交通工程專業(yè)開展虛擬實驗教學的實踐途徑

侯曙光，顧海燕

（南京工業(yè)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(xù)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(chuàng)新思維、實踐能力、凝練問題、分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)，有著不可或缺的作用。隨著信息化技術的發(fā)展和深入，虛擬仿真實驗成為了現(xiàn)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(xiàn)實、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)庫、多媒體、人機交互等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，利用足夠逼真的實驗環(huán)境為學生提供實踐教學幫助，體現(xiàn)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(xiàn)代化的實驗教學進程，為高等教育發(fā)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(chuàng)新思維，在這種大背景下，傳統(tǒng)教育歸一性、計劃性教學管理模式需與現(xiàn)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(yǎng)要求，為學生提供一個充分發(fā)揮自主性、創(chuàng)新性的學習環(huán)境，形成專業(yè)布局合理、教學效果優(yōu)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(jīng)濟發(fā)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(yè)實驗教學一種新手段。

一 交通工程專業(yè)傳統(tǒng)實驗教學現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的高校實驗教學采用的方式是集中教學，統(tǒng)一模式，內容更新?lián)Q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(fā)展嚴重脫節(jié)，教學實驗無法達到實踐能力培養(yǎng)、創(chuàng)新精神培育的目標，極大降低了實驗教學的功能發(fā)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(jīng)費受限，實驗設備與學生人數(shù)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(yè)發(fā)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(wǎng)絡等先進技術的發(fā)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(fā)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(chuàng)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(fā)展相背離。

（二） 實驗教學模式與專業(yè)發(fā)展速度有差距

傳統(tǒng)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(fā)展，交通工程專業(yè)的工程實踐相關理論知識的發(fā)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(xiàn)有理論知識的過程中經(jīng)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(shù)與教師人數(shù)不相匹配

隨著社會的發(fā)展，各大高校的招生數(shù)量逐年增加。于交通工程專業(yè)時下屬于熱門專業(yè)，生源質量優(yōu)良，數(shù)量眾多，但是部分高校尤其是省屬高校交通工程專業(yè)由于發(fā)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(jù)學生實際數(shù)量來配備相應的教師團隊、更新實驗設備，經(jīng)常出現(xiàn)一個教師指導數(shù)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(yè)開展虛擬仿真實驗教學的途徑

與傳統(tǒng)的實驗教學相比，高校虛擬仿真實驗具有無可比擬的優(yōu)越性，它解決了傳統(tǒng)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(xiàn)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(jīng)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(lián)網(wǎng)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(tǒng)模式，無需依附于理論課程，依據(jù)實驗技術自身的系統(tǒng)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(tài)[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(wǎng)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(xiàn)場熟悉交通工程專業(yè)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(huán)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(lián)網(wǎng)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(xiàn)。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(yè)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(yōu)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(xiàn)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(huán)節(jié)，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(chuàng)造自主、寬松的學習環(huán)境和自由、和諧學習氛圍，注重培養(yǎng)學生的社會責任感、創(chuàng)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(fā)學生的學習興趣和潛能，增強學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力，學會發(fā)現(xiàn)問題，善于提出問題，培養(yǎng)學生面對交通工程專業(yè)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(fā)學生的學習動力，更新學生的知識資源，提升創(chuàng)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(xiàn)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(xiàn)實驗教學內容的整體優(yōu)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(tǒng)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(yè)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(yè)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(yǎng)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(yǎng)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(xiàn)場講解視頻、微課、網(wǎng)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(yè)知識資料庫（規(guī)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(xiàn)教學方式個性化，因材施教。學生可根據(jù)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(yǎng)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(yè)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(chǎn)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(jīng)濟和行業(yè)發(fā)展發(fā)展對交通工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，綜合考慮各學校專業(yè)特色，淘汰簡單驗證性、陳舊性項目，保留內容優(yōu)質、綜合性強的實體實驗教學項目。內容形式可以為創(chuàng)新實驗、演示型實驗，傳統(tǒng)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(yè)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(fā)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(xiàn)象，讓交通工程專業(yè)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(tǒng)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(xiàn)交互式、沉浸式實驗，充分發(fā)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(yè)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(jiān)測器分析車輛道路占有率等，培養(yǎng)學生學習的興趣，發(fā)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(yè)工作或者科學研究打下基礎。

（七） 虛擬仿真實驗的教學創(chuàng)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(lián)網(wǎng)+，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(jié)、采集信息，都完整的呈現(xiàn)給學生，這使得學生在對實驗前已經(jīng)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(tǒng)實驗教學改革、提升實驗教學質量、優(yōu)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(yè)學生素質教育與能力培養(yǎng)中不可或缺的一環(huán)，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(chuàng)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(fā)現(xiàn)現(xiàn)問題，從而培養(yǎng)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(yè)交叉融合，，實現(xiàn)資源優(yōu)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(chuàng)新能力的培養(yǎng)，真正體現(xiàn)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(yǎng)成效。