新工科背景下基于虛擬仿真技術的地方高校交通工程專業實驗教學平臺建設

李超 鄔鑫 賈建林 高利平

摘要：虛擬仿真技術下實驗教學是新工科建設的重要組成部分，也是主動應對工科創新發展的重要舉措。內蒙古工業大學土木工程學院積極探索應用虛擬仿真技術進行實驗教學，平臺建設從交通工程專業理論學習與實踐教學融合的角度出發，制定交通信號智能控制系統、交通規劃與仿真以及車路協同虛擬仿真實驗教學內容，以現代信息技術為依托，實現開放與共享的實驗資源，并以實驗課程教學為切入點，讓學生們自主學習的積極性得到提高，培養學生們解決實際問題的能力并積累工程實踐經驗，適應現代交通工程、交通運輸工程創新人才的培養，同時為新工科建設背景下虛擬仿真系統建設提供參考。

關鍵詞：新工科? 虛擬仿真技術? 交通工程專業? 實驗教學

中圖分類號：G642? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2022）06（b）-0000-00

Construction of Experimental Teaching Platform of Traffic Engineering in Local Universities based on Virtual Simulation Technology in the Background of New Engineering

LI Chao? WU Xin? JIA Jianlin? GAO Liping

（Inner Mongolia University of Technology，College of Civil Engineering，Hohhot，Inner Mongolia Autonomous Region，010051， China）

Abstract：Experimental teaching under virtual simulation technology is an important part of the construction of new engineering and an important initiative to respond to the development of innovation in engineering. Inner Mongolia University of Technology College of Civil Engineering actively explore the application of virtual simulation technology for experimental teaching. Platform construction from the perspective of integration of theoretical learning and practical teaching of traffic engineering majors. Develop experimental teaching contents of traffic signal intelligent control system， traffic planning and simulation， and vehicle-road collaboration virtual simulation. Based on modern information technology， we realize the integration of experimental resources， the open sharing of experimental resources， and the interaction of experimental course teaching as the entry point. Motivate students to learn experiments， enhance their ability to solve practical engineering problems and accumulate practical engineering experience. It is suitable for the cultivation of innovative talents in modern traffic engineering and transportation engineering， and also provides reference for the construction of virtual simulation system in the context of new engineering construction.

Key Words： New engineering; Virtual simulation technology; Traffic engineering major; Experimental teaching

新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展，基于“一帶一路”“中國制造2025”等一系列國家戰略發展新需求，國際競爭新形勢、以本為本，四個回歸的新要求，促進了“新工科”概念的提出與發展，加速了工程教育改革創新的進度[1-2]。近年來，我國各地高等院校致力于建設新工科教育體系，既順應了當前工科創新發展的新形勢，也能在實踐中探索中國式的工程教學，總結經驗[3]。《交通強國建設綱要》提出，到2035年基本建成交通強國。其中，綜合交通運輸體系創新方面，要推動大數據、互聯網、人工智能、區塊鏈、超級計算等新技術與交通行業的深度融合[4-5]。在“復旦共識”“天大行動”“北京指南”的引導下，許多高等院校主動探尋大數據、人工智能、增強現實及虛擬現實等技術對新時代人才培養模式和教育體系的新應用[6-7]。本科教學工作中實驗課程教學環節受到各高校的重視程度在不斷提高，而實驗課程教學環節由于受到各種復雜因數的限制其具有特殊性，以先進的虛擬仿真技術為依托，在新工科背景下對交通工程專業實驗課程教學環節展開相關研究，來彌補傳統實驗教學方式的不足對提高該專業學生的培養質量，無疑具有重要的現實意義。

內蒙古工業大學交通工程專業是2002年在道路與橋梁工程專業的基礎上設置的，作為內蒙古自治區唯一交通運輸工程一級學科所覆蓋的本科專業，交通工程專業堅持“發揮人才培養和學科優勢，服務民族地區經濟社會發展”的辦學特色，已經為自治區培養了一大批立足內蒙古，扎根邊疆，奉獻邊疆踏實肯干的交通實踐性人才。交通工程專業實驗教學課程是本科教學中重要的組成部分，它能夠幫助學生鞏固并拓展課程知識、提高學生動手能力、提升學生創新水平，同時實驗課程的開展、實驗作業的評價同樣是對學生知識掌握程度、知識創新能力評估重要的手段之一[8]。

1? 實驗教學平臺建設思路

教學理念一貫堅持以學生為中心，出發點為培養學生的實際需求，強調將交通工程專業實踐與理論相結合，制定規范合理的交通信號智能控制系統、交通規劃與仿真以及車路協同實驗教學內容，采用基于虛擬仿真實驗教學手段，以現代信息技術為依托，實現實驗資源整合、實驗資源的開放共享、實驗課程教學交互為切入點，將學生學習和實驗的積極性最大限度地調動起來，積累工程實踐經驗并提高學生們解決實際工程問題的能力，適應現代交通工程、交通運輸工程創新人才的培養。

2? 實驗教學平臺建設解決的教學問題

交通工程專業實驗教學平臺的建設可以解決的主要實驗教學問題有以下幾個方面。

（1）通過虛擬仿真實驗，幫助學生深度理解交通信號智能控制系統、交通規劃與仿真以及車路協同系統的基礎理論、掌握基本概念是要解決的主要教學問題之一。

（2）借助現代虛擬仿真實驗技術，提高學生學習熱情，增強動手能力，激發學習興趣是要解決的主要教學問題之二。

（3）基于虛擬仿真技術可視化功能，革新交通規劃和交通管理與控制教學方式和教學場景，解決工程實際問題，積累工程經驗是要解決的主要教學問題之三。

（4）依托虛擬仿真技術可以實現交通工程專業實驗資源管理、實驗資源的開放共享、實驗教學資源整合、實驗課程教學交互，方便學生自主靈活參與實驗，提高實驗資源利用效率和實驗教學效果是要解決的主要教學問題之四。

3? 實驗教學平臺建設

3.1? 實驗教學平臺建設的總體目標

（1）教學理念一貫堅持以學生為中心，出發點為培養學生的實際需求，強調將交通工程專業實踐與理論相結合，以虛擬仿真技術為基礎制定合理準確的交通信號智能控制系統、交通規劃與仿真以及車路協同實驗課程教學內容，培養學生們的基本實驗能力、綜合設計能力和創新研究能力，適應現代交通工程、交通運輸工程創新人才的培養。

（2）運用先進的虛擬仿真教學為輔助的教學方法，以現代信息技術為依托，實現實驗資源整合、實驗資源的開放共享、實驗課程教學交互為切入點，將學生學習和實驗的積極性最大限度的調動起來，積累工程實踐經驗并提高學生們解決實際工程問題的能力，適應現代交通工程、交通運輸工程創新人才的培養。

（3）基于虛擬仿真技術的交通工程專業實驗教學平臺建設項目，構建網絡教學先進共享平臺，建設完善交通工程、交通運輸工程虛擬仿真實驗項目，提高師資隊伍的素質，建設優秀的實驗教材。

3.2? 已具備的建設條件

實驗室現具備的硬件有計算機機房（100臺PC機）、筆記本電腦一臺、交通信號控制機6套、雷達測速儀1套以及相關設備;軟件有transcad軟件2套（2018年新引進學術版）、Vissim交通仿真系統1套。

3.3? 實驗教學平臺建設的具體內容

3.3.1? 交通工程專業虛擬仿真教學實驗室管理平臺

以瀏覽器為瀏覽客戶端，通過數據與展示分離，客戶端以瀏覽器為訪問界面，通過嵌入虛擬化應用模塊，實現高速訪問虛擬化應用。圖1是實驗管理平臺界面示意圖。

3.3.2? 交通信號智能控制虛擬仿真實驗系統

基于vissim交通仿真軟件信號控制接口進行二次開發，由交通仿真軟件提供豐富的仿真道路路網及場景，模擬實際的道路路網、道路流量、車輛類型構成等，虛擬出真實的道路交通運行狀況;利用在環仿真平臺設計生成不同的信號配時方案，直接將控制策略下發到仿真軟件路口，進行單路口定時、多時段控制、感應信號控制，多路口的干線協調控制，區域協調控制等信號設計及優化。

3.3.3? 車路協同系統微縮實驗平臺

按照1∶10比例搭建微縮智能車路協同系統實驗沙盤平臺，平臺包括智能微縮車、沙盤道路以及無線通信等交通設施。沙盤道路是寬度為35 cm的雙車道，表面呈磨砂狀，與實際路面摩擦系數基本一致，道路沙盤的幾何特征與實際場景基本一致，智能微縮車和交通信號控制機均有無線通信模塊，可以實現車路信息交互和命令控制。智能車輛在微縮交通場景中可以通過定位系統、測距雷達等先進技術實現車輛的自主駕駛，且車輛之間信息的交互可以通過車間通信實現。微縮智能車路協同系統實驗沙盤具體見圖2、圖3。

3.3.4? 交通規劃與設計虛擬仿真實驗

基于Transcad或交運之星交通規劃與設計軟件進行二次開發，通過調用GIS服務器的地理信息資源，在B/S或C/S平臺的GIS地圖上展現特定仿真路網的動態特性。同時也可用于數據融合，通過分析處理路網的歷史數據與實時檢測數據，在線產生全路網的動態OD流量、路段和路徑交通狀態等信息，該系統核心技術包括動態交通需求分析、動態交通分配、離散選擇模型、路徑處理、實時交通仿真、以及離線與在線系統參數標定等。GIS地圖上展現路網和地圖上動態OD分析具體見圖4、圖5。

4? 結語

內蒙古工業大學交通工程專業虛擬仿真實驗教學平臺建設，運用虛擬仿真技術，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等手段，實現三維虛擬現實教學、云計算支撐平臺、交通大數據展示與分析。平臺經過1個周期的建設，推動了專業建設，增強了學生的實踐能力，本科生培養質量有大幅度提升，就業質量有一定程度提高，就業質量和就業競爭力明顯提升，本科畢業生滿意度達到90%以上;專業教師教研項目、論文、成果等水平有一定程度提升，對自治區交通行業的建設和發展，起到積極的人才支撐作用。

參考文獻

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[2] 孫雪. 改革開放以來我國教改實驗的理論運用分析[D].濟南：山東師范大學，2020.

[3] 邱欣，劉何音，童衛豐，等.新工科背景下交通運輸專業人才培養路徑研究[J].教育教學論壇，2021（10）：9-12.

[4] 王菁.新工科背景下軌道交通行車組織課程教學改革與探索[J].教育觀察，2020，9（46）：80-82.

[5] 晉民杰，楊春霞，王曉軍.新工科背景下交通工程專業實踐教學一體化系統構建[J].新課程研究，2020（27）：13-16.

[6] 戴剛， 蔡春麗， 劉偉. 新工科背景下交通工程專業課程教學模式與考核方式改革探討[J]. 教育教學論壇， 2020（29）： 129-130.

[7] 晉民杰，楊春霞，王曉軍.新工科背景下交通工程專業實踐教學一體化系統構建[J].新課程研究，2020（27）：13-16.

[8] 吳珺華.“互聯網+”背景下交通工程專業土力學教改探討[J]. 教育教學論壇， 2020， 51： 193-195.