新工科背景下交通仿真課程教學探索與實踐

陳 鵬，于 濱

（北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京 100191）

引言

新工科建設(shè)重視創(chuàng)新型、綜合化的工程教育理念，意在推動行業(yè)技術(shù)與經(jīng)濟社會的發(fā)展，這對實踐教學提出了新的要求，“交通仿真”課程教學理應(yīng)跟上改革的步伐。本文通過廣泛分析國內(nèi)外一流大學在“交通仿真”課程的教學內(nèi)容和教學方法上的差異，提出了包括交通理論與仿真專題結(jié)合的教學內(nèi)容；課程教學采用多模式結(jié)合的教學方式；拓展考核方式，注重知識與能力并重；倡導(dǎo)合作創(chuàng)新的學習方式四項教學改革方案。同時解決國內(nèi)該課程綜合性和實用性不足等問題，為“交通仿真”課程建立既符合國際行業(yè)標準，又適應(yīng)新工科背景下滿足我國實際需求和學生適應(yīng)能力的教學方法體系，使得學生在經(jīng)過該課程的教學訓(xùn)練后，具備與國外一流大學同類學科學生相同的專業(yè)知識水平和專業(yè)理解能力。

一、“交通仿真”課程教學探索的意義

從宏觀的角度看，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在加速進行，國家和地方積極實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式為特點的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，科學技術(shù)與經(jīng)濟社會發(fā)展的新形勢、新任務(wù)對高等工程教育改革提出了迫切要求，交通信息人才的跨學科性及高科技依賴性充分說明了建立完善的、服務(wù)于現(xiàn)代交通運行系統(tǒng)的新型人才培養(yǎng)模式的重要性及緊迫性?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中明確提出，深化教育體制改革，關(guān)鍵是更新教育觀念，核心是改革人才培養(yǎng)體制，目的是提高人才培養(yǎng)水平。

從交通的角度看，目前我國正處于由“交通大國”向“交通強國”的建設(shè)轉(zhuǎn)型期，伴隨著交通信息化、智能化趨勢，交通仿真重要性更加凸顯。交通仿真技術(shù)作為一門新興學科，目前被廣泛應(yīng)用于交通工程的規(guī)劃、設(shè)計、運營、管理等各個領(lǐng)域，該課程以計算機軟件為工具，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)再現(xiàn)交通場景，具有數(shù)字化、直觀化、可視化的特點。交通仿真適用于無法通過交通調(diào)查得到數(shù)據(jù)或者較難獲得數(shù)據(jù)的科研項目，也適用于建成后可能花費較大人力、物力的大型項目的可行性仿真分析，通過交通仿真的方法模擬各種假定場景下的交通狀況，判定方案的可行性、合理性。

從教學的角度看，各高校交通工程類專業(yè)紛紛開設(shè)“交通仿真”課程，交通仿真能力的高低已成為衡量交通專業(yè)學生綜合能力強弱的重要標準。“交通仿真”課程作為一門以交通工程原理和方法為基礎(chǔ)，整合并運用仿真技術(shù)有效解決交通工程領(lǐng)域多學科交叉問題的應(yīng)用型課程，對于提高學生應(yīng)用計算機工具解決交通領(lǐng)域?qū)嶋H工程問題的能力具有重要作用。

二、傳統(tǒng)“交通仿真”課程教學存在的問題

“交通仿真”課程教學的主要目標是使學生了解仿真相關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)發(fā)展的歷史與應(yīng)用，了解交通仿真軟件的發(fā)展歷史和主要功能，熟練掌握典型交通仿真軟件的使用，為從事交通規(guī)劃、設(shè)計與管理的相關(guān)分析工作提供必要的仿真實驗技能。該課程的實踐操作性較強，要求學生具有應(yīng)用交通仿真軟件解決實際交通問題的能力。然而，傳統(tǒng)的課程通常以概念、理論知識為體系框架，不能適應(yīng)新工科背景下“交通仿真”課程的教學要求，目前該課程主要存在以下問題。

（一）教學模式與課程獨特性之間的矛盾

“交通仿真”課程要求學生具備扎實的基礎(chǔ)知識?！敖煌ǚ抡妗闭n程內(nèi)容包括：交通仿真基礎(chǔ)、交通微觀仿真軟件VISSIM應(yīng)用、交通規(guī)劃軟件TransCAD應(yīng)用三部分內(nèi)容。以交通仿真基礎(chǔ)為例，具體教學包括計算機輔助理論基礎(chǔ)、交通信息技術(shù)、交通仿真技術(shù)等，涵蓋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機圖形學、工程數(shù)據(jù)庫、軟件工程、仿真系統(tǒng)的設(shè)計方法等相關(guān)專業(yè)知識。以上內(nèi)容專業(yè)面廣、系統(tǒng)性強，很難在課堂上深入細致地展開。學生的專業(yè)基礎(chǔ)參差不齊，導(dǎo)致相關(guān)內(nèi)容的講解效果不甚理想。

（二）考核方式難以考查學生真實的學習情況

當前考試偏重基本知識的測試，忽視能力的考核，單純以期末考試分數(shù)作為學生水平的評價標準，不但抑制了學生的創(chuàng)新能力，而且不能全面反映學生的學習情況。“交通仿真”課程更注重提高學生解決實際交通問題和動手操作的能力，僅憑試卷考試難以充分檢驗學生對知識的掌握程度，考核方式與考核效果之間存在著較大的矛盾。

（三）“交通仿真”課程需要充分發(fā)揮計算機仿真的實踐性

“交通仿真”課程尤其強調(diào)課程教學與工程實踐的高度結(jié)合，學習過程也應(yīng)強化仿真軟件在解決實際交通問題中的應(yīng)用。目前教學學時分配中實驗教學環(huán)節(jié)偏少，難以充分調(diào)動學生學習的主觀能動性。

針對以上“交通仿真”課程教學存在的問題，結(jié)合國內(nèi)外一流大學在該課程教學方法和教學內(nèi)容上的差異，以培養(yǎng)新工科背景下的實踐型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型的綜合性人才為目標，就如何科學進行教學內(nèi)容和形式設(shè)計以最大程度的激發(fā)學生的發(fā)展創(chuàng)造潛力，進行“交通仿真”課程改革方案的初步探索與實踐。

三、教學改革措施和方案

“交通仿真”課程改革采用多種方法和手段完善教學，同時秉承“以人為本”的教育理念，縱向設(shè)計“交通仿真”課程的實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)，使得學生在系統(tǒng)性掌握課程基礎(chǔ)知識的同時，能夠在實踐操作過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而全面培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和知識運用能力。

（一）交通理論與仿真專題結(jié)合的教學內(nèi)容

“交通仿真”課程應(yīng)格外注重將理論基礎(chǔ)知識應(yīng)用于工程實踐，通過系統(tǒng)仿真建模、交通仿真場景設(shè)計、交通建模方法介紹，讓學生系統(tǒng)、全面地了解交通運輸工程學科的前沿概況，并通過學習、強化訓(xùn)練等過程來擴展自身對學科領(lǐng)域知識掌握的廣度與深度。為此，對“交通仿真”課程的教學內(nèi)容進行重新設(shè)計，主要包括交通理論基礎(chǔ)篇、交通仿真專題篇和項目訓(xùn)練篇。

1.交通理論基礎(chǔ)篇。交通理論基礎(chǔ)篇是交通仿真技術(shù)與應(yīng)用的基礎(chǔ)理論部分。道路運輸建?；A(chǔ)理論與方法幫助學生奠定后續(xù)實踐操作的根基，教學重點目標是培養(yǎng)學生形成完善的交通運輸系統(tǒng)建模思路。理論知識部分一是憑借教師課堂講授，為避免理論部分學習的枯燥乏味，在授課內(nèi)容上強調(diào)多為學生介紹新的理論研究進展和成果，激發(fā)學生學習興趣的同時可以拓寬學科研究視野。二是要求學生課下有針對性地閱讀課外相關(guān)教材、書籍和近期國內(nèi)外優(yōu)秀文獻，以此牢固和深化專業(yè)理論基礎(chǔ)。

2.交通仿真專題篇。交通仿真專題課程以交通運輸領(lǐng)域的仿真工具和仿真軟件為基礎(chǔ)、科學研究為依托，涉及微觀、中微觀和宏觀交通流仿真、交通安全仿真、交通行為仿真等多方位的交通實際應(yīng)用。本部分主要以實際應(yīng)用案例為主，授課教師結(jié)合科研項目經(jīng)驗，邀請學科領(lǐng)域權(quán)威專家學者，介紹專項研究的思想和技術(shù)方法。多采用上機訓(xùn)練的形式，融入不同交通場景下的實踐案例等方式開展教學活動。本部分的教學內(nèi)容較為靈活多變，根據(jù)教師的研究進展和相關(guān)學術(shù)前沿問題進行實時更新，案例教學的內(nèi)容可更多的依據(jù)學科熱點問題而定。

3.項目訓(xùn)練篇。培養(yǎng)學生獨立思考和解決問題的能力貫穿于學生的整個學習過程。在上述掌握交通仿真理論方法及交通仿真工具和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，設(shè)置可供學生自主選擇的多個案例，讓學生結(jié)合自身情況選擇感興趣的專題開展相應(yīng)的項目訓(xùn)練，有效提高學生的自主學習意識，培養(yǎng)科研素質(zhì)與能力，使其在掌握不同交通應(yīng)用場景仿真軟件的同時，尋找針對不同問題的解決方法和手段，進一步提升實際操作能力。

（二）課程教學采用多模式結(jié)合的教學方式

1.課堂研討式教學。不同于傳統(tǒng)的教學方式，研討式教學強調(diào)課堂上以研討為主，學生不再處于被動接受知識的狀態(tài)，更多地進行獨立思考與提問，對學術(shù)觀點進行不同角度的研討和思維的碰撞，以提升對問題全面而深刻的理解，提高課堂教學質(zhì)量，達到教學目的。因此，應(yīng)將課堂研討貫穿“交通仿真”課程教學全過程，例如在講授某個交通場景的模型建立時，引導(dǎo)學生歸納總結(jié)建模的基本步驟，通過課堂探討逐漸完善答案，以此加深學生的印象，使其對交通建模的基本步驟有一個實質(zhì)性的認知與理解。

2.探究式教學。探究式教學強調(diào)在引導(dǎo)學生進行自主和協(xié)作學習的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對理論知識、問題的進一步探究。引導(dǎo)學生敢于思考、表達質(zhì)疑，真正做到將所學知識應(yīng)用于解決實際問題中?！敖煌ǚ抡妗闭n程的探究式教學強調(diào)對交通現(xiàn)象、交通問題的探尋，以發(fā)現(xiàn)交通運行的本質(zhì)規(guī)律，憑借交通仿真手段提出解決方案，進而對交通問題加以改善。利用此類教學方法深入介紹交通仿真類項目、課題研究背景、目的和現(xiàn)狀等方面內(nèi)容，啟發(fā)學生對問題進行深入思考。

3.理論聯(lián)系實際教學?！敖煌ǚ抡妗闭n程對工程實踐有著較高要求，學生的動手能力和解決實際問題的能力在本課程的學習中顯得尤為重要。在教學環(huán)節(jié)中應(yīng)采用理論與實踐相結(jié)合的教學方式，在學生專題研究的過程中，教師要事先明確案例選擇的難度、要求和選題，并對學生加以指導(dǎo)。從交通實踐案例中，學生對交通系統(tǒng)中存在的問題進行剖析，將理論與實踐有機融合，大大提高了理論聯(lián)系實際的能力，動手操作能力同樣得到顯著提高。

（三）拓展考核方式，注重知識與能力并重

課程考核是檢驗學生學習情況和知識掌握程度的重要手段。當前無論是開卷考試還是閉卷考試都存在一定的弊端，閉卷考試多數(shù)停留在理論基礎(chǔ)層面的考核，而開卷考試則以書本知識的摘抄為主，均不能有效達到對學生能力的全面檢測。因此，應(yīng)采用多種考核方式相結(jié)合，考試總成績以課堂討論、交通案例研究、仿真實驗報告等方式進行綜合測評，有效避免傳統(tǒng)考核方式使學生陷入考前突擊的誤區(qū)。將考核動態(tài)貫穿于學生的學習過程，實時掌握學生學習狀況，培養(yǎng)其學習自主性、創(chuàng)新思維意識和動手實踐能力。

（四）倡導(dǎo)合作創(chuàng)新的學習方式

新工科背景下的交通運輸學科人才應(yīng)具備團隊合作精神與創(chuàng)新實踐能力。在傳統(tǒng)的教學模式下，通常授課教師起主導(dǎo)作用，學生被動接受課堂知識，學生的積極性、創(chuàng)造性在此培養(yǎng)模式下得不到有效發(fā)揮和展現(xiàn)，不利于學生團隊合作精神和創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。因此，在強調(diào)實踐能力的“交通仿真”課程中，開放式的課堂教學與學習方式更有助于學生合作創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學生可結(jié)合自身情況自由分組，小組成員之間開展多樣化的實踐活動，有效提升學生綜合素質(zhì)。合作創(chuàng)新學習的內(nèi)容也可以多元化，包括學習交通前沿領(lǐng)域的理論方法和技術(shù)發(fā)展趨勢，針對實際問題采取交通仿真手段進行實驗設(shè)計與分析，在課堂上進行小組成果匯報，開展小組之間的研討，最終根據(jù)任務(wù)完成的內(nèi)容與質(zhì)量進行成績評定。

四、教學改革效果評價

“交通仿真”課程內(nèi)容、教學模式等方面的改革與實踐表明，通過以實際問題為中心、由應(yīng)用案例組織的教學，使學生更具批判性的眼光看待問題，學會將理論知識運用于解決實際問題。本次“交通仿真”課程的改革成果具體可以總結(jié)為以下四個方面。

（一）為“交通仿真”課程建立新的符合行業(yè)標準的授課模式

該教學改革解決了國內(nèi)該課程綜合性和實用性不足等問題，為“交通仿真”課程建立了新的符合行業(yè)標準的授課模式。同時，提出了適應(yīng)新工科背景下滿足我國實際需求和學生適應(yīng)能力的教學方法體系，并以“交通仿真”課程作為教學改革試點，提出滿足國際行業(yè)標準、國內(nèi)實際需求和學生適應(yīng)能力三項準則的國際化教學內(nèi)容和教學方法改革方案。

（二）授課效果提升

教學過程以講授為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W生實踐為主，不但提高了學生對仿真軟件操作方法的掌握水平，也通過仿真參數(shù)的講解提高了學生對交通工程基本參數(shù)的認識。課程改革教學效果表明，實踐環(huán)節(jié)的增加提高了學生對實驗的把握程度和完成程度，同時加深了對交通流參數(shù)設(shè)置的理解。

（三）學生的創(chuàng)新能力提高

通過“交通仿真”課程的學習，學生更深刻地理解了交通現(xiàn)象和交通運行規(guī)律，能有效解決交通技術(shù)問題，在交通仿真過程中發(fā)揮計算機技術(shù)的優(yōu)勢。部分學生在此基礎(chǔ)上參加交通科技大賽、交通科研項目等，將創(chuàng)新思維與意識融入工程實踐，真正做到學以致用。

（四）學生對于交通工程技術(shù)的理解能力加深

學生在了解和掌握交通仿真一般理論、研究方法及虛擬實現(xiàn)技術(shù)后，通過課后作業(yè)的方式熟悉核心的仿真模型，掌握相關(guān)交通仿真軟件的基本應(yīng)用對象及范圍，并通過重點案例的學習，熟悉應(yīng)用仿真技術(shù)對各種道路交通問題進行模擬、測試的基本流程與方法，進一步加深對交通工程技術(shù)的理解。

結(jié)語

該教學探索和實踐提出包括交通理論與仿真專題結(jié)合的教學內(nèi)容；課程教學采用多模式結(jié)合的教學方式；拓展考核方式，注重知識與能力并重；倡導(dǎo)合作創(chuàng)新的學習方式四項教學改革方案，解決了國內(nèi)該課程綜合性和實用性不足等問題，在豐富理論知識學習的同時，提高了學生的動手能力、創(chuàng)新能力及團隊合作能力，對未來更好地拓展和完善“交通仿真”課程的教學方法具有一定的借鑒作用。