蔡 銘，徐 朋，黃 敏，章 偉

（中山大學(xué) 智能工程學(xué)院，廣東 廣州 510275）

一、引言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是新世紀(jì)教育背景下出現(xiàn)的新型教學(xué)模式，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享化和網(wǎng)絡(luò)化為核心，滿足多學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，以此推動(dòng)教學(xué)改革和促進(jìn)教育質(zhì)量的提升。

中山大學(xué)智能交通工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心圍繞智能交通、綠色交通的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)，開展基于虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)仿真、網(wǎng)絡(luò)交互、智能設(shè)計(jì)等技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究工作，支撐交通環(huán)境工程、噪聲控制工程、交通地理信息系統(tǒng)、交通軟件與系統(tǒng)應(yīng)用控制等多門課程共享資源的建設(shè)，探索虛擬仿真與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

二、智能交通工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系內(nèi)涵

1.基本概況

中山大學(xué)智能交通工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成立于2017年，依托中山大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（成立于2013年）和工學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心（成立于2008年）建設(shè)，同時(shí)擁有廣東省智能交通系統(tǒng)（ITS）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、視頻圖像智能分析與應(yīng)用技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省交通環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與治理工程技術(shù)研究中心、OpenITS等科研平臺(tái)進(jìn)行支撐，并有學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心提供網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持。

中心現(xiàn)有一支教學(xué)水平高超、科研能力卓越、實(shí)驗(yàn)技術(shù)能力強(qiáng)大的教學(xué)和技術(shù)管理隊(duì)伍。其中，正高級(jí)職稱共17人，副高級(jí)職稱共22人；其他技術(shù)人員60余人，擁有博士學(xué)歷6人，碩士學(xué)歷49人。

中心現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研面積4000余平方米，擁有價(jià)值超2000萬元的儀器設(shè)備，包括模擬控制中心（總價(jià)值近百萬的交通仿真軟件）、中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站實(shí)訓(xùn)基地（近百種大氣監(jiān)測(cè)相關(guān)儀器設(shè)備）、試驗(yàn)車道、交通數(shù)據(jù)采集車、無人機(jī)課外開發(fā)平臺(tái)、虛擬道路模擬駕駛仿真平臺(tái)等。

2.建設(shè)的必要性

（1）新工業(yè)革命帶來的新技術(shù)沖擊較大

傳統(tǒng)的交通學(xué)科受大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等新技術(shù)的影響越來越明顯，新技術(shù)的變革是傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型的必由之路，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能支撐現(xiàn)有知識(shí)體系的發(fā)展，而改變教學(xué)模式，采用虛擬網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)、仿真模擬、評(píng)價(jià)等，可更直觀、更方便地展示交通新技術(shù)、新方法，有助于學(xué)生的理解和學(xué)習(xí)。

（2）交通系統(tǒng)形態(tài)演變復(fù)雜

交通形態(tài)演變復(fù)雜，惡劣天氣、交通事故等不可預(yù)測(cè)的極端事件對(duì)交通系統(tǒng)的影響無法重復(fù)觀測(cè)，因而無法通過分析來盡可能地減少這類事件對(duì)交通系統(tǒng)帶來的損失，從而提高交通網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)時(shí)間適應(yīng)性，同時(shí)也對(duì)學(xué)生的實(shí)習(xí)過程帶來不確定的安全隱患。運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行模擬，可以更好地解決這些難題。

（3）交通專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)相對(duì)獨(dú)立

專業(yè)課程之間的實(shí)驗(yàn)相對(duì)獨(dú)立，易產(chǎn)生學(xué)習(xí)斷面，不利于整體系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。例如《交通調(diào)查與分析》課程所用到的數(shù)據(jù)及部分分析方法，在《交通環(huán)境工程》課程里也需用到，這容易造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等的重復(fù)采集和分析。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可將不同的課程教學(xué)成果關(guān)聯(lián)起來，形成系統(tǒng)的教學(xué)體系，有助于學(xué)生的理解和學(xué)習(xí)。

3.建設(shè)思路

加快深化工程教育改革，建立“新工科”是立足于我國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)和立德樹人時(shí)代要求提出的深刻命題。中山大學(xué)智能交通工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心面向“新工科”的要求，貫徹國(guó)家“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，緊貼交通學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，著力開展“教研協(xié)同、校企聯(lián)合”模式的教學(xué)實(shí)踐形式改革，探索虛擬仿真與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)智能交通工程領(lǐng)域優(yōu)秀人才。

4.建設(shè)內(nèi)容

中心構(gòu)建了從專業(yè)基礎(chǔ)、綜合訓(xùn)練到創(chuàng)新實(shí)踐的層層遞進(jìn)式、四年貫通的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，形成了包括專業(yè)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、綜合訓(xùn)練虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、創(chuàng)新實(shí)踐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K的三個(gè)教學(xué)模塊，具體如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

（1）專業(yè)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

該模塊以強(qiáng)化學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)研究能力為目標(biāo)，依托于 《交通工程》《工程測(cè)量》《交通調(diào)查與分析》《工程制圖》《智能交通系統(tǒng)概論》《電子技術(shù)開放實(shí)驗(yàn)》等理論、實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)。模塊中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，在加強(qiáng)學(xué)生基本知識(shí)、基本理論、基本實(shí)驗(yàn)技能學(xué)習(xí)的同時(shí)，讓學(xué)生實(shí)操能力、動(dòng)手實(shí)踐能力得到充分訓(xùn)練，并向?qū)W生傳授科研理念、科研文化。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括“交通調(diào)查與分析實(shí)驗(yàn)”“工程測(cè)量實(shí)驗(yàn)”和“電子技術(shù)開放實(shí)驗(yàn)”。

（2）綜合訓(xùn)練虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

該模塊以提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力為目標(biāo)，依托于《交通地理信息系統(tǒng)》《數(shù)字圖像處理》《視頻技術(shù)》《交通規(guī)劃與設(shè)計(jì)》《交通軟件與系統(tǒng)應(yīng)用控制實(shí)驗(yàn)》《交通管理與控制》《交通流理論》等理論、實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)。模塊中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)于專業(yè)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K之上，該模塊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能進(jìn)一步拓展學(xué)生的實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)能力，有效啟發(fā)學(xué)生的科研思維，為學(xué)生科研能力、創(chuàng)新能力的快速提升奠定基礎(chǔ)。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括“交通仿真與分析實(shí)驗(yàn)”“交通地理信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”“視頻數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)”。

（3）創(chuàng)新實(shí)踐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

該模塊圍繞智能交通系統(tǒng)的創(chuàng)新實(shí)踐運(yùn)用設(shè)計(jì)，以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新科研能力為目標(biāo)，依托于《交通環(huán)境工程》《噪聲控制工程》《道路交通系統(tǒng)建模與仿真》《科學(xué)研究實(shí)踐與創(chuàng)新》《課程設(shè)計(jì)》《畢業(yè)設(shè)計(jì)》等理論、實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)。該模塊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的載體主要來源于專業(yè)教師承擔(dān)的國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然基金項(xiàng)目等高水平基礎(chǔ)科研項(xiàng)目和工程應(yīng)用項(xiàng)目的成果轉(zhuǎn)化，支撐學(xué)生課外科研項(xiàng)目的創(chuàng)新性訓(xùn)練和課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐訓(xùn)練。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括“交通噪聲模擬與分析實(shí)驗(yàn)”“交通尾氣排放模擬與分析實(shí)驗(yàn)”和“交通大數(shù)據(jù)分析與處理實(shí)驗(yàn)”。

三、智能交通工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色

中心以綜合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、技術(shù)手段改革為重點(diǎn)，不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，已形成以下三大特色：

1.通過結(jié)合新型技術(shù)，依托大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等有效提升教學(xué)水平

中心依托廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)力量，以跨學(xué)科交叉和教學(xué)資源共享推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體現(xiàn)了信息化、智能化、大數(shù)據(jù)的發(fā)展潮流和多學(xué)科交叉融合的技術(shù)趨勢(shì)。中心一方面利用多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及溝通輔導(dǎo)模式更為多元和靈活，并通過開放共享有效擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的交流和影響；另一方面立足于工學(xué)院，與數(shù)據(jù)科學(xué)與計(jì)算、地理科學(xué)與規(guī)劃等學(xué)院及相關(guān)企業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行教學(xué)合作，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度。

2.通過加強(qiáng)校企合作，推動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的持續(xù)發(fā)展

中心已與北京晶眾智慧交通科技股份有限公司（共同開發(fā)了交通信號(hào)感應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等）、廣州市公安局交通警察支隊(duì)（簽訂了“人才培養(yǎng)實(shí)習(xí)基地合作協(xié)議”）、廣東方緯科技有限公司（共建中大-方緯聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室）、廣州市公共交通數(shù)據(jù)管理中心（為實(shí)踐教學(xué)提供數(shù)據(jù)資源支持）等10余家機(jī)構(gòu)、企業(yè)形成了戰(zhàn)略伙伴關(guān)系。企業(yè)技術(shù)力量雄厚，擁有業(yè)內(nèi)高素質(zhì)的團(tuán)隊(duì)，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的搭建及研發(fā)提供了強(qiáng)大的技術(shù)力量支持。在校企聯(lián)合共建模式下，企業(yè)與高校之間形成了相互促進(jìn)、共同發(fā)展的良好局面。

3.通過不斷豐富內(nèi)涵，逐步擴(kuò)大教學(xué)、實(shí)驗(yàn)資源的開放共享

中心資源的共享包括教學(xué)資源的網(wǎng)絡(luò)共享、實(shí)驗(yàn)資源的開放共享以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開放共享。教學(xué)資源的網(wǎng)絡(luò)共享主要是開放各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用戶可在網(wǎng)上查到相關(guān)內(nèi)容；并且應(yīng)用虛擬化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)VISSIM、Paramics等仿真軟件的校內(nèi)共享。

中心依托國(guó)際合作組織OpenITS聯(lián)盟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)資源的開放共享，目前已有開放數(shù)據(jù)集、開放測(cè)試工具、開放論文三大類資源，這些資源部分已納入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中。中心的軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以通過遠(yuǎn)程控制進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，通過云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)，除了對(duì)本中心全體師生開放外，大型的儀器設(shè)備、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)也對(duì)學(xué)校其他院系和社會(huì)研究機(jī)構(gòu)開放。

綜上所述，中心立足于智能交通工程專業(yè)本科人才培養(yǎng)的要求，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)納入專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系，構(gòu)筑了3個(gè)模塊的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，以達(dá)到高效管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的目的，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，促進(jìn)了交通專業(yè)學(xué)科的人才培養(yǎng)。