地方院校交通運(yùn)輸專業(yè)虛擬仿真實驗項目設(shè)計*

□ 趙魯華，劉海青，王建春

(山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590)

工程教育要求培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力與多學(xué)科知識綜合運(yùn)用的能力，培養(yǎng)實用型、創(chuàng)新型、綜合型人才[1]；卓越工程師教育培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)具有戰(zhàn)略眼光和前瞻意識，能夠滿足未來發(fā)展需求，適應(yīng)和引領(lǐng)未來工程技術(shù)發(fā)展方向的工程師[2]。交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展既需要掌握專業(yè)基礎(chǔ)理論知識，又需要掌握機(jī)械、計算機(jī)、大數(shù)據(jù)、通信、管理、經(jīng)濟(jì)等知識的人才；既具有較強(qiáng)的工程實踐能力，又具有創(chuàng)新能力的綜合素質(zhì)高的人才。這些教育及行業(yè)發(fā)展需求，對學(xué)生的實踐實驗?zāi)芰?、?chuàng)新能力、知識的學(xué)習(xí)及應(yīng)用能力等方面提出了更高的要求，從而也需要專業(yè)具有更好的實踐實驗教學(xué)資源。而地方院校的交通運(yùn)輸專業(yè)多數(shù)不是依托交通相關(guān)學(xué)科建設(shè)的，專業(yè)資源基礎(chǔ)薄弱，缺乏實驗設(shè)備或者實驗設(shè)備陳舊，不能滿足學(xué)生的實驗教學(xué)需求。

以山東科技大學(xué)為例，學(xué)校的建設(shè)目標(biāo)是建成以工科為主導(dǎo)，特色鮮明的高水平應(yīng)用研究型大學(xué)；學(xué)校交通運(yùn)輸專業(yè)的培養(yǎng)方向是以運(yùn)輸組織、規(guī)劃管理為主。基于教育及交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展需求、學(xué)校及專業(yè)發(fā)展特點，除了要教授學(xué)生扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識外，還要著重培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、交通協(xié)同管理能力、交叉學(xué)科知識學(xué)習(xí)能力以及計算機(jī)、信息技術(shù)應(yīng)用等能力(圖1)。這些能力的培養(yǎng)既需要健全的課程體系及良好的課堂教學(xué)效果來支撐，也需要有效的實踐實驗環(huán)節(jié)的支撐。而目前僅有載運(yùn)工具等有關(guān)交通設(shè)施的實驗設(shè)備難以滿足專業(yè)培養(yǎng)需求。虛擬仿真實驗技術(shù)的發(fā)展為交通運(yùn)輸專業(yè)實驗項目的開展提供了很好的技術(shù)條件[3]。因此，本文以山東科技大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)為例，基于專業(yè)發(fā)展特點，探討地方院校交通運(yùn)輸專業(yè)虛擬仿真實驗項目的構(gòu)建，對提高地方院校交通運(yùn)輸專業(yè)的實驗培養(yǎng)質(zhì)量，提升學(xué)生的實踐、創(chuàng)新等能力具有積極的意義。

1 地方院校交通運(yùn)輸專業(yè)虛擬仿真實驗需求分析

山東科技大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)從2004年開始招生，專業(yè)最初是由礦業(yè)與安全工程學(xué)院建設(shè)。近幾年為了適應(yīng)地方行業(yè)的發(fā)展需求及學(xué)校的發(fā)展規(guī)劃，該專業(yè)進(jìn)行了三次培養(yǎng)計劃的修訂。在2018版培養(yǎng)計劃中主要有兩個變動：一是根據(jù)青島市軌道交通發(fā)展需求，增加了軌道交通運(yùn)營管理方向；二是基于提升學(xué)生實踐實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)需求，在《交通運(yùn)輸設(shè)備》、《運(yùn)籌學(xué)》、《運(yùn)輸組織學(xué)》、《旅客運(yùn)輸組織》、《貨物運(yùn)輸組織》、《交通管理與控制》、《交通系統(tǒng)仿真》、《汽車運(yùn)用工程》、《智能交通系統(tǒng)》等專業(yè)課中新增加了實驗學(xué)時。本專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)仍然是以運(yùn)輸規(guī)劃，組織管理為主，主要涉及到軌道交通、公路交通，學(xué)生就業(yè)及考研專業(yè)也涉及航空運(yùn)輸及港口運(yùn)營方面，這些知識在專業(yè)課程中都有體現(xiàn)。

近幾年學(xué)校加強(qiáng)了對實驗室建設(shè)的投入。學(xué)校交通學(xué)院的智能交通實驗室、計算機(jī)模擬信息中心、虛擬仿真實驗室已初具規(guī)模。目前智能交通實驗室開設(shè)的實驗包括城市交叉口信號配時、交通控制、交通流模擬等；計算機(jī)模擬信息中心面向全院四個專業(yè)，主要提供學(xué)生課程上機(jī)實驗；虛擬仿真實驗中心目前開設(shè)的實驗是汽車模擬駕駛，學(xué)生可以搭建交通場景，進(jìn)行駕駛行為模擬分析。雖然學(xué)院的實驗條件有了一定的改善，但是難以滿足交通運(yùn)輸專業(yè)的實驗需求。交通運(yùn)輸專業(yè)實驗室設(shè)備陳舊，學(xué)生可以動手實踐，能進(jìn)行開發(fā)設(shè)計的實驗項目較少。因此急需要進(jìn)行實驗項目的開發(fā)設(shè)計及相應(yīng)設(shè)施的建設(shè)。

交通運(yùn)輸系統(tǒng)是由固定設(shè)施系統(tǒng)、移動設(shè)備系統(tǒng)、運(yùn)輸組織與管理系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜大系統(tǒng)，涉及到眾多行業(yè)領(lǐng)域。運(yùn)輸設(shè)施的建設(shè)過程不可逆，運(yùn)輸生產(chǎn)過程具有連續(xù)性、多環(huán)節(jié)、高風(fēng)險、跨時空等特點[4-5]。而虛擬仿真實驗教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互等技術(shù)，可以構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，能夠以生動、逼真、立體的形式來演示實驗室中無法完成的復(fù)雜性、危險性實驗項目[6-7]。因此，用虛擬仿真技術(shù)來構(gòu)建模擬交通運(yùn)輸系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、運(yùn)營組織場景，設(shè)計虛擬仿真實驗項目可有效滿足交通運(yùn)輸專業(yè)的實驗需求。通過讓學(xué)生進(jìn)行自主規(guī)劃設(shè)計，可最大限度地激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣及創(chuàng)新設(shè)計能力。

2 地方院校交通運(yùn)輸專業(yè)虛擬仿真實驗項目設(shè)計

通過調(diào)研地方行業(yè)發(fā)展需求，結(jié)合學(xué)校、專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，并基于本校交通運(yùn)輸專業(yè)發(fā)展特點，以創(chuàng)新性工程實踐應(yīng)用與研究型交通運(yùn)輸專業(yè)人才培養(yǎng)為根本，設(shè)計交通運(yùn)輸專業(yè)虛擬仿真實驗項目，如圖1所示。

圖1 基于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的交通運(yùn)輸專業(yè)虛擬仿真實驗項目設(shè)計

2.1 交通運(yùn)輸組織調(diào)度管理虛擬仿真實驗

對應(yīng)課程實驗：《運(yùn)輸組織學(xué)》、《軌道交通運(yùn)營》、《軌道交通規(guī)劃與設(shè)計》、《旅客運(yùn)輸組織》、《貨物運(yùn)輸組織》、《運(yùn)輸組織課程設(shè)計》、《貨物運(yùn)輸課程設(shè)計》、《交通系統(tǒng)仿真》、《交通管理與控制》等。通過該實驗項目，使學(xué)生熟悉運(yùn)輸組織流程，并可自主進(jìn)行運(yùn)輸場景構(gòu)建，進(jìn)行運(yùn)輸組織流程的優(yōu)化管理，通過修改參數(shù)、輸入變量等因素，查看影響運(yùn)輸效率的因素，并可進(jìn)行組織流程的優(yōu)化。根據(jù)學(xué)校交通運(yùn)輸專業(yè)發(fā)展特點，具體內(nèi)容包括：

2.1.1 運(yùn)輸樞紐與港站運(yùn)輸組織調(diào)度虛擬仿真實驗

針對公路、鐵路、水路、航空運(yùn)輸樞紐場站，搭建虛擬的樞紐場站場景，模擬各種運(yùn)輸組織流程。學(xué)生通過此實驗可以熟悉各種場站的運(yùn)輸組織調(diào)度過程，掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計、修改運(yùn)輸組織流程，參與要素等內(nèi)容，以探究優(yōu)化運(yùn)輸組織的方法。通過此過程，掌握影響運(yùn)輸組織調(diào)度管理的影響因素、基本方法、管理要點等知識并可靈活運(yùn)用。具體包含以下幾個功能模塊。

①鐵路場站運(yùn)輸組織虛擬仿真實驗，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包括車站運(yùn)輸能力計算、區(qū)間運(yùn)輸能力計算、區(qū)段列車運(yùn)行圖編制、鐵路運(yùn)輸組織方案設(shè)計、優(yōu)化列車運(yùn)行技術(shù)、調(diào)度集中系統(tǒng)仿真等實驗[8]。基于城市軌道交通運(yùn)營，可建設(shè)客流大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營條件下交通組織優(yōu)化、調(diào)度指揮、應(yīng)急疏散虛擬仿真實驗[9-10]。

②公路客運(yùn)站、貨運(yùn)站運(yùn)輸組織虛擬仿真實驗。針對站場內(nèi)部作業(yè)進(jìn)行虛擬仿真，學(xué)生不僅可熟悉公路站場內(nèi)客運(yùn)、貨運(yùn)組織的基本業(yè)務(wù)流程、參與要素、管理方式；還可以自主進(jìn)行站場內(nèi)部作業(yè)調(diào)度優(yōu)化設(shè)計，包括組織流程優(yōu)化以及車輛調(diào)度優(yōu)化。

該專業(yè)雖然是偏重于公路、鐵路的運(yùn)營組織管理。但是基于地方行業(yè)發(fā)展需求，以及學(xué)生的就業(yè)及考研方向，實驗項目中也包含水路港口和機(jī)場的運(yùn)營組織管理實驗?zāi)K。

③水路港口運(yùn)輸組織虛擬仿真實驗。搭建港口集疏運(yùn)系統(tǒng)實驗場景，學(xué)生進(jìn)行港口運(yùn)作實驗，來模擬組織調(diào)度港口的各種生產(chǎn)要素，進(jìn)行虛擬的港口生產(chǎn)作業(yè)。實驗場景可根據(jù)港口碼頭形式進(jìn)行分類，如集裝箱碼頭、散貨碼頭、全自動碼頭等[11]。

④機(jī)場運(yùn)輸組織虛擬仿真實驗。主要針對機(jī)場飛機(jī)起飛、著陸，模擬機(jī)場的航空管制。實驗?zāi)K首先可以展示機(jī)場航空管制的過程，飛機(jī)起飛、著陸的規(guī)則。然后可搭建機(jī)場場景，進(jìn)行管制模擬。例如，假設(shè)機(jī)場有一條跑道，每架飛機(jī)需一定的時間著陸、起飛，可讓學(xué)生試著編寫程序或規(guī)則來模擬機(jī)場的運(yùn)行。通過這個實驗，學(xué)習(xí)航空運(yùn)輸管理的一些知識。

2.1.2 客運(yùn)組織流程虛擬仿真實驗

主要針對旅客從起點至終點的運(yùn)輸組織及運(yùn)輸服務(wù)策略進(jìn)行實驗。系統(tǒng)中輸入的各種路線、設(shè)施、管理等運(yùn)輸要素，讓學(xué)生在熟悉客運(yùn)流程的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計客運(yùn)組織流程，通過調(diào)整參數(shù)，來評價運(yùn)輸效率及運(yùn)輸服務(wù)水平，得出提高運(yùn)輸服務(wù)水平的各種優(yōu)化策略。

2.1.3 貨運(yùn)組織流程虛擬仿真實驗

公路運(yùn)輸與物流虛擬仿真實驗，包括干線運(yùn)輸仿真系統(tǒng)、倉儲仿真系統(tǒng)、配送運(yùn)輸仿真系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)流程的組織優(yōu)化。學(xué)生可以自主搭建運(yùn)輸實驗項目，進(jìn)行虛擬實驗，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力。

2.2 運(yùn)輸規(guī)劃、設(shè)計虛擬仿真實驗

實驗對應(yīng)課程：《交通運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)劃》、《物流系統(tǒng)規(guī)劃》、《交通場站課程設(shè)計》、《交通運(yùn)輸規(guī)劃課程設(shè)計》、《物流學(xué)課程設(shè)計》等。此實驗項目針對交通基礎(chǔ)設(shè)施中的場站、線路等設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。學(xué)生利用現(xiàn)有的交通規(guī)劃仿真軟件從數(shù)據(jù)調(diào)查分析、需求預(yù)測、方案設(shè)計、方案評價等方面進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。熟悉規(guī)劃設(shè)計流程、方法及相關(guān)軟件。此模塊還提供學(xué)生的二次開發(fā)鍛煉，根據(jù)課程上學(xué)的一些理論方法進(jìn)行實踐，鍛煉學(xué)生的計算機(jī)編程及系統(tǒng)開發(fā)能力。

2.3 運(yùn)輸設(shè)備結(jié)構(gòu)裝配虛擬仿真實驗

實驗對應(yīng)課程：《交通運(yùn)輸設(shè)備》、《汽車運(yùn)用工程》、《汽車構(gòu)造》等。實驗包括兩個功能模塊：固定場站、線路設(shè)施結(jié)構(gòu)裝配虛擬仿真實驗和運(yùn)載工具結(jié)構(gòu)裝配實驗[12]。通過這兩個實驗，讓學(xué)生熟悉各種運(yùn)輸設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點、每一種運(yùn)輸設(shè)備的裝配過程，并可對某個部件進(jìn)行自主改進(jìn)、設(shè)計。在固定場站、線路設(shè)施結(jié)構(gòu)裝配虛擬仿真實驗中，會有各種固定運(yùn)輸設(shè)施的結(jié)構(gòu)部件原型。如五種運(yùn)輸方式的線路設(shè)施，場站等。例如對于鐵路軌道設(shè)施，可以看到組成軌道設(shè)施的各種零部件：鋼軌、道岔、聯(lián)結(jié)零件、軌枕等結(jié)構(gòu)部件。在實驗過程中，學(xué)生自主完成軌道設(shè)施的裝備過程，并可進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，自己改進(jìn)或重新設(shè)計某個部件的結(jié)構(gòu)，并完成裝配。在運(yùn)載工具結(jié)構(gòu)裝配實驗?zāi)K中，有各種類型的汽車、火車、輪船、飛機(jī)實驗原型。學(xué)生可以通過實驗熟悉這些運(yùn)輸工具的結(jié)構(gòu)，裝配過程及性能，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自主改進(jìn)設(shè)計。這樣，學(xué)生既掌握了各種運(yùn)輸設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)，又進(jìn)行了自主設(shè)計或改進(jìn)，從而提高了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

2.4 交通協(xié)同管理虛擬仿真實驗

基于該專業(yè)發(fā)展歷程及現(xiàn)有教育教學(xué)資源情況，在軌道、公路等深入的專業(yè)化教育方面難以與北京交通大學(xué)、西南交通大學(xué)、長安大學(xué)等以交通為重點學(xué)科的重點高校進(jìn)行競爭，在做大交通方面又難以與山東交通學(xué)院這樣的專科院校進(jìn)行競爭，因此需要探索專業(yè)的培養(yǎng)特色。本文提出交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生在達(dá)到專業(yè)基本培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，還要培養(yǎng)學(xué)生交通運(yùn)輸業(yè)的大工程觀，具備大交通融合、協(xié)同管理的能力。此處的大交通是指各種交通運(yùn)輸方式的融合，或各種交通要素的融合，也可稱為交通協(xié)同。在城市交通中，有軌道交通、常規(guī)地面公交、個體交通等，在長距離交通中，有公路、水路、鐵路、航空、管道運(yùn)輸方式的融合。學(xué)生具備綜合交通融合管理的意識，能夠融合各種交通方式的信息，實現(xiàn)多種方式的協(xié)同管理。這樣可以使學(xué)生既具有基本業(yè)務(wù)操作管理能力，又具備大交通綜合管理能力。這種能力的培養(yǎng)需要有課程內(nèi)容的支持，也需要相應(yīng)實驗教學(xué)內(nèi)容?；谶@個目標(biāo)，提出建立“交通協(xié)同管理虛擬仿真實驗項目”。實驗內(nèi)容可針對綜合運(yùn)輸、多式聯(lián)運(yùn)、聯(lián)合運(yùn)輸、港口協(xié)同、共同配送等涉及多種運(yùn)輸方式，或同種運(yùn)輸方式不同企業(yè)等項目內(nèi)容開展。這樣鍛煉學(xué)生的全局意識、交通協(xié)同管理能力。

3 地方院校交通運(yùn)輸專業(yè)實驗項目實現(xiàn)途徑

地方院校交通運(yùn)輸專業(yè)實驗基礎(chǔ)薄弱，需要在充分調(diào)研相關(guān)院校專業(yè)實驗教學(xué)模式及地方行業(yè)發(fā)展需求的基礎(chǔ)上，探索適合自身發(fā)展的實驗項目建設(shè)途徑。

3.1 校內(nèi)實驗資源整合

以交通運(yùn)輸專業(yè)人才工程實踐能力、創(chuàng)新能力、交叉學(xué)科知識能力培養(yǎng)為目標(biāo)，結(jié)合本專業(yè)的實驗項目需求，整合校內(nèi)車輛工程、交通工程、物流工程、土木工程、機(jī)械工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、礦業(yè)安全工程、物聯(lián)網(wǎng)、物流管理、海洋工程等學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)資源[13-14]。充分利用校內(nèi)實踐資源，豐富本專業(yè)的實驗項目內(nèi)容，從而提升專業(yè)的實踐實驗教學(xué)能力。

3.2 深入校企合作，充分利用企業(yè)資源

山東科技大學(xué)位于青島市，青島既有軌道、公路、航空、地鐵、水路相關(guān)的運(yùn)輸企業(yè)，也有相應(yīng)的制造企業(yè)。和這些企業(yè)從各個層面展開深入有效的長期合作[15]，充分利用企業(yè)資源來豐富交通運(yùn)輸專業(yè)的實踐實驗資源，從而有效地提升學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。

3.3 實驗項目的自主開發(fā)設(shè)計

根據(jù)課程內(nèi)容，教師與學(xué)生在功能需求分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實驗?zāi)_本設(shè)計，并組織學(xué)生進(jìn)行自主開發(fā)。一方面可以促使學(xué)生扎實地掌握專業(yè)知識，另一方面可以鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計及編程能力，這種能力正是《計算機(jī)程序設(shè)計基礎(chǔ)》及《運(yùn)輸管理信息系統(tǒng)》等課程的教學(xué)要求。通過每一級學(xué)生的不斷開發(fā)設(shè)計，使虛擬仿真實驗項目獲得持續(xù)完善和改進(jìn)。

4 結(jié)語

作為地方院校的非重點專業(yè)，交通運(yùn)輸專業(yè)資源基礎(chǔ)薄弱，需要結(jié)合地方行業(yè)發(fā)展需求、學(xué)校及專業(yè)發(fā)展特點，探索有效的實踐實驗?zāi)Ｊ?。而虛擬仿真實驗教學(xué)是提升交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量、工程實踐能力、創(chuàng)新能力的一種新的教學(xué)模式。本研究以山東科技大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)為例，按照專業(yè)培養(yǎng)計劃進(jìn)行了虛擬仿真實驗項目的設(shè)計，并分析其可實現(xiàn)的途徑，對地方院校交通運(yùn)輸專業(yè)實驗項目的開展具有一定借鑒意義。在下一步研究過程中，需要繼續(xù)落實地方院校交通運(yùn)輸專業(yè)虛擬仿真實驗項目的設(shè)計、開發(fā)，相關(guān)專業(yè)實驗資源的共享機(jī)制，校企之間深入有效地合作機(jī)制以及虛擬仿真實驗項目有效的評價、管理機(jī)制。另外，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，還要探討培養(yǎng)學(xué)生高尚的道德情操，責(zé)任心、愛國心等人文素養(yǎng)的教學(xué)策略，使學(xué)生成為既具備扎實的專業(yè)能力，又具有健全人格的適應(yīng)社會發(fā)展的綜合素質(zhì)高的人才。