交通工程教学中虚实结合的探索与实践

吴建清，王婕，葛智，田 源

(山东大学 齐鲁交通学院，济南 250003)

在交通强国建设目标下，为积极促进新一代信息技术、人工智能等与交通行业的融合并行，共同致力于智慧交通领域的快速发展，教育部发布了开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知[1]，旨在推动高校建立相关虚拟仿真实验教学中心[2]，更好地培养在校学生的工程实践和创新能力。但是，交通专业的教学存在一些行业特殊性，实践教学无法利用实地公路开展，使得学生只能“看得见”，但“摸不着”。所以积极开展交通学科虚拟教学与工程实践的结合迫在眉睫[3]。

一 交通教学存在的问题

（一）学生积极性不高

一些传统交通学科理论知识只能进行传统教室教学的单一模式，以教师讲解课本知识为主，内容固化，形式单一，缺乏教学趣味性，难以引起学生兴趣并满足教学成果对实践能力的指导要求。另外，高校学生的学习以自我探索为主，经过传统那种“千军万马过独木桥”的巨大升学压力后来到高校，学生缺乏引导，没有明确学习目标，学习自觉性、自制性及坚持性等意志品质较差，认知发展水平的相对滞后再加上学习内容具有一定的难度，造成其学习效率低下，对自己专业课学习的最终落脚点不太明确，使学习知识的兴趣和动力急剧下降。

（二）学生理论知识理解不透彻

由于缺少社会实践经验，学生权衡处理学用结合关系比较薄弱，对传统理论体系把握不准确，无法“融会贯通”地运用理论学习成果去指导实践，造成理论知识的来龙去脉剖析不准确。学贵有疑，古人云：“疑是思之始，学之端”“大疑则大进，小疑则小进”。理论知识存在枯燥乏味的特点，再加上理解不准确、不透彻，很难使学生从小树立由愿学、乐学、学会到会学的思维方式，学生的创造潜能比较薄弱。

（三）现实交通工程接触局限大

交通工程相关课程大都在课堂内进行，而工程现场实践教学更多的是去接触真正的公路、车辆及施工现场，存在危险系数高、实验周期长、试件体量大、过程不可逆和实验场地限制等难题[4]，也存在交通态势推演过程难以再现的困难，一些重大实际灾害，如崩塌、滑坡和突涌水等地质灾害，以及交通形态演变复杂，恶劣天气、交通事故等不可预测的极端事件对交通系统的影响无法重复观测、时空演化过程难以再现与安全直观展示，如图1 和图2 所示，严重影响实验教学效果。

图1 交通事故

图2 隧道坍塌事故

交通建筑等施工周期长，造成学生无法全面深入地体验建筑产品全生命周期的建设过程。另外，大型工程的参与方较多，学生实习过程中只能参加其中一方的实践，无法全部全方位多角度参加体验，参与建设周期全过程，无法从不同参与方的角度去体验和经历施工过程。

二 教学改革

我国著名教育家、华东师范大学终身教授叶澜曾经对传统的课堂教学模式作过精辟论述。她认为：过去的课堂教学主要是关注教师的教，忽视学生的学；重视知识的传递，忽视能力的培养；忽视学生学习中的非智力因素等。课程是实现教育目的的重要途径，是组织教育教学活动的最主要依据，是集中体现和反映教育思想和教育观念的载体，因此，课程教学居于教育的核心地位。基础教育课程改革，不是纯粹主观意志的产物，而是人们对特定社会政治经济发展的客观需要所作的主观反应。因此，社会政治经济发展的客观需要，不仅决定了一定社会中的教育是否要进行改革，而且也从根本上决定了改革的方向、目标乃至规模。

全面深化教育领域综合改革，必须始终坚持教育优先发展的战略，结合交通学科的一些局限性，加快交通工程学科改革，通过课堂实践取得了良好的效果。

（一）加强翻转课堂建设，提升学习兴趣

苏霍姆林斯基说：“没有欢欣鼓舞的心情，学习就会成为学生沉重的负担。”认知心理学也指出，积极的情感体验能够使学生对学习产生积极的影响。

“兴趣是最好的老师”。教学时老师要重视情感的诱发，对学生的提问给予充分的认可和肯定，对某些问题上自己的失察甚至无知绝不掩饰，采取平等、开放、诚实的态度，使学生产生强烈的求知欲，产生乐于提问的情感体验。学生作为课堂的主体，教师在深入开展课堂教学时，开辟一条“自己讲知识—自己听知识—自己学知识”的路线。翻转课堂把“灌输式”教学、无论基础差异只能被动接受的现状转变为让每名学生找到自己的学习方式和节奏，循序渐进，良性提高，让好成绩水到渠成。翻转课堂让老师的作用从单一的传授知识向唤醒学生学习动力、激活学习兴趣转化，结合教材内容结合学生心理发展方向，培养学生的自主学习能力，让学生学会学习，爱上学习，提高学习效率。同时可以锻炼学生语言组织能力，讲课时逻辑思维能力和管理课堂纪律组织能力，以及小组讨论时积极踊跃的主观能动性。

（二）创新课程考核方式

传统的考核，多是自上而下，由教师对学生的结课考试成绩以及课堂出勤率进行的单向评定，而这种方式已经被证明是片面的不科学的，无法培养出全面发展的人，无法实现德育育人、实践育人和文化育人新的核心评价格局。各高校十分重视学生综合素质的培养、创新创业能力培养的课程改革和学生综合评的价改革等，学生成绩不再仅仅是一纸试卷能够体现的。在交通工程学科教学中提出积极做好课堂总结，重点引导学生对课堂内容的总结，包括课程课本的知识总结及课堂呈现方式的总结，学生对交通工程学科重难点的理解以“问题+答案”的方式进行提交，对有创新性想法的学生及时提出表扬，并在学生课程考核综合评价中有所体现。利用此种方式，学生总结的知识点细节和教师把握的重点方向相互融合，针对性融入课程的考核范畴中，一方面，可以考察学生是否快速地把握课堂重点，对知识有的放矢，明确突出学习重点；另一方面，教师根据学生掌握情况，合理安排课堂讲解进度，创新改革授课方式和结课考核方向，做知识的引路人，重视学生终身发展。

（三）构建虚实结合教学模式

科技发展的最终目的，改善人民的生活。大学生是未来发展和科技走向的重要力量，将科技和高校学生需求紧密结合，才能让科技真正成为学生提高能力的重要推手[5]。

围绕工程现场实践教学存在危险性高、实验周期长、试件体量大、成本费用高及过程不可逆等难题，坚持“以实为本、虚实融合、能实不虚、相互补充”的理念，构建交互式、体验式、自主性和创新性实践教学体系，明确了实体实验和虚拟实验的定位，以“实”为目标、“虚”为手段，扬长避短，以“虚”来加强理论知识与实践动手操作的联系，以“实”来提高学生解决工程实际问题的能力。通过虚拟仿真技术的交互性优势，给学生呈现三维动态全真模拟过程，同时注重对学生利用仿真平台进行自主实验、互动交流过程的考核。

仿真教学功能全，操作性高，趣味横生。针对交通类学科的特点，提出模拟驾驶实践教学辅助理论知识学习的理念，利用Unity3D 虚拟现实仿真驾驶车辆通行手段，构造键盘模拟驾驶软件系统，学以致用，实现将理论快速运用于实验和实践的目的。将虚拟现实技术应用于汽车驾驶系统，通过Unity3D 技术建立行驶过程的全时视景，学生更能沉浸其中，体会课堂理论中的交通驾驶、道路建设规则。该虚拟仿真的实践教学系统由仿真建模单元、车辆行驶行为分析数据单元和驾驶者生理现象输出单元等组成，学生可以自主设计车辆运行轨迹和道路信息，为学习交通学科建设理论、维护道路安全、遵守交通规则奠定基础(图3)。

图3 模拟驾驶平台

改变传统教学，平台开发还原度高。公路网交通运行状态存在不可逆转性，使得交通事故的起因和过程具有不可还原性，所以作为交通学科理论研究者，根据虚实模拟交通事故成因以及交通行为的微观影响，结合模拟驾驶功能和参数调试，高精度还原突发事故现场，能指导调节现实驾驶行为，规避行车事故发生。加入虚拟仿真实践教学能为单一的课堂教育提供更多实验环境，具有扩充实验内容，还原公路交通现场，开阔学生视野的多维度优势(图4)。

图4 3D 驾驶模型搭建

操作安全系数高。该虚拟仿真平台虽模拟室外道路行驶，但系统于室内模拟驾驶，学生在学习和实践并行的同时又能保障安全。

虚实结合的教学模式，极大激发了学生的实践兴趣，发挥课堂学习的主观能动性，课堂氛围积极良好。提升高校科研能力，开发交通模拟驾驶的虚拟仿真实践教学系统，学生可以通过教学平台，结合课堂理论延伸，开拓创新性思维，自主设计个性化模拟实验，为学校科创活动提供更好的实验支撑。

（四）加强思政教学

高校是重要的教育阵地，也是重要的思想文化阵地。思想进步引领社会发展。从五四运动拉开中华民族伟大复兴的帷幕，到“四有”新人勇立改革巨浪的潮头，留给我们的启发是加强思想政治建设，可以推进时代建设的步伐。要加强课堂课外的思想政治教育，教师在课堂实践教学中充分发挥黄大年精神，根据交通学科建设特点，积极为学生传道授业解惑，认真听取各方意见和批评。同时在教学模式转变的过程中，学生也应积极提升自身知识素养，加强思想建设，多交流自己的困惑，刻苦钻研，培养工匠精神，为积极发展成为交通技能型人才蓄力。高校应不断培养理想信念坚定、政治站位准确且有责任担当的时代新人，让广大青年成为国家和民族发展有用的栋梁之才(图5)。

图5 思政建设团课

三 结束语

“致天下之治者在人才，成天下之才者在教化”。大数据与人工智能时代，建设交通强国的国家战略方向，高校将培养时代新人为己任，不仅仅是教育界的目标，更是整个国家和民族的要求。构建交通学科的虚拟教学发展势在必行，将虚拟仿真和真实课堂教学结合起来，加强学生为主体的翻转课堂教学，加强以实为主、虚实结合的实践教学，在理论和实践中培养学生的创新精神，建设创新协同、融合开放的智慧交通学科建设。信息科技与现代交通行业的交叉结合，虚拟仿真教学必定引领发展，既可以为虚拟仿真系统的研发拓展更广阔的空间，又能为国家企业培养更实用的技能型专业人才。