新工科背景下交通仿真课程教学探索与实践

陈 鹏，于 滨

（北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191）

引言

新工科建设重视创新型、综合化的工程教育理念，意在推动行业技术与经济社会的发展，这对实践教学提出了新的要求，“交通仿真”课程教学理应跟上改革的步伐。本文通过广泛分析国内外一流大学在“交通仿真”课程的教学内容和教学方法上的差异，提出了包括交通理论与仿真专题结合的教学内容；课程教学采用多模式结合的教学方式；拓展考核方式，注重知识与能力并重；倡导合作创新的学习方式四项教学改革方案。同时解决国内该课程综合性和实用性不足等问题，为“交通仿真”课程建立既符合国际行业标准，又适应新工科背景下满足我国实际需求和学生适应能力的教学方法体系，使得学生在经过该课程的教学训练后，具备与国外一流大学同类学科学生相同的专业知识水平和专业理解能力。

一、“交通仿真”课程教学探索的意义

从宏观的角度看，新一轮科技革命和产业变革正在加速进行，国家和地方积极实施创新驱动发展、“互联网+”等重大战略，以新技术、新产业、新业态、新模式为特点的新经济蓬勃发展，科学技术与经济社会发展的新形势、新任务对高等工程教育改革提出了迫切要求，交通信息人才的跨学科性及高科技依赖性充分说明了建立完善的、服务于现代交通运行系统的新型人才培养模式的重要性及紧迫性。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中明确提出，深化教育体制改革，关键是更新教育观念，核心是改革人才培养体制，目的是提高人才培养水平。

从交通的角度看，目前我国正处于由“交通大国”向“交通强国”的建设转型期，伴随着交通信息化、智能化趋势，交通仿真重要性更加凸显。交通仿真技术作为一门新兴学科，目前被广泛应用于交通工程的规划、设计、运营、管理等各个领域，该课程以计算机软件为工具，通过虚拟现实技术再现交通场景，具有数字化、直观化、可视化的特点。交通仿真适用于无法通过交通调查得到数据或者较难获得数据的科研项目，也适用于建成后可能花费较大人力、物力的大型项目的可行性仿真分析，通过交通仿真的方法模拟各种假定场景下的交通状况，判定方案的可行性、合理性。

从教学的角度看，各高校交通工程类专业纷纷开设“交通仿真”课程，交通仿真能力的高低已成为衡量交通专业学生综合能力强弱的重要标准。“交通仿真”课程作为一门以交通工程原理和方法为基础，整合并运用仿真技术有效解决交通工程领域多学科交叉问题的应用型课程，对于提高学生应用计算机工具解决交通领域实际工程问题的能力具有重要作用。

二、传统“交通仿真”课程教学存在的问题

“交通仿真”课程教学的主要目标是使学生了解仿真相关基础理论和技术发展的历史与应用，了解交通仿真软件的发展历史和主要功能，熟练掌握典型交通仿真软件的使用，为从事交通规划、设计与管理的相关分析工作提供必要的仿真实验技能。该课程的实践操作性较强，要求学生具有应用交通仿真软件解决实际交通问题的能力。然而，传统的课程通常以概念、理论知识为体系框架，不能适应新工科背景下“交通仿真”课程的教学要求，目前该课程主要存在以下问题。

（一）教学模式与课程独特性之间的矛盾

“交通仿真”课程要求学生具备扎实的基础知识。“交通仿真”课程内容包括：交通仿真基础、交通微观仿真软件VISSIM应用、交通规划软件TransCAD应用三部分内容。以交通仿真基础为例，具体教学包括计算机辅助理论基础、交通信息技术、交通仿真技术等，涵盖数据结构、计算机图形学、工程数据库、软件工程、仿真系统的设计方法等相关专业知识。以上内容专业面广、系统性强，很难在课堂上深入细致地展开。学生的专业基础参差不齐，导致相关内容的讲解效果不甚理想。

（二）考核方式难以考查学生真实的学习情况

当前考试偏重基本知识的测试，忽视能力的考核，单纯以期末考试分数作为学生水平的评价标准，不但抑制了学生的创新能力，而且不能全面反映学生的学习情况。“交通仿真”课程更注重提高学生解决实际交通问题和动手操作的能力，仅凭试卷考试难以充分检验学生对知识的掌握程度，考核方式与考核效果之间存在着较大的矛盾。

（三）“交通仿真”课程需要充分发挥计算机仿真的实践性

“交通仿真”课程尤其强调课程教学与工程实践的高度结合，学习过程也应强化仿真软件在解决实际交通问题中的应用。目前教学学时分配中实验教学环节偏少，难以充分调动学生学习的主观能动性。

针对以上“交通仿真”课程教学存在的问题，结合国内外一流大学在该课程教学方法和教学内容上的差异，以培养新工科背景下的实践型、应用型、创新型的综合性人才为目标，就如何科学进行教学内容和形式设计以最大程度的激发学生的发展创造潜力，进行“交通仿真”课程改革方案的初步探索与实践。

三、教学改革措施和方案

“交通仿真”课程改革采用多种方法和手段完善教学，同时秉承“以人为本”的教育理念，纵向设计“交通仿真”课程的实践训练环节，使得学生在系统性掌握课程基础知识的同时，能够在实践操作过程中发现问题、解决问题，从而全面培养学生的创新精神和知识运用能力。

（一）交通理论与仿真专题结合的教学内容

“交通仿真”课程应格外注重将理论基础知识应用于工程实践，通过系统仿真建模、交通仿真场景设计、交通建模方法介绍，让学生系统、全面地了解交通运输工程学科的前沿概况，并通过学习、强化训练等过程来扩展自身对学科领域知识掌握的广度与深度。为此，对“交通仿真”课程的教学内容进行重新设计，主要包括交通理论基础篇、交通仿真专题篇和项目训练篇。

1.交通理论基础篇。交通理论基础篇是交通仿真技术与应用的基础理论部分。道路运输建模基础理论与方法帮助学生奠定后续实践操作的根基，教学重点目标是培养学生形成完善的交通运输系统建模思路。理论知识部分一是凭借教师课堂讲授，为避免理论部分学习的枯燥乏味，在授课内容上强调多为学生介绍新的理论研究进展和成果，激发学生学习兴趣的同时可以拓宽学科研究视野。二是要求学生课下有针对性地阅读课外相关教材、书籍和近期国内外优秀文献，以此牢固和深化专业理论基础。

2.交通仿真专题篇。交通仿真专题课程以交通运输领域的仿真工具和仿真软件为基础、科学研究为依托，涉及微观、中微观和宏观交通流仿真、交通安全仿真、交通行为仿真等多方位的交通实际应用。本部分主要以实际应用案例为主，授课教师结合科研项目经验，邀请学科领域权威专家学者，介绍专项研究的思想和技术方法。多采用上机训练的形式，融入不同交通场景下的实践案例等方式开展教学活动。本部分的教学内容较为灵活多变，根据教师的研究进展和相关学术前沿问题进行实时更新，案例教学的内容可更多的依据学科热点问题而定。

3.项目训练篇。培养学生独立思考和解决问题的能力贯穿于学生的整个学习过程。在上述掌握交通仿真理论方法及交通仿真工具和应用的基础上，设置可供学生自主选择的多个案例，让学生结合自身情况选择感兴趣的专题开展相应的项目训练，有效提高学生的自主学习意识，培养科研素质与能力，使其在掌握不同交通应用场景仿真软件的同时，寻找针对不同问题的解决方法和手段，进一步提升实际操作能力。

（二）课程教学采用多模式结合的教学方式

1.课堂研讨式教学。不同于传统的教学方式，研讨式教学强调课堂上以研讨为主，学生不再处于被动接受知识的状态，更多地进行独立思考与提问，对学术观点进行不同角度的研讨和思维的碰撞，以提升对问题全面而深刻的理解，提高课堂教学质量，达到教学目的。因此，应将课堂研讨贯穿“交通仿真”课程教学全过程，例如在讲授某个交通场景的模型建立时，引导学生归纳总结建模的基本步骤，通过课堂探讨逐渐完善答案，以此加深学生的印象，使其对交通建模的基本步骤有一个实质性的认知与理解。

2.探究式教学。探究式教学强调在引导学生进行自主和协作学习的基础上，实现对理论知识、问题的进一步探究。引导学生敢于思考、表达质疑，真正做到将所学知识应用于解决实际问题中。“交通仿真”课程的探究式教学强调对交通现象、交通问题的探寻，以发现交通运行的本质规律，凭借交通仿真手段提出解决方案，进而对交通问题加以改善。利用此类教学方法深入介绍交通仿真类项目、课题研究背景、目的和现状等方面内容，启发学生对问题进行深入思考。

3.理论联系实际教学。“交通仿真”课程对工程实践有着较高要求，学生的动手能力和解决实际问题的能力在本课程的学习中显得尤为重要。在教学环节中应采用理论与实践相结合的教学方式，在学生专题研究的过程中，教师要事先明确案例选择的难度、要求和选题，并对学生加以指导。从交通实践案例中，学生对交通系统中存在的问题进行剖析，将理论与实践有机融合，大大提高了理论联系实际的能力，动手操作能力同样得到显著提高。

（三）拓展考核方式，注重知识与能力并重

课程考核是检验学生学习情况和知识掌握程度的重要手段。当前无论是开卷考试还是闭卷考试都存在一定的弊端，闭卷考试多数停留在理论基础层面的考核，而开卷考试则以书本知识的摘抄为主，均不能有效达到对学生能力的全面检测。因此，应采用多种考核方式相结合，考试总成绩以课堂讨论、交通案例研究、仿真实验报告等方式进行综合测评，有效避免传统考核方式使学生陷入考前突击的误区。将考核动态贯穿于学生的学习过程，实时掌握学生学习状况，培养其学习自主性、创新思维意识和动手实践能力。

（四）倡导合作创新的学习方式

新工科背景下的交通运输学科人才应具备团队合作精神与创新实践能力。在传统的教学模式下，通常授课教师起主导作用，学生被动接受课堂知识，学生的积极性、创造性在此培养模式下得不到有效发挥和展现，不利于学生团队合作精神和创新实践能力的培养。因此，在强调实践能力的“交通仿真”课程中，开放式的课堂教学与学习方式更有助于学生合作创新能力的培养。学生可结合自身情况自由分组，小组成员之间开展多样化的实践活动，有效提升学生综合素质。合作创新学习的内容也可以多元化，包括学习交通前沿领域的理论方法和技术发展趋势，针对实际问题采取交通仿真手段进行实验设计与分析，在课堂上进行小组成果汇报，开展小组之间的研讨，最终根据任务完成的内容与质量进行成绩评定。

四、教学改革效果评价

“交通仿真”课程内容、教学模式等方面的改革与实践表明，通过以实际问题为中心、由应用案例组织的教学，使学生更具批判性的眼光看待问题，学会将理论知识运用于解决实际问题。本次“交通仿真”课程的改革成果具体可以总结为以下四个方面。

（一）为“交通仿真”课程建立新的符合行业标准的授课模式

该教学改革解决了国内该课程综合性和实用性不足等问题，为“交通仿真”课程建立了新的符合行业标准的授课模式。同时，提出了适应新工科背景下满足我国实际需求和学生适应能力的教学方法体系，并以“交通仿真”课程作为教学改革试点，提出满足国际行业标准、国内实际需求和学生适应能力三项准则的国际化教学内容和教学方法改革方案。

（二）授课效果提升

教学过程以讲授为主逐渐转变为以学生实践为主，不但提高了学生对仿真软件操作方法的掌握水平，也通过仿真参数的讲解提高了学生对交通工程基本参数的认识。课程改革教学效果表明，实践环节的增加提高了学生对实验的把握程度和完成程度，同时加深了对交通流参数设置的理解。

（三）学生的创新能力提高

通过“交通仿真”课程的学习，学生更深刻地理解了交通现象和交通运行规律，能有效解决交通技术问题，在交通仿真过程中发挥计算机技术的优势。部分学生在此基础上参加交通科技大赛、交通科研项目等，将创新思维与意识融入工程实践，真正做到学以致用。

（四）学生对于交通工程技术的理解能力加深

学生在了解和掌握交通仿真一般理论、研究方法及虚拟实现技术后，通过课后作业的方式熟悉核心的仿真模型，掌握相关交通仿真软件的基本应用对象及范围，并通过重点案例的学习，熟悉应用仿真技术对各种道路交通问题进行模拟、测试的基本流程与方法，进一步加深对交通工程技术的理解。

结语

该教学探索和实践提出包括交通理论与仿真专题结合的教学内容；课程教学采用多模式结合的教学方式；拓展考核方式，注重知识与能力并重；倡导合作创新的学习方式四项教学改革方案，解决了国内该课程综合性和实用性不足等问题，在丰富理论知识学习的同时，提高了学生的动手能力、创新能力及团队合作能力，对未来更好地拓展和完善“交通仿真”课程的教学方法具有一定的借鉴作用。