公路隧道運(yùn)營(yíng)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐和思考

趙 顗，馬健霄，陸 濤

（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 江蘇 南京 210037）

中華人民共和國(guó)教育部于2018 年發(fā)布關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知以及《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》[1]，行動(dòng)計(jì)劃強(qiáng)調(diào)加快面向下一代網(wǎng)絡(luò)的高校智能學(xué)習(xí)體系建設(shè)，其中示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是高校智能學(xué)習(xí)體系建設(shè)的重要載體[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，因此仿真場(chǎng)景或?qū)嶒?yàn)內(nèi)容通常具有涉及高危或極端環(huán)境、高成本、高消耗等特征[3]。

隨著我國(guó)公路網(wǎng)絡(luò)的逐步建成，公路運(yùn)營(yíng)時(shí)代已全面來臨，公路對(duì)綜合管理養(yǎng)護(hù)型人才的需求日漸增多。公路管養(yǎng)是需要大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工作，公路隧道作為其中重要的組成部分，其運(yùn)營(yíng)安全要求更高，并且開展隧道運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)存在危險(xiǎn)性、局限性、耗時(shí)長(zhǎng)、不可逆、管理難等難點(diǎn)[4]。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于公路隧道運(yùn)營(yíng)安全實(shí)驗(yàn)，可有效降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，提高實(shí)驗(yàn)效率[5]。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以培養(yǎng)隧道綜合管理養(yǎng)護(hù)型人才為目標(biāo)，以隧道日常運(yùn)營(yíng)和事故處置兩類工作為特征，面向交通工程、交通運(yùn)輸、道路工程等專業(yè)設(shè)計(jì)，滿足包括“交通工程設(shè)計(jì)”“道路交通安全”“道路養(yǎng)護(hù)管理”等課程的實(shí)驗(yàn)需求。

1 公路隧道運(yùn)營(yíng)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

公路隧道運(yùn)營(yíng)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括隧道交通安全設(shè)施檢測(cè)、隧道交通事故現(xiàn)場(chǎng)處置及隧道交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查三個(gè)環(huán)節(jié)，通過各實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和步驟的設(shè)計(jì)，力求實(shí)現(xiàn)以下教學(xué)目標(biāo)：①以公路隧道作為載體，將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，加深學(xué)生對(duì)公路設(shè)施體系中專業(yè)知識(shí)點(diǎn)的理解；②在三維場(chǎng)景中，以第一視角方式完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)步驟，倡導(dǎo)學(xué)生自主探索，提升學(xué)生的專業(yè)綜合實(shí)踐能力；③以問題為導(dǎo)向，將實(shí)驗(yàn)需完成的教學(xué)內(nèi)容按照隨機(jī)變量模型處理，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，幫助學(xué)生提高對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性；④通過多環(huán)節(jié)模擬，強(qiáng)化各環(huán)節(jié)間的關(guān)聯(lián)性，加深學(xué)生對(duì)道路交通事故隱患及其成因的認(rèn)識(shí)[6]。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)以虛擬仿真技術(shù)為依托，教學(xué)方法重點(diǎn)體現(xiàn)“綜合性、分環(huán)節(jié)、重實(shí)踐、重探究、多反饋”的特點(diǎn)[7]，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了大量操作反饋機(jī)制，以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)操作的認(rèn)識(shí)和理解，從而為公路隧道運(yùn)營(yíng)安全領(lǐng)域培養(yǎng)知識(shí)體系全面、實(shí)踐能力強(qiáng)的綜合性人才。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的實(shí)施過程主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

①循序漸進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣的綜合性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置的三個(gè)環(huán)節(jié)共同體現(xiàn)了對(duì)公路隧道運(yùn)營(yíng)安全人才培養(yǎng)的綜合性，同時(shí)也是隧道運(yùn)營(yíng)安全教學(xué)上的逐步深化。

②以學(xué)生為中心的探究型教學(xué)方法。以學(xué)生自主操作為主，每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在設(shè)計(jì)時(shí)均提供實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)指南，讓學(xué)生自主地研究實(shí)驗(yàn)的具體方法并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；以學(xué)生為主體，讓學(xué)生在科學(xué)研究式的學(xué)習(xí)過程中，對(duì)平時(shí)不能直接感受的公路隧道交通安全設(shè)計(jì)以及交通事故現(xiàn)場(chǎng)的處理方法有直觀的了解，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識(shí)。

③基于反饋機(jī)制的交互式教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了三重反饋機(jī)制，上層為環(huán)節(jié)內(nèi)部操作中的反饋機(jī)制，中層是每個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)束后的反饋機(jī)制，下層是前兩個(gè)環(huán)節(jié)之間的反饋機(jī)制。

④多維思辨的研討式教學(xué)方法。實(shí)驗(yàn)在最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告中將評(píng)價(jià)結(jié)論和解決問題的方法提供給學(xué)生，讓學(xué)生指出優(yōu)劣，并可對(duì)其實(shí)驗(yàn)操作加以完善。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中還設(shè)置了討論專區(qū)，學(xué)生和教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)操作步驟以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不斷改善。

1.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法與步驟

實(shí)驗(yàn)以隨機(jī)生成的公路隧道模型為背景，通過隧道交通安全設(shè)施檢測(cè)、隧道交通事故現(xiàn)場(chǎng)處置、隧道交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查三個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)隧道交通安全的日常管理和應(yīng)急管理能力。隧道交通安全設(shè)施檢測(cè)環(huán)節(jié)，學(xué)生依據(jù)所學(xué)知識(shí)以隧道養(yǎng)護(hù)人員視角對(duì)隧道內(nèi)的交通安全設(shè)施進(jìn)行巡檢，檢測(cè)隧道內(nèi)交通安全設(shè)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(xiàn)場(chǎng)處置環(huán)節(jié)，學(xué)生以交通管理者身份對(duì)隧道內(nèi)交通事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析，并給出交通事故的處置措施；隧道交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查環(huán)節(jié)，學(xué)生以交通警察的身份對(duì)交通事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行物證采集、現(xiàn)場(chǎng)丈量等，并填寫勘查報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由14 個(gè)步驟組成，具體包括：①動(dòng)態(tài)參數(shù)內(nèi)嵌式公路隧道模型；②隧道土建結(jié)構(gòu)設(shè)施病害檢測(cè)；③隧道機(jī)電設(shè)施病害檢測(cè)；④隧道其他工程設(shè)施病害檢測(cè)；⑤隧道內(nèi)交通設(shè)施缺失檢測(cè)以及病害的拍照取證；⑥提交檢測(cè)報(bào)告并反饋遺留病害可能誘發(fā)的交通事故類型；⑦基于交通安全設(shè)施檢測(cè)結(jié)果生成交通事故場(chǎng)景；⑧查看交通事故現(xiàn)場(chǎng)并填寫事故情況表；⑨在交通指揮中心進(jìn)行交通事故處置；⑩進(jìn)入隧道內(nèi)交通事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行交通處置；?提交環(huán)節(jié)報(bào)告并反饋交通事故處置的正確率；?交通事故現(xiàn)場(chǎng)攝影；?交通事故現(xiàn)場(chǎng)的物證拾取與事故測(cè)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(shí)驗(yàn)考核要求

為完成本實(shí)驗(yàn)所包含的教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)者需完整了解隧道安全系統(tǒng)的組成內(nèi)容，并掌握各組成部分的設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)隧道設(shè)施管養(yǎng)的內(nèi)容具有深入的了解，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)隧道內(nèi)不同安全設(shè)施所存在的問題和嚴(yán)重程度進(jìn)行劃分，并給出設(shè)施病害的相應(yīng)處置方案；熟悉疏散節(jié)點(diǎn)、逃生路線、應(yīng)急照明燈和消防設(shè)施的布設(shè)方法，掌握隧道內(nèi)疏散的操作規(guī)程；掌握隧道交通事故現(xiàn)場(chǎng)勘查的基本內(nèi)容和勘查方法。

要求學(xué)生獨(dú)立完成每個(gè)環(huán)節(jié)的各個(gè)功能，通過運(yùn)行不同的參數(shù)結(jié)果進(jìn)行公路隧道交通安全設(shè)施、運(yùn)營(yíng)安全檢測(cè)、應(yīng)急處置、交通事故勘驗(yàn)定責(zé)各實(shí)驗(yàn)，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告包括實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（重要軟件界面及數(shù)據(jù)）以及實(shí)驗(yàn)總結(jié)。

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)分為過程性評(píng)價(jià)和形成性評(píng)價(jià)兩個(gè)部分：過程性評(píng)價(jià)側(cè)重操作規(guī)程和操作步驟的考查，過程性評(píng)價(jià)在評(píng)價(jià)體系中占比20%；形成性評(píng)價(jià)側(cè)重對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的考查，主要對(duì)照規(guī)范性、正確率等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成性評(píng)價(jià)在評(píng)價(jià)體系中占比80%。

2 教學(xué)項(xiàng)目效果評(píng)價(jià)及改進(jìn)計(jì)劃

公路隧道運(yùn)營(yíng)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目已接入江蘇省高等學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)，并提供教學(xué)服務(wù)，同時(shí)以平臺(tái)資源共享的方式提供給包括內(nèi)蒙古大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)在內(nèi)的多所院校開放使用，并充分吸收各高校的反饋意見，對(duì)系統(tǒng)加以改進(jìn)完善。同時(shí)，項(xiàng)目平臺(tái)還直接面向生產(chǎn)管理單位訴求，充分吸收了用人單位對(duì)人才培養(yǎng)的需求，并收集了用戶單位的使用反饋意見，使得項(xiàng)目未來開發(fā)面向的服務(wù)對(duì)象可以更加多元化，并直接應(yīng)用于與公路安全生產(chǎn)相關(guān)的多個(gè)領(lǐng)域。

2.1 教學(xué)項(xiàng)目效果評(píng)價(jià)

綜合院校和生產(chǎn)管理單位的意見反饋，形成本教學(xué)項(xiàng)目的效果評(píng)價(jià)結(jié)論如下：

①教學(xué)項(xiàng)目體現(xiàn)行業(yè)需求。公路行業(yè)發(fā)展模式目前正處在由建設(shè)向管養(yǎng)過渡的窗口期，未來公路管養(yǎng)人才的缺口將顯著增加，培養(yǎng)公路綜合管理型人才具有重要意義。

②實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模型架構(gòu)合理，場(chǎng)景預(yù)設(shè)真實(shí)。實(shí)驗(yàn)按三環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，不同環(huán)節(jié)體現(xiàn)不同公路管理人才工作的需求特征，分別對(duì)應(yīng)道路管理工程師、道路養(yǎng)護(hù)工程師、道路交通警察等，不同環(huán)節(jié)既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，除場(chǎng)景相同外，各環(huán)節(jié)的上一層應(yīng)用也會(huì)直接影響下一層應(yīng)用，并相互制約。

③教學(xué)過程以學(xué)生為主體，評(píng)價(jià)結(jié)果以學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，可促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。實(shí)驗(yàn)在實(shí)施過程中體現(xiàn)以學(xué)生為主體的探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，采用基于反饋機(jī)制的互動(dòng)教學(xué)模式，結(jié)合多維思辨的研討式教學(xué)方法，教學(xué)效果顯著，受益面大。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)分為過程性評(píng)價(jià)和形成性評(píng)價(jià)兩個(gè)部分，兩種評(píng)價(jià)相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。

④虛擬實(shí)驗(yàn)成果是傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的線上交互，改善了傳統(tǒng)教學(xué)“填鴨式”的教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)教學(xué)的研究性與互動(dòng)性。另外教師可以通過管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)預(yù)設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)，而學(xué)生則可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)自測(cè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交、討論，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的線上交互，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

2.2 教學(xué)項(xiàng)目改進(jìn)計(jì)劃

針對(duì)公路隧道運(yùn)營(yíng)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)階段和反饋意見，未來本教學(xué)項(xiàng)目將從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：①加大對(duì)本項(xiàng)目的投入，豐富實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，完善保障機(jī)制，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)交互式參數(shù)的開放性功能設(shè)計(jì)，強(qiáng)化學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐能力，完善多樣化的公路隧道運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，豐富交通虛擬仿真的多情景環(huán)境架構(gòu)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)；②配合有相關(guān)實(shí)驗(yàn)需求的高校或企業(yè)，編制負(fù)荷相應(yīng)需求的教學(xué)指導(dǎo)書，并組織討論形成教學(xué)大綱以及成績(jī)考核方法，共同提升交通運(yùn)輸類專業(yè)學(xué)生的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)掌握和綜合實(shí)踐能力，助力人才培養(yǎng)；③本項(xiàng)目將面向各高校，尤其是西部高校免費(fèi)開放并提供教學(xué)服務(wù)，同時(shí)，學(xué)校將進(jìn)一步加強(qiáng)與專業(yè)軟件設(shè)計(jì)公司協(xié)作，通過合理優(yōu)化與改進(jìn)，深入應(yīng)用本項(xiàng)目的成果，通過線上線下結(jié)合的教學(xué)方式，打造滿足更廣泛社會(huì)應(yīng)用需求的多元化平臺(tái)，以滿足不斷提升的人才培養(yǎng)需求。

3 結(jié)語

公路隧道運(yùn)營(yíng)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)取得了顯著成果。通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，項(xiàng)目成功解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)存在的環(huán)境限制、時(shí)間和成本等問題。然而，隨著教學(xué)項(xiàng)目的不斷擴(kuò)展和發(fā)展，還需進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的深化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)資源共享和合作，進(jìn)一步推廣項(xiàng)目成果，以滿足不斷提升的人才培養(yǎng)需求和行業(yè)人才需求。