuàng)新實踐類實驗項目主要來源于專業(yè)教師承擔的國家973、863計劃課題、自然科學(xué)基金項目等高水平基礎(chǔ)科研項目和工程應(yīng)用項目的成果轉(zhuǎn)化(20多項交通類軟件著作權(quán)開發(fā)、專業(yè)軟件二次開發(fā)等)，涉及工程數(shù)據(jù)采集、道路設(shè)計、橋梁設(shè)計、交通需求大數(shù)據(jù)分析與處理、綜合交通設(shè)施規(guī)劃設(shè)計創(chuàng)新性方案的制定與評價、復(fù)雜交通系統(tǒng)環(huán)境下的運行組織優(yōu)化與智能化發(fā)展等多個方面，為培養(yǎng)學(xué)生了解前沿問題和工程實踐問題、拓展專業(yè)視野、激發(fā)專業(yè)興趣和創(chuàng)新能力發(fā)揮了重要的作用。

3 結(jié) 語

虛擬仿真實驗教學(xué)為學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力的提升提供了新的模式，如何將其與專業(yè)人才培養(yǎng)的特色要求相結(jié)合，發(fā)揮實驗教學(xué)資源的效用是其中需要解決的關(guān)鍵問題。本研究以道路交通工程專業(yè)為研究對象，基于專業(yè)知識架構(gòu)要求提出虛擬仿真實驗項目的分類方法，分析了3種類型各種的項目資源建設(shè)特點，并針對性提出相應(yīng)的實現(xiàn)途徑，相關(guān)設(shè)計方案在東南大學(xué)道路交通工程虛擬仿真實驗教學(xué)中進行了應(yīng)用，取得了良好的效果。

[1] 教育部高等教育司．關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知：教高司函(2013) 94號[EB/OL]. (2013-08-13) [2014-06-02]. http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[2] 王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實驗室研究與探索, 2013, 32(12) :5-8.

[3] 陳新兵，龍曉莉，謝陳躍，等.電工電子虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)探索[J]. 中國教育信息化, 2014(21):45-47.

[4] 雷 冬，朱飛鵬，殷德順，等.力學(xué)虛擬仿真教學(xué)實驗室建設(shè)的探討[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2014，31(12):95-96.

[5] 徐 明，劉 艷，陸金鈺，等.土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)資源的建設(shè)[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2015,32(12):116-119.

[6] 吳 涓，孫岳明，雷 威，等. 東南大學(xué)機電綜合虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)規(guī)劃思路與進展[J].實驗技術(shù)與管理,2014,31(10)：5-9.

[7] 高曉星.淺析虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)與應(yīng)用[J].信息系統(tǒng)工程, 2015(12):160.

[8] 李 平，毛昌杰，徐 進．開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):5-8.

[9] 狄海廷， 李耀翔， 辛 穎.虛擬仿真實驗室資源共享模式[J]. 實驗室研究與探索, 2105,34(12):148-151.

[10] 陳 峻,王 煒.高水平學(xué)科支撐的交通運輸類本科人才專業(yè)知識體系架構(gòu)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J]. 高等教育研究,2014,31(2):57-59.

[11] 陳 峻,王 煒,黃曉明.優(yōu)勢學(xué)科與本科專業(yè)協(xié)調(diào)建設(shè)的研究與實踐[J].東南大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版),2016,18(S1):162-163.

[12] 田 豐.虛擬實驗與真實實驗的整合研究[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2005(11):89-92.

[13] 李云程.模擬仿真實驗研究[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù),2010,20(6):132-134.

[14] 胡文龍.基于CDIO的工科探究式教學(xué)改革研究[J]. 高等工程教育研究, 2014(1) :163-168.

[15] 蔡 靖.基于CDIO的“高等土力學(xué)”課程實驗教學(xué)改革[J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(3):296-298.

[16] 李善壽.“CDIO”工程教學(xué)模式在實踐教學(xué)中的實施方法研究[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報,2010(20):164-166.

Study on Resource Construction Methods of Virtual Simulation Project of Road Traffic Engineering

CHENJuna,XIONGHongqib,HUANGXiaominga,CHENGJiancuana,QIHaopinga

(a. School of Transportation； b. Laboratory and Equipment Management Division, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In order to optimize the for resource construction method of road traffic engineering’s virtual simulation project, this paper puts forward the basic training, comprehensive training and innovation practice classification modes to support the requirements or students’ professional basic knowledge, professional collaborative knowledge and advanced knowledge. With the type of basic training modular, we propose the use of virtual-reality combination and real-time interaction method as the main form of resource construction. With the comprehensive training modular, we suggest to use the series links of "software download-experimental project demonstration-experimental project release-experimental results submitted and online discussion" to design the of virtual simulation projects. With the innovation practice modular, we need to diversify the types of virtual experimental projects to support the CDIO teaching modes. The related design methods have been applied to Southeast University’s National Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Road Traffic Engineering.

road traffic engineering; professional knowledge; virtual simulation; resource construction; design method

2016-08-19

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目(PPZY2015B148)。江蘇省高等教育教改項目“交通運輸工程優(yōu)勢學(xué)科與特色專業(yè)協(xié)調(diào)建設(shè)的資源轉(zhuǎn)換與共享研究”(2013JSJG014)

陳 峻(1972-)，男，江蘇無錫人，博士，教授，博導(dǎo)，交通學(xué)院副院長，研究方向：交通運輸規(guī)劃與管理，高等教育研究。

Tel.：025-83795641，13913945222； E-mail: chenjun@seu.edu.cn

U 49； G 642.0

A

1006-7167(2017)04-0098-05