基于科教融合的交通工程精品实验建设与实践

［摘 要］ 为实现培养目标中“能设计及运用现代交通仪器和信息技术对复杂交通工程问题分析和模拟计算”的交通工程专业毕业要求，须利用科教融合手段设计实验方案和构建实验系统，达到“两性一度”的标准要求。以“不同能见度对驾驶安全影响实验”精品实验项目建设为例，介绍了以复杂科研实验萃取为教学实验项目的基本原则，以先进科研装备为手段，遴选科研实验、结合开放实验到最后成功应用至实验教学等环节。实践证明，科教融合的实验教学对学生的人格素养和创新能力培养具有积极作用，学生评教调查表明，基于科教融合的实验教学具有挑战性，能够激发学生深度思考，取得优秀的教学效果。

［关键词］ 科教融合；精品实验；交通工程实验；创新能力

［基金项目］ 2022年度同济大学第十五期精品实验建设项目“能见度对驾驶行为和交通安全的影响分析实验”（1600104153）

［作者简介］ 毋妙丽（1971—），女，山西运城人，工程硕士，同济大学道路与交通工程教育部重点实验室高级工程师，主要从事基于虚拟驾驶平台的实验教学及管理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）10-0005-04 ［收稿日期］ 2023-01-05

引言

联合国教科文组织于2022年5月18日至20日召开第三届世界高等教育大会，提出重塑高等教育的理念与实践，以培养学生探究式、批判性思维和创造力作为塑造高等教育未来六项原则之一［1］。结合交通工程专业“交通强国”国家战略，高校须培养具有交叉学科知识背景、国际化视野、宽广的专业内涵、与时俱进的复合型创新人才［2］。在此背景下，实验室充分发挥同济交通学科优势，在多年实验教学和实践环节中，紧跟培养目标、毕业要求、课程体系的变化，结合科教融合开设了系列实验项目［3］，作为培养学生认识工程问题、解决复杂交通工程问题能力的重要手段。

将人—车—路—环境所形成的复杂的交通系统工程作为对象，以实际交通问题为案例，使学生深刻理解交通系统中各个因素之间的关系和各因素对道路安全存在的隐患，引导学生思考如何解决问题。本文以“交通工程实验”课程中“不同能见度对驾驶安全影响实验”精品实验项目建设为例，通过实验分析交通环境因素之一，即天气变化（雾的浓度）对驾驶员的行为影响，阐述了将科研实验萃取为教学实验能够成功地将相关科研成果渗入课内的实验项目，为其他类似案例提供参考。

一、以萃取科研实验为课内实验的基本原则

传统意义的科教协同，通常是指大学与科研院所的相互配合、协同育人，通过发挥双方优势，提高人才培养质量［4］。本文主要探索将实验室的科研成果应用在本科实验教学中对学生能力培养的作用。科研实验着眼学术前沿和实际工程需求，应用在本科生的实验和实践课堂中，须对实验项目进行遴选和萃取，明确实验项目的重点，选择适合的实验内容和方法，理论结合实践，促使实验与教学效果相得益彰，从而建设成精品实验。为保障课内实验能有效完成，遴选和萃取时要把握一个“度”。根据近几年的实践和学生的综合评价，以“不同能见度对驾驶安全影响实验”为例，总结从科研实验延伸至课内实验教学的基本原则。

（一）实验设计新颖，符合教学内容的原则

科研项目实验具有前瞻性和实用性的特点，加之设备先进，应用在实验教学中大大拓宽了学生的视野。先进实验装备是学生施展能力的重要舞台，在此基础上设计的实验项目具有新颖性，能吸引学生的兴趣。该实验项目基于实验室内国际先进的8自由度驾驶模拟平台开展，平台集电子技术、通信技术、交通、汽车及机械等专业知识于一体，方便学生直观了解交叉学科在本专业的应用。实验克服了传统只在课上进行理论知识讲解的弊端，学生可以通过亲身体验，感受环境变化对驾驶员的驾驶行为及心理影响，理解人—车—路—环境之间的耦合关系，根据理论知识结合工程应用更能体现实验的新颖性。

（二）实验项目设计符合“两性一度”原则

科研实验反哺本科教学的综合性实验能有效地满足实验的“两性一度”标准，但在萃取本科实验时还要把握住“度”，难度太高学生掌握不了，难度太低又会变成演示实验。“两性一度”是教育部副部长吴岩提出的“金课”标准，即高阶性、创新性、挑战度［5］，也是对实验教学的至高要求。

实验设计的高阶性，要从实验目的、实验性质和学生能力培养上考虑，结合开放创新实验，完成场景设计—实验分工—平台驾驶—数据提取—分析数据—报告等步骤，有效训练了学生解决复杂问题的综合能力。创新性主要体现在实验内容和实验手段上，实验内容以科研项目为依托，萃取时须反映前瞻性和创新性。如“不同能见度对驾驶安全影响实验”以国际最先进的8自由度驾驶模拟平台为实验手段，保障了实验项目的先进性和师生之间的互动性，在不同实验阶段也体现了实验的探究性和个性化创新。实验设计的挑战度则遵从学生培养的共性基础+个性发展需求。个性化实验设计服务学生参与创新实验及交通科技大赛等，具有一定的挑战度，学生应进行文献阅读，采用不同手段深入思考问题，从而有效地提高综合素质。

（三）实验设计体现能力培养公平性原则

实验教学的公平性表现在既要普遍受益，又要体现因材施教，即共性基础+个性发展。课上的实验教学内容，要保障绝大多数学生可以完成，保障“共性基础”能力的培养；对学有余力的学生可选更深层次的实验内容，亦可向学生提供课后开放实验和科创实验的“个性发展”需求。实验指导教师的认真挖掘及合理设置，均要满足实验教学项目的共性基础和个性发展的设计需求。

二、科教融合的交通工程精品实验项目建设实践

交通工程传统实验主要由交通调查、交通规划、交通控制及交通设计等部分组成，实验项目多采用现场交通调查、交通仿真软件等手段进行［6］。近年来，道路交通事故的产生对民众的生命安全和财产损失影响巨大，如何分析影响因素、评价事故安全与预测和预防事故，如何仿真事故并通过驾驶模拟行为分析事故，已成为道路交通安全的研究趋势与热点问题［7］。“不同能见度对驾驶安全影响实验”项目的出发点紧跟交通行业需求，从实验准备到实验报告，遵从“现象—问题—理论—思考—结论”几个阶段，以高速公路浓雾天气驾驶为实验环境，在不同的位置设置触发器，模拟现实的天气环境变化场景。为增加实验的可比性，须要进行两段道路环境变化设置，即无雾—淡雾—无雾—浓雾。

（一）前沿设备保障了实验内容前瞻性

道路与交通工程教育部重点实验室8自由度驾驶模拟平台是目前国内最先进的模拟器，由8自由度运动系统、视景系统、声音系统、数据采集系统、操作及反馈系统、安全控制系统组成，能高逼真度模拟车辆驾驶的过程，是将先进科研设备应用在本科实验教学的成功案例。通过对设备的了解和使用，学生可了解交通领域的前沿设备及交叉学科对传统交通工程的支撑和推动，拓宽了学生的国际视野，同时，实验的前瞻性会为学生的进一步深造打下基础。

（二）科教融合拓展了精品实验的深度和广度

十余年来，百余项道路安全与驾驶行为的实验研究积累，为教学实验打下了坚实的基础。从不同层面进行提炼和萃取，从开放实验和创新实验试点，根据学生的反馈不断对实验方案的深度和广度进行优化，确保教学在规定的实验学时内完成。实验能够弥补仅通过仿真软件，如Paramics、VISSIM等模拟交通问题的不足，且在逼真的场景里驾驶车辆，重复开展现实生活中无法进行的实验。通过实验及分析可以帮助学生为其今后从事道路应急组织、优化道路交通事故处理机制提供科学的研究方法。对实验的内涵和外延进行进一步拓展与探索，如在数据分析时考虑实际科研实验样本需求，借鉴相关文献考虑多样性的样本对驾驶行为的影响等。

（三）实验设计体现了个性和共性需求

“不同能见度对驾驶安全影响实验”项目在实验不同阶段对应的学生能力培养见图1示意。以掌握实验设备原理及基本操作、设置道路场景等为共性基础，需要所有学生能够使用模拟软件设置环境变化的触发条件及分组分工驾驶；为满足学生的个性化需求，结合生理仪器对驾驶车辆数据和生理反应数据综合处理，进一步深化实验方案、进行数据清洗并精确分析驾驶行为。个性化需求不是实验内容的强制要求，而是作为拓展实验，即在课后进行的创新开放实验。

三、精品实验建设成效

基于科教融合的不同能见度驾驶行为实验，弥补了纯理论教学的不足，将工程实践和实验教学进行了深度融合。学生通过6个学时的实践，不仅掌握了国际先进仪器在本专业的应用，直观感受了不同天气条件下的驾驶，而且建立了安全驾驶的意识。同时，在课程讲授过程中，教师会结合科研实验所遇到的困难与学生分享，使学生认识到在科学研究过程中遇到的各种难题都可通过科学的方法逐步解决，这种融于课堂的德育教育，能够潜移默化地影响学生的价值观，使学生受益终身。连续三年，学生对实验进行了评教，评教分值分别为9.9、9.7和10分（总分10分）。精品实验建设成效主要体现在以下几个方面。

（一）激发了学生的实验兴趣

以工程应用或前沿研究为对象设置实验项目，能够极大地激发学生的好奇心和学习兴趣。针对大学生埋头于理论知识学习的情况，实验项目可以让学生了解科研项目的整体过程，尽管教学实验的深度和广度远达不到科研项目的要求，但基于该科研平台能够结合开放实验进行相关问题的深度探索。以小组为单位，各自又有不同的分工任务，能够培养学生的团队合作精神，且实验报告要求小组成员选择不同的角度进行分析，所以一次实验相当于学生完成了多个项目。调查统计发现，94.7%的学生表示明确了实验内容和目标，100%学生认为实验教学方式和方法有特色，效果很好，89.8%的学生表示实验激发了他们的学习兴趣，促使他们深度思考。

（二）实验新颖、有挑战性，锻炼了学生的综合能力

实验项目在科研实验项目萃取时坚持了上述的原则，保障了实验设计不流于形式，且在难度上把握了学生能在规定时间内完成。从实际工程中提取与理论知识关联的部分，实验前学生须查阅相关论文，收集实验素材；在课上快速掌握场景建模及环境变化触发设置；在8自由度模拟器中作为受试者，感受恶劣条件下的危险驾驶；在实验结束后，教师引导学生对道路交通安全驾驶进行深入思考，根据实验数据得出极端条件下的驾驶行为指导建议。实验设计新颖但又受样本限制，在统计分析、数据清洗、主客观评价等方面具有一定挑战性。在学生评教中，94%的学生认可实验设计新颖，内容具有挑战性。

（三）教学相长，提高素养

教学相长是师生两个主体之间相互促进的过程。对于教师主体来说，通过将科研实验分解应用于实验教学环节，在教学过程和实验报告中收到学生反馈，进行教学反思进而激发教师持续改进实验设计，达到精品实验的目标要求。在科教融合的多年探索实践中，实验报告的最后一项都是总结本次实验心得和建议。从学生的反馈中，能体现出学生对科研反哺教学及先进设备应用在教学中的高度认可，也能反映出学生从实验中学到的知识和做人道理。信息时代提供了知识获取的便捷手段，一些反馈和有建树的建议也许正是前期教师没有考虑周全的地方，这个教学相长的过程更有利于实验教学的改进和优化。调查显示，87.6%的学生认为老师学养深厚，知识渊博；91.84%的学生反映老师能有效回答学生的提问。这个比例相对于其他选项来说偏低，体现了学生对教师的要求，也激励教师不断丰富知识结构，学习新技能以满足实验教学的需求。

结语

科教融合开设实验改进了实验教学内容和教学手段，为建设精品实验项目、提升实验教学质量提供了有效保障。结合近几年的实践、学生评教调查和学生对实验的反馈意见进行综合分析，验证了将科研实验萃取和提炼应用在本科实验教学中，能有效激发学生的学习热情和对专业知识的探索精神。在实践过程中，将课内实验和开放实验相结合、共性和个性相结合、课程理论和工程应用相结合训练了学生发现问题、分析问题，以及应用信息先进手段对复杂交通工程问题解决和模拟仿真的能力。2022年12月28日，郑州由于团雾影响驾驶员能见度发生了重大交通事故，这是该实验项目在现实中的一个鲜活例子。结合案例进行学习，将会为学生今后在行业部门制定相关气象灾害预警标准开辟新思路、引发新思考。

参考文献

［1］吴岩.国际共识中国创新：准确把握新时代高等教育发展的着力点［J］.中国高教研究，2022（8）：7-10+23.