面向“新工科”建设的交通工程专业实践教学模式探索与实践

何雅琴　邵冬明　毕紫辉

摘  要：“新工科”建设已成为当前教育研究中的一大热点。如何使交通工程专业实践教学与“新工科”建设接轨，实现人才培养快速转型是交通工程专业面向“新工科”建设发展中不可避免的难题。在分析传统交通工程专业实践教学存在的问题基础上，立足于本专业特点，结合行业发展需求，构建了基于CDIO的交通工程专业实践教学体系；依托产学研深度融合，搭建了校企协同育人平台；以双创背景建设人才培养环境；以数字孪生技术，拓展实践教学渠道；以学生能力培养为目标，建立了多元化的考核评价体系。通过实践教学改革，本专业学生在科技创新和社会实践方面取得了显著成果。对毕业生的跟踪调研，也表明文章所进行的改革探索是有一定效果的。

关键词：新工科；交通工程专业；实践教学模式；教学体系

中图分类号：G642    文献标志码：A    DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.13.039

Abstract： The construction of "emerging engineering education" has become a hot spot in current education research. How to make the practice teaching in line with the emerging engineering education construction， in order to realize the rapid transformation of talent cultivation is inevitable toward the construction of emerging engineering education for traffic engineering major. Based on the analysis of the problems existing in the traditional practical teaching of traffic engineering major， the CDIO-based practical teaching system of traffic engineering major is constructed according to the characteristics of this major and the development needs of the industry. Relying on the deep integration of production， teaching and research， a platform for school-enterprise collaborative education has been built. The talent training environment is built with the background of innovation and entrepreneurship. The practical teaching channels are expanded with digital twin technology. With the goal of cultivating students' abilities， a diversified evaluation system has been established. Through the practice teaching reform， the students have made remarkable achievements in scientific and technological innovation and social practices. The follow-up survey of graduates also shows that the reform and exploration carried out in this paper has a certain effect.

Key words： emerging engineering education; traffic engineering major; practical teaching mode; teaching system

0  引  言

作為世界高等教育大国，我国工程教育的规模位列全球第一。然而，工程教育的质量以及学生工程创新的能力远远落后于其他国家，形势不容乐观。根据瑞士洛桑2008年发布的《世界竞争力报告》显示，我国“适合全球化要求”的工程师数量仅16万，远低于美国54万，中国国际化工程师占全国工程师比例不到8%，而印度为25%[1]。面临全球经济发展格局的变化，我国经济发展也面临动能转换、方式转变、结构调整的繁重任务，新技术、新产品、新业态和新模式蓬勃兴起。工程教育与产业发展紧密联系、相互支撑，新产业的发展要靠工程教育提供人才支撑，因此新经济的发展对传统工科人才培养提出了挑战。未来新兴产业和新经济需要的是工程实践能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才[2]。“新工科”正是在科技革命、产业变革、新经济以及新起点这样的大背景下提出来的概念[3]，因此，它在很大程度上是当前工程教育大趋势的一种体现。同时也为工程教育的理论与实践探索提供了一个全新的视角。在“新工科”概念下，交通运输行业不断向高端化、低碳化、智能化方向发展，新技术的不断涌现，新模式和新业态的到来，要求交通工程专业加快专业转型升级，调整专业培养模式，培养适应新需求的交通工程专业人才。作为教学过程中不可缺少的环节，实践教学对提高本科教学质量、培养学生工程实践能力和科技创新能力具有重要的作用[4]。因此，交通工程专业需要改革并构建符合专业特点的实践教学体系，完善实践教学内容，创新实践教学途径，建立实践教学评价机制，实现实践教学各个环节在人才培养过程中的有效性，从而培养具有创新创业意识、数字化思维和跨界整合能力的“新工科”人才。在此背景下，国内兄弟院校对交通工程专业实践教学改革也进行了一定的探索和研究[5-8]，取得了一定的成效，但是由于各个学校交通工程专业的培养方案侧重点不一样，学生培养目标及毕业要求也有所差异，不能直接照搬已有的经验，必须针对学校本专业的实际情况和专业特色，结合行业及社会发展需求，深入探讨交通工程专业实践教学体系、教学模式、教学方法、教学评价，为新时代社会主义建设培养有创新精神、有实践能力、有责任担当的高素质“新工科”人才。

1  “新工科”背景对交通工程专业实践教学改革的新要求

与传统工科相比较而言，“新工科”更注重学科的交叉性、实用性、综合性。因此，交通工程专业实践教学改革必须综合考虑“新工科”建设对本专业人才培养提出的新要求。

1.1  将创新创业教育贯穿整个实践教学环节，培养学生创新创业意识

创新创业教育是积极响应党和国家“大众创业、万众创新”号召，深入贯彻落实《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》（国办发【2015】36号）等文件精神，坚持“以创新精神、创新意识、创新创业能力培养为目标，面向全体、基于专业、分类培养、强化实践”的创新创业教育方针，汇集学校、行业、企业的优质资源，紧密依托学校的优势学科和科研实践平台，以实践教学为载体，分层次、分类型、科学化、系统化地实施创新创业全过程教育[9]。将创新创业教育与专业教育深度融合，提升学生创新精神和创造能力以及自主学习能力，成为促进工程科技创新与产业创新的主力军[10]。

1.2  在实践教学环节中培养学生数字化思维模式

随着社会网络技术与信息化技术的飞跃式发展，由于经费投入、场地、专业特点等原因，交通工程专业教学难以把各类工程场景搬进实验室，如结构构件破坏性实验，以及高危险、大型复杂但与实际道路交通工程结合紧密的实验等都无法让学生在实验室内深度参与。另外，实践基地实训教学由于受到场地、成本和实习时间的限制，企业难以有效配合；道路桥梁等施工周期长，缺乏系统动态体验。现实的困难和当前的数字文明革命，要求交通工程专业实践教学不再止步于计算机用于辅助工程设计和“个别”的虚拟仿真实验理念，而是需要建立数字社会“物理实体＋数字孪生”多重世界观念。搭建工程领域数字世界，建立整体、连贯、逼真的道路交通工程场景，并通过云计算和网络技术使工程数字世界“泛在”地出现在教师讲台、实验室、学生寝室甚至学生手机上，给实验实训提供有力支撑，同时设施的便利性也会激发学生的积极性和创造性，这将是交通工程专业实践教学发展方向，同时也达到学生信息化、网络化、智能化、交叉化、创新性、认知型、国际化、多元化等专业能力培养的需求。

1.3  注重校企协同育人，培养以工程实践能力为核心，具有一定经、管跨界复合能力的专业人才

智慧交通是国家建设交通强国的重要发展战略。在智慧交通产业快速发展、国内国際经济双循环及基础设施大建设背景下，承担着与智慧交通相关的交通设施方面人才培养任务的交通工程类传统工科专业面临着专业工程能力及经、管复合能力不足的双重挑战。交通工程专业必须打造工管联合的人才培养新结构，探索复合人才培养的新路径。围绕交通工程“专业+”人才培养目标对实践能力的要求，实践教学应该与行业内知名企业开展深度合作，推进不同特色的订单式人才培养，设计企业培养方案，开发校企合作课程，实施校企学分互认，为学生提供良好的产业实践场景，学生的实践能力得到场景式锻炼，实现学生各方面能力与产业需求的有效衔接。通过实践，学生能够理解与评价针对交通工程技术复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响，具备“新工科”人才的基本素养，能够就交通系统规划、设计、施工、管理等复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通与交流。

2  传统交通工程专业实践教学环节存在的问题

交通工程专业是学校一个新兴专业，成立于2004年，一直秉承“厚基础、强实践、高素质、重创新、倡创业”的育人目标。但是由于诸多因素的影响，本专业教学中存在一定的问题，尤其是实践教学环节，主要问题如下。

2.1  对实践重视程度不够

交通工程专业培养方案中理论教学占比较大，而实践教学环节学分只有35，仅占总学分的20.11%，包括课程实验6学分，实验课程3学分，课程设计3学分，实习与毕业设计14学分，素质拓展9学分。6（课程实验）+3（实验课程）+3（课程设计）+14（实习与毕业设计）+9（素质拓展），显然，相关实践和实训课程无法满足学生动手能力培养的需求，另外在课程的组织和人才培养方案的制定过程中，考虑工程需求过少，重点强调了课程的内容编排和相关知识的系统性，重理论而轻实践。同时，专业教师在教学过程中对现有的实践课重视程度不够，错误的认为实践课仅仅是理论课的补充和附带品，导致学生对本专业的认识仅仅停留在书本层面上，缺乏有效的实践经验训练，仅仅通过死记硬背理论知识的学习方式达到通过学科考试而获得毕业资格的目的，没有获得应有的工程能力与科技创新能力，不利于学生今后职业生涯的发展。因此，如何重视实践教学，开拓创新实践途径，是实践教学模式创新的一个重点与突破点。

2.2  专业实践教学与理论教学衔接不够密切

根据以往的实践教学惯例，在学习专业基础课之前要开展交通认识实习，主要是带领学生走马观花的参观城市道路相关设施等。但是仅通过参观城市交通设施、交通组织方式、道路工程结构的布置与工程技术人员讲解的这种实习方式无法解决“交通工程学”、“交通管理与控制”、“交通设施设计”等课程的基础性实践内容问题。交通生产实习内容多倾向于道路施工工艺、运行管理、企业文化和交通工程检测项目、施工方法和技能，对于智能交通、智慧交通要求的智能化、数字化等方面的内容涉及很少。目前智慧交通技术与“互联网+教育”教学模式融入传统交通工程专业的改造过程中，相应的课程体系发生了翻天覆地的变化、实践教学体系也应该相应的发生变化，原先的实践教学内容已无法满足培养目标的要求。实践教学的各个环节设置在持续改进中应注重与课堂教学之间的联系，体现理论教学与实践教学的有机结合。

2.3  缺乏强有力的专业师资队伍

师资队伍是实现教学目标的重要保障，目前大部分专业教师都只有学校的教育经历，具有工程背景的师资占比较小，教师对学生的实践指导能力有一定的欠缺。另外学校也没有与企业建立必要的联系，吸纳社会上具有专业知识和实践经验的专家、工程技术人员加盟扩充学校的教学和科研队伍，以提高整个教师队伍的工程素养。另外，受制度的约束，在教学过程中企业参与实际教学受到了诸多限制，没有对学生进行与工程实际相关的系统训练。因此，交通工程专业实践教学效果大打折扣。如何加强专业教师的实践教学能力，更好地培养学生解决工程问题的能力是本专业实践教学改革的首要任务。

2.4  在实践教学中学生参与度不够

在校内进行实践教学时，往往停留在传统课堂的实验验证理论、实习集体观摩的现象，忽略了学生才是实践活动的主体，而教师只是负责从旁指导的基本教学原则，客观地强调物理实验台件数受限、实验仪器比较贵重、学生人数多难以管理等原因，难以激发学生积极的情感体验，从而主动参与到实践教学环节中，更无法上升到独立思考问题，探索与创新解决工程实践问题了。在校外进行实践教学时，由于前期基础实践技能训练薄弱，深入企业实践时间较短，还有考虑到安全方面的因素，在校外的实践教学环节大多是参观与听讲座，走马观花，无法深入参与工程实际问题的探索与研究，参与实际动手的概率极低。如何加强学生在实践过程中的参与度，利用所学的专业知识和在实践过程中学到的相关经验知识，提高解决复杂工程问题的能力是实践教学改革的重点与难点。

2.5  产学研结合不够紧密，与企业的联系不够

在行业领域实际生产流程是怎么样的，目前行业最先进的技术是什么？社会迫切需要什么样的技术来解决行业难题？如何培养实事求是的工作作风和踏踏实实的工作态度、树立良好的职业道德和组织纪律观念？如何理解与评价针对交通工程技术中复杂问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响？什么是交通工程师应具备的职业道德与社会责任？这些都是无法从书本的知识、理论讲授中获得，要培养学生的动手能力和工程素质必须让学生深入企业一线，让学生在企业的实践中解决问题、提升能力，这是校内的实践教学和工程训练都无法取代的，也是本专业实践教学面临的最大困难和薄弱点。因此，如何打破人才培养途径的制约，做到深化产教融合、校企合作、协同育人，是本专业实践教学体系改革的突破点与难点。

2.6  缺乏明确合理的评分标准用于评价学生的学习成果和表现

在传统的实践教学过程中，相关的教学文件不够规范，实践教学评判方式比较单一，课程实验在课程结业考核中仅仅只按照平时成绩的一部分纳入考核。实验、实训、实习成绩也仅仅是通过实验报告进行评判，设计成绩通过设计报告、设计图纸进行评判。没有注重平时的过程管理，学生实际参与度无法得到相应的衡量，随大流吃大锅饭的现象普遍存在。同时也没有反馈机制，学生是否对基本原理、基本概念、基本流程已经基本掌握，是否获得相应的实践结果往往不得而知。因而规范相关教学文件，建立明确合理的评判体系以及改革实践教学的评判模式与方法势在必行。

3  实践教学改革探索

3.1  基于CDIO理念，构建实践教学体系

CDIO即构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运行（Operate），它是现代工业产品从构思研发到运行乃至终结退休的全生命过程[11]。CDIO工程教育理念就是要以此全过程为载体培养学生的工程能力，包括个人的工程科学和技术知识，学生的终身学习能力、团队交流能力和在社会和企业环境下产品、过程和系统的建造能力[12]。在实践课程体系构建中，以项目实施为主线，重构课程群，强化工程与实践，强调理论与实践的有机融合。项目体系由三个级别的多个项目组成，承担着融合课程群知识点的重要任务。实践性教学环节至少占每门课程时数的四分之一，有项目的课程实践教学时数至少占到三分之一，修订培养方案，提高实践教学环节占比至26.6%。实践性教学环节包括交通调查、方案设计、计算机仿真、综合实验和项目实施。基于以上思路构建了交通工程专业四个层次六个模块的实践教学体系，如图1所示。根据交通工程专业实践教学体系的总体目标，考虑知识的层次结构及学生能力培养的渐进性，以培养交通工程专业复合型应用人才为目的，组织各教学内容，构建实践教学体系的四个层次，即：专业基础实践、专业技能实践、工程训练实践、创新研究实践；考虑交通行业人才需要，将交通工程专业的实习、实验、设计、科研活动等实践环节，划分为六个模块，分别是学科基础模块、专业实验模块、专业实习模块、工程训练模块、综合实践模块、素质拓展模块。交通工程专业实践教学体系从实验、实习、设计、创新研究等教学环节入手，层层深入，突出面向工程实际，为交通工程专业整个培养模式的建立奠定了基础。

3.2  依托产学研深度融合，搭建校企合作培养桥梁

不少学生在毕业后，还需要一定时间的角色转换过程，尽管其所学的知识和所掌握的技能，可以担当起企业单位的工作，但这一过程存在很大差异。转换成功的学生，能够很好适应工作需要，很快成为企业业务的骨干；而不成功的学生，往往其职场的发展就会出现坎坷。因此，学校的培养过程和环节就需要打破校内外的边界、课堂与工程现场的边界、学生身份与企业员工身份的边界，按照工程人才培养的规律，校企共同确立培养目标，将所有工程人才应经历的培养环节进行贯通安排，充分利用不同教育环境、教育资源以及在人才培养方面的各自优势，建立产学研密切结合的运行机制，构建“教学、科研、生产”一体化的人才培养新途径，切實保障交通工程专业“新工科”人才的培养。目前本专业通过采用“稳定的实践教学基地+流动实践教学基地”相结合的方式，充分利用周边教学资源开展实践教学活动，与多家企业联合开展《交通认识实习》、《交通工程生产实习》、《毕业实习》等相关教学工作，还邀请企业专家参与毕业设计（论文）的指导和考核，近些年来，交通工程专业先后邀请广西北投交通养护科技集团有限公司、中交第二公路勘察设计研究院有限公司、中铁第四勘察设计院有限公司等企业专家作为交通工程专业校外指导教师指导学生毕业设计。这些毕业设计的选题和交通工程专业的工程实际问题密切结合。在毕业设计过程中，强调行业企业专家进行合理性评价和工程指导，鼓励学生与交通行业相关企业单位联系，在校外进行毕业设计。专业在毕业设计的选题过程中，邀请行业企业单位的工程技术人员和学院的导师讨论并设计符合专业毕业设计（论文）要求的课题。在毕业答辩过程中，邀请行业企业单位专家与校内指导教师一起考核毕业设计的完成情况及综合应用所学知识解决实际工程问题的能力。另外还根据招聘名师、培养骨干、校企合作、专兼结合的原则，积极拓宽师资队伍的来源渠道，优化教师队伍，健全管理机制，建设具有双师素质、双师机构的优秀教学团队，以培养满足社会需求的交通工程“新工科”人才为基本原则，有意识地努力构建一支高素质的双师型师资队伍。在实践教学过程中，同时注重培养学生的团队精神，注重学生在团队中的分工与合作，适应团队不同的角色，以团队的形式完成实践教学活动，使学生毕业后能快速融入团队协作创新。

3.3  以“双创”背景促进交通工程专业“新工科”人才培养环境建设

积极推进素质教育，构建学生素质拓展体系，有效地提高学生全方面的能力和素质，建立推动本科生参与科研创新实践活动的长效机制。以人为本，以促进学生成人、成才为核心，举办创新创业计划大赛等各类创新创业活动，营造良好的创新创业氛围。调动学生自主参与科研、教师指导学生科研的双向积极性，鼓励教师和学生积极参与交通工程专业各项科技大赛，提高学生的创新意识和创新能力，营造创新创业应用型人才的成长环境。按计划、有组织地开展创新创业活动，完善鼓励教师吸收本科生参加自己的科研工作的措施；建立“创新人才培养计划”项目，表彰在创新活动中表现突出的学生和指导教师，使更多的大学生参加到创新实践活动中来；坚持举办各种学术报告会，开阔学生视野，启迪学生的智慧和创新意识；聘请企业家、著名创业成功人士开讲座，介绍创业历程和创业经验，分析成功与失败的原因，为学生提供借鉴。本专业教师指导学生参加各种科技创新与社会实践活动，引导学生选择恰当的技术、现代工程工具和智能仿真技术工具，自主设计/开发解决方案，运用合理的科学方法对其进行研究，同时考虑工程与社会、环境的影响，并且在创新过程中能够正确处理个人利益和团队利益的关系，理解个体任务与团队目标的关系，从而进一步促进学生达成设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、个人与团队等毕业要求。

3.4  以“数字孪生”技术为基础，助力交通工程专业实践教学

运用虚拟现实、交通仿真、有限元分析等CAE软件，教师在专业课授课中可以增加实验演示，结合复杂逼真工程场景进行高效授课。按15门专业课程，每门课程进行1学时，每年级80人，每年可以增加1 200人时数。部分课程仿真演示如图2至图5所示。

运用虚拟现实、交通仿真、有限元分析等CAE软件，在《结构设计原理》、《结构力学》、《弹性力学》、《道路勘测设计》、《道路施工组织与概预算》、《桥梁工程概论》、《路基路面工程》、《道路工程材料》、《土质学与土力学》、《基础工程》等专业课中增加虚拟仿真实验项目。按增加20学时实验项目，每年级80人，每年可以增加1 600人时数。部分仿真实验演示如图6、图7所示。

由于交通工程专业具有学科交叉特点，涉及交通规划、交通管理与控制、交通基础设施建设与管理多个工程领域，运用少量工作站设备投入，可以大量增加实验人时数，为实验、实训提供良好支撑，同时也培养了数字化思维，让学生学会充分利用现代化的信息化与网络化技术解决复杂性工程问题，使其更能适应智能化、数字化等行业发展要求，更能持续关注交通科学和技术的前沿动态，适应产业变革的发展趋势。

3.5  以学生能力培养为目标，建立完善的实践教学考评体系

为保证学生实习、实训的效果，学校出台文件《武汉科技大学本科各主要教学环节质量标准》，对实验、实习、课程设计和毕业设计等实践教育环节的教学质量标准做出了明确的规定。同时针对实践教学中的不同形式，学校也出台了各类实践教学的管理办法，如《武汉科技大学本科实习工作管理办法》、《武汉科技大学本科毕业设计（论文）工作管理办法》等。在此基础上，本专业从考核内容、考核成绩评定等方面构建了设计、实习、实验等实践教学考评体系，如表1所示。同时更新传统的评价方法，如对于实验实习的评价不再仅仅依据实验和实习报告，而是注重过程评价，采用平时成绩与实验（实习）报告成绩加权评价。同时引入了反馈机制，在实践教学过程中任何达不到基本要求的学生将被要求返回上一环节，直至达到要求为止。如实验课程学习之后，需要完成团队讨论、自主回答的过程，基本概念、基本原理必须人人过关，达不到要求的学生将被要求返回上一环节。实习平时讨论过程，教师根据讨论汇报给出相应的评价。现场观摩讲授的补充内容也是考核内容之一，实习结束后将组织学生进行实习答辩。平时成绩与实验（实习）报告成绩相结合的考核测试，将对学生的学习过程给予更多的关注，也使考核成绩更加科学合理，从关注结果转变为关注过程，对学生进行全面的发展性评价。

4  教学效果评价

通过对实践教学模式的改革，本专业学生在科技创新与社会实践方面取得了显著成果。近几年来发表论文13篇，申请获批专利及软件著作权27项，60人次参与教师科研项目17项，获得“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、“创青春”大学生创业竞赛、“互联网+”大学生创新创业大赛、物流设计大赛、全国交通科技大赛、全国大学生工程训练大赛等各类科技创新比赛奖励9项。获批大学生创新创业训练计划项目10项，其中国家级3项，省级2项，校级5项，数量和质量都有明显提升。

另外，本专业教师团队对毕业生及用人单位也进行了线下走访、线上问卷等调查。从反馈的结果来看，学校交通工程专业毕业生在交通工程设计、施工、管理上具有一定的优势，能较好地适应道桥施工工程等方面的工作。在工作作风、对新技术和跨学科知识的学习、人际交住、团队合作、职业道德修养、社会责任感等方面均受到用人单位的一致好评。

5  结束语

面对新工科建设的交通工程专业人才培养需求，改革交通工程专业实践教学模式势在必行。基于CDIO理念，构建了四层次六模块的实践教学体系；依托产学研项目，通过校企合作途径，培养学生解决实际工程问题的能力，实现学生能力与产业需求的有效衔接。以“双创”为背景，积极构建浓厚的科技创新氛围，鼓励学生参与工程项目训练及各种科技创新活动。以“数字孪生”技术为基础，构建场景化工程实践教学平台，开拓学生实践训练渠道。规范教学文件，建立完善的实践教学评价体系，改革实践教学评价模式与方法。为了对本专业实践教学模式改革效果进行评价及后期持续改进，对已毕业学生和就业单位进行了跟踪调查，从反馈情况来看，学校毕业生在交通工程设计、施工、管理上具有优势，能较好地适应道桥施工工程等方面的工作。在工作作风、对新技术和跨学科知识的学习、人际交住、团队合作、职业修养、社会责任感等方面均受到用人单位的一致好评。但是，在智能交通、智慧交通等前沿技术方面的岗位胜任能力仍有所欠缺，下一步本专业教师团队将继续充分调研行业需求，结合国家交通发展战略，对实践教学模式进行持续改进和完善，以期培养高素质的复合型的“新工科”人才。

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