交通运输类专业开放创新实验平台建设研究与实践

韩锟，孙 博，陈峰，彭建华

（中南大学 交通运输工程学院，长沙 410075）

2016年，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出：“办好我国高校，办出世界一流大学，必须牢牢抓住全面提高人才培养能力这个核心点。”当前，无论是一流专业建设，还是新工科建设，其核心目标都在于培养研究创新人才，所以，高校如何提高人才培养能力必须围绕创新型人才培养的需求展开。而创新源于实践，所以建设适应创新人才培养的一流实验教学平台，是高校实现人才培养能力提升的基础工程。

自党的十九大以来，国家对交通强国战略的重视程度持续加深，创新发展的步伐加快[1]，亟需培养大量掌握交通类学科前沿和人工智能、互联网、物联网及大数据分析等交叉学科知识的交通运输类研究创新型工程人才，这给交通运输类专业人才培养带来了机遇，也提出了挑战。工程人才培养必须“回归工程实践”[2]，而实践性很强的交通运输类专业[3]，要提高人才培养水平，必须加强在工程人才培养中具有无可替代作用的创新实验平台的建设，为学生提供解决真实的或接近本专业真实工程问题的开放式实验环境，这对培养学生的自主学习能力、独立思考能力和工程创新能力具有重要意义。

一 建设思路

关于实验教学平台建设，教育部在2005 年就提出建设仪器设备先进、资源共享和开放服务的实验教学环境的目标[4]；2015 年国务院办公厅发文“各高校要加强专业实验室、虚拟仿真实验室、创业实验室和训练中心建设，促进实验教学平台共享”[5]；2018 年教育部再次指出“加强校内实验教学资源建设，构建功能集约、资源共享、开放充分和运作高效的实验教学平台”[6]，可见“共享”和“开放”是高校实验教学平台建设的关键词，也是交通运输类专业实验平台建设的基本遵循。

交通运输类专业涉及机电、控制、规划、管理、物流和工业设计等学科知识，多学科“跨界融合”[7]，理论体系复杂。同时，所研究的交通问题来自于交通大系统，比如轨道交通领域列车的运行调度、列车牵引传动系统的控制等，也具有相当的复杂性。理论体系和研究对象的复杂性，使得为学生提供接近真实交通大系统环境和真实交通问题的实验平台，在培养学生综合运用多学科知识和创造性思维解决复杂交通问题的能力中具有突出且重要的意义，但同时也给建设专业特色鲜明的实验平台带来很大挑战。

为此，本文提出面向前沿以优化体系布局、虚实结合以模拟真实问题和融合共建以推动开放创新的建设思路，以中南大学交通运输工程学院开放创新实验平台的建设为例，探索交通运输类专业开放创新实验平台的建设模式。

二 建设实践

（一）面向前沿优化体系布局

国务院新闻办公室于2020 年12 月22 日发布《中国交通的可持续发展》白皮书[8]，指出新时代的中国交通，要着力推进综合交通、智慧交通、平安交通和绿色交通建设。在这条迈向交通强国的可持续发展进程中，新一代信息、先进制造和能源等领域的前沿技术[9]必将发挥关键作用，交通运输类专业也必须面向这些前沿需求培养工程创新人才。

为此，面向交通运输领域研究前沿布局实验平台体系架构，围绕交通运输业未来发展对人才能力素养的需求设计实验场景，构建包括共享支撑平台、学科基础平台、专业特色平台、创新创业平台四位一体和相互融通的开放创新实验平台，使学生通过该平台实现“学科基础素养→专业素养→职业和创新素养”全过程训练。平台的总体架构如图1 所示。

图1 实验教学共享平台总体架构图

其中，共享支撑平台旨在为整个实验平台提供基础的计算资源、信息资源和实验开发及管理工具，以设备先进、运作高效为建设目标，平台软硬件后台统一管理维护，面向管理员、教师和学生三类用户分权限开放。共享支撑平台利用现代信息技术，打破了时间和空间限制，实现了优质计算资源和信息资源的共享，为师生提供了先进的实验和技术开发环境。

学科基础平台整合交通运输类各专业交叉融合的学科基础知识，如信息与控制、人工智能、智能制造及智慧物流等，面向学科前沿进行布局，以培养学生学科基础素养为目标，把宽度、厚基础，通过模块化结构向处于不同阶段的学生提供多层次的实验项目。低年级学生可通过该平台提供的通识性实验，加强对所学基础理论的理解，亦可通过科学探索性实验，了解学科前沿；中高年级学生则可以通过该平台提供的实验模块，根据实验课程或课程实验的具体要求，自主组合以设计出综合性或创新性实验。

专业特色实验平台以《交通强国建设纲要》[10]中的战略布局为基本遵循，布局了时速600 km 高速动模实验系统、储能式机车车辆结构工艺综合实验平台和面向智能网联测试的驾驶模拟器系统等，旨在为强化新型载运工具前沿关键技术研发提供技术和人才储备。同时布局了交通运输调度仿真系统、列车信号与控制实验系统、智能仓储和分拣系统等，旨在为大力发展智慧交通提供技术和人才储备。通过专业特色实验平台，在实验室环境下，最大限度为学生提供融入前沿技术解决专业领域复杂工程问题的平台，培养学生解决专业领域复杂工程问题的能力、攻坚毅力和科学思维。

创新创业平台旨在为学生提供一个深度开放、高度自治的自主创新实践平台，配套有专门的实验场地、实验制作工具和实验耗材，以各类学科竞赛和创新创业项目为驱动，培养学生的工程实践能力、创新创业能力、团队协作能力和沟通管理能力。

（二）虚实结合模拟真实问题

创新始于问题。能为学生提供专业领域真实问题的实验平台，对科研创新型与工程实践型人才的培养至关重要。但前已述及，交通运输类专业面向的是交通大系统中的复杂问题，由于成本、周期和场地等的限制，校内实验平台很难提供原型实验让学生直接接触真实的对象和工程问题。如何通过实验平台模拟真实工程问题是平台建设中需要着力突破的瓶颈。解决这一问题最常用的途径是基于相似原理构建研究对象的缩比模型，例如世界各地已建成了数个高速列车动模型实验平台来模拟列车在各种线路条件下的绝对运动[11]，以开展列车空气动力学领域的相关研究和实验。专业特色实验平台中的时速600 km 高速动模实验系统，就是模型比例为1∶20 的缩比实验系统，为学生提供解决中速磁浮列车空气动力学问题的场景。

近年来，随着现代信息技术与实验教学的深度融合，虚拟仿真实验成为高校破解传统实验教学中“做不到、做不好、做不了、做不上”老大难问题[12]的有效途径，基于虚拟仿真技术的工程实践实验平台建设已成为现代工程教育的发展方向[13]。基于此，在交通运输类专业开放创新实验平台建设过程中，本着“虚实结合、能实不虚”的原则引入虚拟仿真技术，在尽可能模拟真实工程问题的前提下，以虚拟仿真实验拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间及提升实验教学质量和水平。

“虚实结合、能实不虚”的原则体现在以下两方面。

一是在采用实物或缩比模型作为实验对象的同时，为顺应教育信息化的发展趋势，运用虚拟仿真技术建立相应的虚拟模型，二者既可独立实验，也可实时连接，虚实协同。比如智慧物流平台中的立体仓库子系统，如图2 所示，图2（a）是缩比物理模型，图2（b）是虚拟模型。二者独立实验时，学生可以先通过虚拟模型进行路径优化仿真，然后将仿真得到的优化算法及参数下载到控制器，控制物理系统动作，以得到实物控制效果；二者实时连接时，则可通过虚实协同实现路径的动态优化。在这种虚实协同的实验环境下，学生可借助虚拟模型开展仿真实验，仿真实验允许试错，能有效帮助学生克服“怕弄坏实验设备”的畏惧心理，同时也使学生不受时空限制反复多次开展实验，有利于锤炼和提升实验研究技能。

图2 立体仓库子系统

二是对于实验室条件下难以构建的高复杂度、高危险性和高成本系统，则通过虚拟实验场景为学生提供实验条件。此时可遵循“核心工程要素引入、实际运行数据驱动、真实工程问题复现”的原则设计实验项目，力求以“虚”的手段，解决“实”的问题。例如开放创新实验平台中的列车牵引传动与故障诊断虚拟仿真实验项目，其设计理念和架构如图3 所示，来自于实际工程应用的三大数据库：实际运行数据库、核心工程要素库和真实工程问题库是支撑该虚拟仿真实验运行的关键，是其灵魂所在。

图3 列车牵引传动与故障诊断虚拟仿真实验项目体系架构

（三）融合共建推动开放创新

开放创新实验平台采用科教、产教双融合共建模式以保证先进性、实践性、创新性和可持续发展。双融合共建模式下，“科”“产”深度融合至“教”的闭环链路中，如图4 所示。

图4 中的闭环培养链路以学生为中心，通过产、科和教三方在开放创新实验平台建设及应用中的深度融合、协同共建，为工程创新人才的培养提供理实一体化的支撑平台。这种融合共建体现在以下几方面。

图4 科教、产教双融合共建的闭环链路体系架构

第一，开放创新实验平台的建设目标和功能定位由“科”“产”对人才能力的具体需求决定。实现路径：以交通运输类专业教师为主导，通过“引进来、走出去”等方式，深度调研产业发展及需求，结合教师的前沿科学研究和一线教学实践，提出交通运输类工程创新人才培养目标，再将其细化为毕业要求，最终逐条对照毕业要求凝练出期望通过实验平台培养的核心素养图谱，对标一流，追求卓越，得出平台的建设目标和功能定位，做好顶层设计。

第二，开放创新实验平台的先进性和实践性由科教、产教融合来保证。通过科教融合，教师将学科专业前沿知识和科研创新成果融入开放创新平台设计，充分发挥教师对专业和学生了解的优势，将复杂的科研问题转化为不同层次、不同深度和不同广度的实验项目，为学生创设类似科学研究的情景和途径，使学生通过实验项目演绎科研过程，全方位锻炼分析和解决复杂工程问题的能力，并从中体验知识的发现过程，感受科研魅力，从更深的思想层面唤起学生主动学习的内生动力；通过产教融合，一方面可以精准定位交通运输类各专业面临的典型对象和真实工程问题，保证实验项目落到实处，更接地气，另一方面亦可以借助企业的技术支持进行平台各子系统的开发，使教师专注于实验设计和教学，而企业则运用先进的信息技术和开发工具更高效率、更高水平地开发出融入教师设计思想的实验系统。

第三，开放创新实验平台的不断完善和可持续发展由产、科和教三方通过科学评价、及时反馈与持续改进来实现。交通运输行业的发展日新月异，开放创新实验平台要保持其先进性，必须以开放融合的态度不断融入当今最前沿的技术、工艺和方法，才能与时俱进，充分发挥其在工程创新人才培养中实践育人的作用。

三 建设成效

开放创新实验平台的建设实践，在实验教学、专业建设和人才培养等方面发挥了重要作用，取得了良好的效果。

（一）实验平台日趋完善

建成交通运输虚拟仿真实验室等一批专业特色室和“数字交通”等五个创客空间；建成“轨道车辆碰撞及耐撞性虚拟仿真实验”国家虚拟仿真实验教学一流课程和“列车电力牵引与故障诊断虚拟仿真教学实验”省虚拟仿真实验教学一流课程；吸引中国中车、中国通号设计院等行业龙头企业参与共建并建立长期合作关系。

（二）专业建设持续进步

交通运输专业和交通设备与控制工程专业先后获批2019 年和2020 年国家一流专业建设点，开放创新实验平台的建设，为专业发展提供坚实的支撑，有力推动了专业跨越式、内涵式发展。

（三）人才培养质量稳步提高

近几年，实验平台在课程实验、毕业设计、学科竞赛和创新创业教育等方面发挥了重要作用，依托该平台，学院本科生100%参加创新创业教育活动，取得了连续三年获中国“互联网+”大学生创新创业大赛金奖、银奖及连续四年获全国交通科技大赛和全国“互联网+交通运输”大赛一等奖、获湖南省技术发明一等奖（排六）等好成绩。

四 结束语

本文立足交通运输类一流专业建设的实践，以中南大学交通运输工程学院开放创新实验平台的建设为例，立足前沿探寻实验室开放融合新理念、虚实结合探索服务师生需求新方法和整合内外资源探索实验室融合共建新机制，为学生提供了一个深度开放、高度自治和直面真实交通大系统环境和真实交通问题的自主创新实验平台，在培养学生综合运用多学科知识和创造性思维解决复杂交通问题的能力方面发挥了重要作用，促进了交通运输类专业实践教学高质量发展。