以发现式仿真实验为载体的“道路交通控制”课程教学改革探索

路 超 胡桂戎

公安院校“道路交通控制”课程是增强学生维护道路交通秩序、优化道路交通系统运行效率技术素养的核心专业课。业务对接各级公安机关交通管理部门设置的信控专管岗位或交通组织相关岗位，对日常道路节点以及干线、区域的缓堵保畅承担着关键的决策职责，具有极强的操作性。学生应岗能力以及警务实战能力的需要决定了“道路交通控制”课程与实践场景要素的密切融合。

为了提升实战化教学效果，为学生创设知识应用的实践场景，可以搜索典型一线交叉口案例，并将理论知识点的剖析融入到对案例的分析[1]。还可加强与校外实践基地的联系，让学生充分参与实战工作[2]。此外，交通仿真软件可以丰富展示和建立各种复杂交通场景，为学生提供设计交通控制方案并观察其对交通运行影响效果的技术支持，也是一类重要的实战化平台[3]。

除了训练应用信控原理调整车辆行驶时空轨迹、解决交通问题的专业技能，在“道路交通控制”课程中，部分专业术语或参数计算原理比较抽象，学生被动式的接受并不直观，对于专业知识的深入理解具有较大挑战性，或容易产生混淆。根据布鲁纳（Brunner）的认知教育心理学、认知结构学习相关理论，发现式学习被极力倡导，认为要注重学生主动获取知识的学习过程，而不仅是学习结果。对学生的教学过程应当强调引导，而非教师的单纯讲授[4]。将被动变为主动，可以提升学生对知识的接纳效果，从而帮助形成头脑中的内在认知结构[5]，无论对于知识点的记忆还是知识含义的理解都起到了显著的促进作用。

借助于交通仿真软件，尤其是微观交通仿真软件，除了能验证交通管控方案的实施效果，更是提供了全流程详细过程展示，真实模拟车辆群体行驶特征。因此，通过扩展仿真实验类型和定制仿真实验场景，将信号控制的基本概念、原理蕴含于仿真实验进行表达和传递，引导学生在亲自操作、观察仿真实验的体验和感悟中主动发现并理解每一个概念或信号控制与交通系统交互的内在规律，能够为学生提供一种替代性的知识生动表达的学习方法，更好地实现实践教学与理论教学的相辅相成。

一、“道路交通控制”知识结构分析

（一）知识结构在教学中的运用

认知学习理论认为，每个课程体系中的知识都有着独有的知识结构[6]，知识之间按照特定的逻辑关系组织在一起。该知识结构也是最终转变为学生的认知结构的原始素材。相比于分散平铺的知识点，有结构的、立体的知识呈现可以帮助学生以全局思维把控每一个新事物的来龙去脉。发现学习的一个本质特征就是引导学生不断主动发现和强化构建知识点之间的关联结构形态。

学习的目的不是要求学生记下被动听到的教师讲述，要避免最原始的刺激-反应方式的映像以及仅仅完成大脑对知识的简单加工。通过信息的合理组织，使学生能够将所接触的每一个概念与已经学过的，或有印象存在的其他信息相关联，并储存在认知结构中的适当位置，从而形成容易唤起回忆的长期记忆。

不同交通控制教材的内容组织和介绍过程各有差异，但核心知识点构成相对固定，可以从不同角度进行归类概括，而不同类别之间的相互作用关系便体现了一种知识结构构建方式。教师应当提供和设计能够清晰表征交通控制基本原理的知识结构[7]，从而逐层提升学生的认知层次，帮助学生在“螺旋式”的学习过程中能够稳步推进。例如，遵从于信号控制技术实施的逻辑顺序和关联关系，按照信控方案的整体设计流程，可以将核心知识内容根据应用条件分为非受控输入参数型，控制变量型、分场景的决策方法型、以及系统实施效果评价型等。

（二）课程的外部结构分析

“道路交通控制”作为专业核心课程之一，与其他课程共同构成了交通管理学科体系，教学过程中不能与其他相关专业课程相互割裂。实战中单独应用交通信号控制措施所能发挥的作用相对有限。针对某一目标节点、区域的交通组织或交通管控都是信号灯与其他交通管理设施共同作用的结果。例如，信号相位相序的设计或配时参数的设置需要充分考虑路段以及路口的渠化条件。又如，路口车辆排队长度的分析需要考虑交通流理论中交通流到达和消散规律。因此，在教学中除了阐述和构建课程内部的知识结构，还需要增强与其他相关课程的关联认识，提高跨课程的学习和应用场景比例，形成一体化的专业知识结构，为学生处理复杂现实交通问题、提升交通管控效果提供全面的知识框架和技术支撑，更有效地培养系统思维习惯以及专业知识的综合应用能力。

（三）知识点属性特征

“道路交通控制”知识点源自日常交通信号控制实践。虽然学生在生活中有机会观察信控设施并产生交互，但从专业角度去理解、表达和操作仍需专门的训练。部分知识类型具有陈述性的主导特征，但可能表现出不同的层次性，其概念可能是基础、简单的陈述，比较直观，也可能是复合型的，即一个概念中嵌入了其他概念，而被嵌入的概念又可能对应了另一项独立流程，因此这种概念本身的定义描述相对不容易通过被动式的讲解而被直接理解。另一部分知识类型具有程序性的主导特征，主要涉及对原理的应用从而体现技能的形成[8]，而应用也要建立在对交通特征规律的全面观察、推理和熟练掌握的前提下，这部分内容更难以通过被动讲授达到较好的理解效果，而且可能会出现知识的跳跃，降低学生的学习积极性。

二、以仿真实验开展发现式学习的能力培养目标

（一）培养学生自主探索交通规律的能力

发现式学习强调培养学生自主构建知识的能力并注重学生的独立思考，从而总结、发现规律性的认知内容[9]。交通系统的运行与交通管理之间存在明显的作用与反作用，交通规律的特征是交通控制方案设计的前提，而交通规律的转化和演变也是交通控制方案实施效果的直接体现。因此，除了熟练掌握信号控制基本概念和方法，交通系统的运行特性发展规律也是交通控制技术认知构建的一个重要部分，有助于辅助提升相关概念理解的饱满程度。

从基础周期队列流的时空分布到不同协调模式的信控方案下发后单个交叉口或连续交叉口群车流运行形态、车辆排队长度等随时间变化的趋势研判，都是开展日常交通管控工作必备的基本技能。仿真实验为学生搭建了一个深度参与交通系统运行过程的环境，具有细节精细化展示和全过程、多维度运行复现的独特优势。通过参与操作不同交通场景下的发现式仿真实验，注重培养学生探索交通运行规律的专业技能，能够加深学生对信号控制原理的理解，为进一步开展综合性更强的专业知识学习、应用打下坚实基础。

（二）培养学生非常规问题处理能力

实践中很多交通问题的解决方法没有固定模式。虽然遵循交通组织的基本原则或应用常见交通组织措施可对共性问题提供较成熟的解决方案，但道路交通系统的构成和表现形态灵活多变，新问题层出不穷。例如，常规交叉口多以十字交叉为主，而现实中近距离交叉口叠加构成的复合交叉口或多个连接方向道路交叉形成的畸形交叉口等都是广泛存在的非常规问题。因此，需要学生适应交通组织与管控技术一直处在不断发展过程的演化趋势，明确许多新的方法和措施的出现都是因地制宜的创新之举，从而在学习过程中养成活跃的思维、变通的分析处理能力。

在发现式学习中学生自主获取知识的过程中不仅用到逻辑分析和推理，直觉思维更是发挥了关键的作用[10]。在对信息的快速感知以及多角度思考过程中，凭借直觉的解析，帮助构建新的认知，甚至表现为创造性思维，从而在学习和发现特定知识的基础上理解和应对其他可能遇见的类似事物，促进形成知识迁移[11]，发现隐藏在特例问题背后的普遍性规律和最本质的原理，帮助学生在面对非常规问题的未知挑战和困难时能够触类旁通、从容应对，提升学生独立寻求问题答案的信心。

（三）培养学生寻优决策能力

实践中围绕路口交通压力的持续缓解而及时对信号配时参数的动态更新、改善称为“调优”工作，它是路口当前通行矛盾的疏解途径，也是交通组织新方案设计全流程中不可或缺的尾部阶段，因此是交通管理活动中的一项重要任务，更是专业素养的直观体现。

发现式仿真实验具备主动探索的特征，学生在动手操作过程中投入深度的专注和敏锐的洞察，通过对信息的识别和分析，潜意识中会激发出不同的观点和思路，相应地也可得出不同的结论。因此在掌握基本原理和方法的基础上，发现式仿真实验学习方法能够促进学生形成一种最优化思维，将视野在可行范围内扩展，尽可能广泛收集有价值的想法，并自觉展开方案之间的权衡，经过不同候选选项的综合对比和论证，使不同交通场景下挑选的方案更具独特性和有效性，促进学生深度思考和举一反三能力，让学生深切理解道路通行资源的有限性、约束性，以及信号控制方案的“分秒必争”，提升交通管理的决策效果，更好地适应实践需要。

三、以仿真实验为载体的发现式教学模式构建

实践中发现式学习的流程并不固定，布鲁纳甚至认为，凡是用自己头脑亲自获取知识的一切形式都属于发现式学习的范畴[12]。在设计和实施以发现式仿真实验为载体的教学环节时，可以结合仿真软件的技术特点，充分利用仿真软件的便利性和实用性，最大限度发挥仿真实验产生的自主学习效果。

（一）融合实践的仿真情境创设

仿真情景是学生开展发现学习的初始导入，在设计时需要充分考虑情境信息的接受完备性，能够激发学生的兴趣与好奇，使学生积极参与仿真情景所涉及的各项任务之中，为主动获取认知、成功探索方法做好铺垫。以仿真实验为载体的发现式教学模式中，学生使用仿真软件自行动手创建实验所需的交通场景相关数据文件以及图形绘制等准备工作可以帮助学生确切、透彻地了解背景资料，从而提高后续的分析和思考效率。

首先，可选择学生熟悉的周边实际路口或区域，以其中的核心要素为主体，借助仿真软件灵活的定制化特性，可做适当的调整，使仿真情景具备较强的代入感，方便学生减少熟悉背景资料的时间和精力投入，迅速抓住重点。其次，对于本地出现的一些典型交通问题，还可以选择具有代表性的地点，安排学生利用校外时间预先开展调研，熟悉交通设施布设情况，以及车辆运行基本情况，完成仿真基础数据的收集。同理，对于其他信息资源中获取的典型案例场景，安排学生充分查阅相关资料，并在仿真软件中进行还原。

（二）多样化的实验类型拓展

为提升知识获取的深度和广度，满足差异化的知识属性特征，从不同的角度扩展学生的思维模式，发现式仿真实验的类型应当考虑多样化，让学生可以应对不同的问题情境，接触到不同的挑战，具备多维度的观察力。按照信控方案设计的全流程性，围绕信控参变量含义和作用的理解以及最终方案的生成，可以从以下几个方面对仿真实验类型进行匹配。

1. 交通特性调查类实验

交叉口交通特性作为信控系统的非受控输入参数，反映了交叉口自身现有通行条件的物理属性，是后续方案制定的基础和前提，例如饱和流率、车辆到达率等。仿真基础数据方面，路网规模一般不需太大，主要集中在交叉口范围内及其进出口道，为巩固学生交通调查的基本技能，可采取人工统计的方式记录数据，也可借助软件中的数据采集功能收集数据，而仿真路网中的数据采集点与实际路网中常见的交通检测装置布设位置保持一致。为进一步加深对参数的理解，可以变化实验场景，对比不同道路设施结构、通行条件或流线方向对参数的影响。此外，还应注意到交通特性参数的变化对方案生成的差异。

2. 交通系统状态评价类实验

交通状态评价指标是反映信号控制方案实施效果的直观参数，在信号控制中有多重作用，例如，能够反应交叉口的通行供给、驾驶人员的出行成本或出行满意程度等。为使学生直观掌握各项评价指标的确切含义，实验过程应开展不同维度的探索，包括评价指标参数的认知、指标之间的区别之处、计算所需参数条件及计算原理等。可以用图形化的方式记录仿真数据，并辅助离散数据连续化处理等方式，引导学生自主得出结论，加深对概念的理解和记忆程度。此外，仿真实验还应使学生了解指标之间的正向促进或此消彼长等不同范围内的作用关系，从而在具体评价方案时能够更加全面、客观。

3. 影响趋势探索类实验

交通信号控制变量，例如绿信比、相位相序、信号周期等各类信号配时参数，标定了信控方案的具体决策结果。实验中需要学生探索发现对不同评价指标的取值起关键作用的主导因素，定性理解各类控制变量对系统效率改善的贡献程度。同时，根据实验所得数据序列能够训练学生发现控制变量与评价指标变量之间的影响趋势，总结定量关系，从而提取并运用客观规律。实验中控制变量的探测过程可采用小步长递增、递减等基础取值更新方式以便于操作。除了单因素作用效果分析，寻找具备最佳通行效能的控制变量组合更是不可或缺的方案来源，因此还需培养多变量协同意识。

4. 通行效率改善类综合实验

此类实验重在培养和检验学生的专业综合能力。由于现实场景中交通矛盾的不特定性，开展仿真实验的场景问题可以具备一定的隐含性，且是未有定论的材料，给学生留有充分的思考空间。从问题找出、矛盾冲突分析、通行条件发掘到方案提出和效果检验均应由学生自主发现和探讨，以便更深入地理解交通信号控制在保障交通安全、效率中所发挥的本质功能，以及与其他交通管理设施的兼容性。由于实践中交通仿真软件本身也是解决问题的有效方式和有力支撑，因此甚至实验方案的计划、仿真数据的总结分析呈现方式都可由学生自主设计，以便检验和巩固学生学以致用的实战本领，培养依托技术手段解决现实交通问题的主动意识，更好地为后续的工作提供技术积累。

（三）实验任务的接续推进

与所采用的知识结构相对应，在各项实验开始前，首先需要设定清晰的层级目标，梳理出一条或几条主要、明确、连贯的实施主线，以此为参照细化实验进度，将具体知识点的学习探索过程视作较高目标实验中的子环节，确保每个实验任务之间的关联性，体现学习过程的整体性、结构性和逻辑性。

利用仿真软件所有仿真文件和数据便于存盘的特性，可以在一项任务结束后的实验结果上提出新的问题、布置新的任务，开展后续实验，创造任务之间的接续发展条件。不仅可以更方便地与上一模块的知识建立链接，还能迅速完成对新任务的准确理解，保持问题情景的熟知程度，高效切入正题。

任务的难度应呈逐步增加趋势，每一项任务都要在匹配学生当前知识技能掌握水平的基础上将难度定位在与现有认知发展状态相适宜的差距范围，适应认知能力的最近发展区[13]，避免出现较大跨度和跳跃性，必要时增加一些辅助类知识点进行过渡，确保发现过程的有效实施，使学生感受到自己在学习过程中的进步与成就感，建立胜任多重问题情境任务的自信心，激发持续参与实验过程的积极性，在不断面对新挑战中循序渐进提高问题解决能力。

（四）多层次的推理假设

提出合理的、接近真相的假设是发现式学习中构建认知的必要前置条件，是学生发挥直觉思维和创造力的集中体现，标志着学生进入深度思考下的学习状态，为专注开展后续实验激发了好奇心和兴趣度的主观条件，也提供了更加细节化的实验目标。

假设的提出可不局限于某种特定的形式，当问题相对简单时，基于现有的先前知识和经验能够顺利实现知识迁移或逻辑推理则适合提出直接假设并直接构建认知。相反，假设也可不直接针对最终的目标任务，而是结合情景任务的类型灵活变换假设形式，采取目标分解或逐步逼近的方式，更有条理地应对复杂任务，从不同的角度通过局部认识的量变积累达到发现新知的质变跨越。

（五）思维碰撞的概念审查

对于复杂的概念或方案设计方法，假设验证工作量相对较大，为提高实验效率，首先可对假设进行初步甄别，发挥理性思维能力，筛选出最有价值的假设借助仿真平台生成更多的仿真信息进行自主正向假设验证和审查，与此同时，通过对实验产生客观结果的系统观察形成逆向反馈，对考虑不周全的地方查漏补缺。

其次，基于对当前所掌握信息的总结和概括，还可将自己的观点和支撑论据向他人讲述介绍，在锻炼语言表达能力的同时，让自己的假设接受质疑和挑战，在思维碰撞中检验自己的思维漏洞并虚心吸收有益观点，自我调整思路进行更全面的问题考虑。尤其对于没有标准答案的任务问题，可以进一步提升寻找最优解决方案的认知效果。

（六）行动价值导向的成绩评定

发现学习的有效开展需要充足的内部动机以支持一系列场景任务自主完成。其中主动分析、思考所获取的有价值的实验结果或对提出假设的成功内部省察等报偿会维持、转化和增强内部动机，而学生获得成绩评定则是对内部动机起积极互补作用的外部动机，同样会对学生后续持续付诸学习行动的热情、努力程度产生影响。

虽然发现式学习的最终目的是对假设验证后得出精确的认知，但发现前的铺垫环节同样占据较高权重，因此成绩评定时认真的学习态度，深度思考后有逻辑性、有价值的行动，也应重点关注并其给予积极的评价。这些行动并不一定可以解决最终的问题，但动态反应了能力提升，让学生感受到自己行动上有意义的进展能够获得肯定的反馈，同时应鼓励创新性的想法和思维模式，帮助学生即使在不断试错中也能逐步优化内驱力。

四、教师角色分析

在发现式教学模式中，教师要适应角色的转变。学生是学习过程的主体，教师在精心设计的一系列情景任务中从为学生提供解决问题所需的基础材料，到引导学生分析材料、激发学生的直觉思维，直至得出结论并以第一视角参与构建和扩展自身的认知体系，都要发挥好助推者作用。

首先，注意将有效认知材料充分融入发现过程。问题情境创设后学生获取到用以解决问题的材料或背景知识是培育直觉思维的土壤，因此对材料理解和掌握必须是学生现有认知结构中的稳定组成部分。教师在提供材料时需要确保所有信息都能被学生所接受，或是对学生最有效的材料。要丰富材料的发布形式以及材料的构成，避免因个体差异导致相同的材料在不同的学生中产生绝缘。交通仿真软件提供了开放的学习环境，教师要充分注重引导学生借助仿真软件对交通场景中存在的问题进行细致调研，不断发掘符合情景特征的信息资源，使直觉思维更加贴近实际问题。此外，鉴于课程的综合跨学科特性，教师同时需要提供和引导学生关注相关学科课程中的可用背景知识资源。

其次，围绕知识点巧妙设计不同角度的情景问题。发现式学习中任务情景的问题设计构成了建立特定认知的通道，教师应当结合知识点的属性特征巧妙设计问题和任务，让学生能够通过发现的方式尽可能多地加强对教学内容的掌握。例如，除了的简单的陈述性知识内容学生可以通过直接识记学习，对于复杂的概念类知识可偏向于提出定性分析为主的问题模式，突出对原理、影响因素、功能以及作用等方面的认知，加深对概念的形象理解和掌握。而程序性的方案设计类知识内容可偏向于定性与定量结合的提问方式，提升学生对所学方法和技术整体决策过程的直观体会，并借助确切的量化指标衡量方案的优劣。

最后，要时刻注意保持与学生的良好即时对话。发现式学习是学生在未知和不确定状态下的探索过程，为保障任务的顺利开展，每一步骤都需要获取反馈信息及时检验和改进当前的思路想法，反馈信息除了包括实验操作过程获得的客观实验数据结果以及实例中的客观事实等，教师的反馈是更加有针对性的指导形式。因此教师应当时刻掌握学生的学习进度和思维发展状态，通过积极的互动及时调整和补充材料规模，增加对学生的引导，并根据需要为学生亲自做出示范，为更有效地激发学生的直觉思维创造条件。

五、结语

发现式学习是学生通过自主构建认知方式获得知识并在大脑中有序存储的一种有效途径。交通控制仿真实验浓缩、涵盖了交通信号作用下道路交通流形态受扰动以及发展演化的内在规律。作为了解交通系统特征的直观媒介，为学生思考交通问题直觉思维的有效发挥提供了对比和参照资料，也为发现式学习的实施提供了有利条件，引导学生对概念、原理、方法等多重知识属性形成稳固的认识，可有效提升学生在交通组织信号控制领域的观察分析、总结决策以及创新优化能力，强化学生对专业技能的理论吸收和实践转化效果。

知识吸收成效的关键取决于教师所提供的特定的知识结构，它是最终在学生头脑中所形成的认知结构的根源，影响了分析、解决问题的思维模式。与实践过程中技术流程相匹配的知识内容梳理是体现应用条件下知识结构关系构建的一种有效方式。针对不同的知识属性特征，通过扩展仿真实验类型并按照特定的主线创设关联性强的发现式学习情景序列可以最大限度提升发现式学习的实施效果，充分发挥学生学习积极性和自主性，对学生整体把控学习任务以及实现教学目标具有重要意义。