面向智慧交通的交通運(yùn)輸工程學(xué)科課程教學(xué)改革方法探索

1背景黨的二十大報告強(qiáng)調(diào)：“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，開辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢?！?019年9月，國務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，明確提出將智慧交通作為交通強(qiáng)國建設(shè)四大發(fā)展方向之一。智慧交通逐漸發(fā)展成為解決交通問題的必由之路，隨著智慧交通的快速發(fā)展，原有傳統(tǒng)學(xué)科教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀脫節(jié)，使得人才培養(yǎng)無法滿足就業(yè)需求。楊敏等（2021）認(rèn)為：交通強(qiáng)國建設(shè)與“智能網(wǎng)聯(lián)”信息化趨勢下的交通運(yùn)輸行業(yè)轉(zhuǎn)型離不開交通人才隊伍的有力支撐，如何為交通強(qiáng)國建設(shè)培養(yǎng)符合新時期要求的創(chuàng)新人才，是當(dāng)下高等教育亟須解決的問題[1]。因此，面對智慧交通發(fā)展帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，如何改革教學(xué)模式與方法，適應(yīng)新環(huán)境和新要求，成為高等教育面對的一項重要課題。當(dāng)前，交通運(yùn)輸工程學(xué)科研究生課堂教學(xué)多數(shù)仍采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，課程教學(xué)內(nèi)容脫離實際交通系統(tǒng)，弱化實踐教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力、解決實際交通問題能力不強(qiáng)，課程整體在創(chuàng)新實踐、前沿技術(shù)的敏銳度方面存在不足。而對于大多數(shù)研究生課程，由于技術(shù)的快速發(fā)展，課堂內(nèi)容更新快，技術(shù)方法創(chuàng)新多，不同領(lǐng)域觀點(diǎn)多，需要著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐能力。因此，亟須對教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)模式進(jìn)行改革，打通理論知識學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用之間的環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力，以大量實踐思考為途徑，提高課程教學(xué)質(zhì)量[2]。隨著智慧交通的不斷發(fā)展，新的理論知識不斷產(chǎn)生，而教材的更新速度較慢，一些知識已經(jīng)不能滿足時代快速發(fā)展的需求，只有培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，學(xué)生才能善于從教材之外汲取各方面的新知識，開闊自己的視野，增加知識積累。因此，這也就要求課程教學(xué)內(nèi)容和方法應(yīng)采取適應(yīng)性改革，面向智慧交通做出創(chuàng)新性更新，注重培養(yǎng)學(xué)生對于行業(yè)發(fā)展趨勢的理解和技術(shù)實踐應(yīng)用能力。鑒于此，本文基于交通運(yùn)輸工程學(xué)科研究生課程教學(xué)體系改革的迫切需求，積極探索交通強(qiáng)國與新工科建設(shè)背景下改進(jìn)研究生培養(yǎng)能力結(jié)構(gòu)、課程體系及課程內(nèi)容的新方法，并以交通系統(tǒng)分析與建模課程為例，介紹課程面向智慧交通的改革與實踐，旨在為交通運(yùn)輸工程學(xué)科研究生培養(yǎng)與課程改革提供新思路。2交通運(yùn)輸工程學(xué)科課程教學(xué)方法探索許多學(xué)者對交通運(yùn)輸工程學(xué)科的教學(xué)進(jìn)行了深入探索，并分別從人才培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)課程體系、教學(xué)實施手段、教學(xué)模式、具體課程教學(xué)方法等方面研究了交通工程學(xué)科教學(xué)的改革和實踐。首先，隨著智慧交通的發(fā)展及交通強(qiáng)國建設(shè)的需求，人才培養(yǎng)呈現(xiàn)多元化、創(chuàng)新型趨勢。蔣瑋等（2022）提出要培養(yǎng)具有多學(xué)科交叉復(fù)合知識背景的人才[3]；丁川等（2022）面向交通強(qiáng)國建設(shè)需求，提出強(qiáng)化立德樹人、學(xué)科交叉、五育并舉以及科教融合的智能交通創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系[4]；馬永鋒等（2021）以國際化人才培養(yǎng)為目標(biāo)，探索交通運(yùn)輸國際化復(fù)合人才培養(yǎng)方法[5]；李燁（2023）以競賽為切入點(diǎn)，提出賽教融合教學(xué)方式，基于興趣驅(qū)動提升學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新能力[6]；董澤蛟等（2023）將智慧交通及交通基礎(chǔ)設(shè)施融合，探索了智慧交通基礎(chǔ)設(shè)施交叉方向研究生培養(yǎng)模式，提出理論知識、實踐能力、創(chuàng)新思維和國際視野是人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容[7]。在課程體系探索方面：翟婉明等（2021）提出在當(dāng)前交通新技術(shù)迭代更新不斷加速的背景下，要樹立“以學(xué)生的成長與發(fā)展為中心”的教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力[8]；任剛等（2020）強(qiáng)調(diào)要以培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，重構(gòu)課程體系結(jié)構(gòu)與課程教學(xué)內(nèi)容[9]；陳嘉祺等（2021）分析培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科交叉與創(chuàng)新創(chuàng)造能力的要求，對道路工程課程進(jìn)行基于研究導(dǎo)向型教學(xué)方式探索[10]；曹倩霞等（2020）對交通調(diào)查課程進(jìn)行深入研究，提出了整體項目驅(qū)動下的交通調(diào)查實踐教學(xué)模式，拓展學(xué)生整體項目高階思維[11]。也有學(xué)者將交通課程教育與思政教學(xué)融合，分別將思想政治教育融入交通工程學(xué)，對專業(yè)課課程思政建設(shè)進(jìn)行了全方位的對策研究和有效設(shè)計[12]。雖然已經(jīng)有眾多研究成果為交通工程學(xué)科課程改革和實踐提供了理論支撐，但隨著教育理念與思維的不斷更新，仍需要將更多新的教育理念引入交通運(yùn)輸工程學(xué)科教學(xué)中，例如面向新工科的“虛擬現(xiàn)實+先進(jìn)制造”協(xié)同創(chuàng)新實踐教學(xué)方法[13]、“人工智能+”創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方法等[14]，這些方法已經(jīng)在部分專業(yè)課程開展實踐并驗證有效，同時也為智慧交通課程的改革和建設(shè)提供了新的思路。3面向智慧交通的研究生能力結(jié)構(gòu)探索與課程體系重構(gòu)3.1面向智慧交通的研究生能力結(jié)構(gòu)探索作為交通領(lǐng)域的未來發(fā)展方向，智慧交通對研究生能力培養(yǎng)結(jié)構(gòu)提出了新的要求，如何在研究生培養(yǎng)過程中構(gòu)建與智慧交通匹配的學(xué)生能力結(jié)構(gòu)，成為交通專業(yè)研究生培養(yǎng)和課程教學(xué)面臨的緊迫問題。為厘清課程建設(shè)方向及內(nèi)容，本文采用成果導(dǎo)向的分析方法（OBE理念），基于具有前瞻性和引領(lǐng)性的國家或地區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略，分析智慧交通行業(yè)對研究生培養(yǎng)的新要求，剖析現(xiàn)有研究生培養(yǎng)方案的滯后點(diǎn)，以“以學(xué)生為中心”和培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，重構(gòu)面向智慧交通的研究生能力結(jié)構(gòu)和知識架構(gòu)，探索過程如圖1所示。圖1基于發(fā)展戰(zhàn)略對面向智慧交通的研究生能力結(jié)構(gòu)改革的探索過程（以湖南省為例）圖2智慧交通課程體系重構(gòu)方法及內(nèi)容示意圖在此基礎(chǔ)上，聚焦課程建設(shè)，以“交通系統(tǒng)分析與建模”課程為例，結(jié)合現(xiàn)有課程培養(yǎng)目標(biāo)和內(nèi)容的解析，從智慧交通領(lǐng)軍企業(yè)、智慧交通先進(jìn)科學(xué)技術(shù)以及創(chuàng)新示范項目出發(fā)，挖掘行業(yè)對研究生能力培養(yǎng)的需求，探索并重構(gòu)交通運(yùn)輸工程學(xué)科研究生培養(yǎng)能力結(jié)構(gòu)，為課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等提供新的改革思路。3.2課程體系重構(gòu)智慧交通作為應(yīng)用型研究領(lǐng)域，其核心技術(shù)廣泛應(yīng)用到交通工程實踐中，如城市道路、高速公路等。由于交通涵蓋范圍廣，因此，研究及工程實踐范圍可大可小，結(jié)合系統(tǒng)工程相關(guān)理念，目前通常采用系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分，將整個大交通系統(tǒng)分成若干個交通子系統(tǒng)?；诿嫦蛑腔劢煌ǖ难芯可芰Y(jié)構(gòu)的探索結(jié)果，結(jié)合單門研究生課程內(nèi)容特點(diǎn)，本文以交通系統(tǒng)研究為核心，提取代表性交通系統(tǒng)，重構(gòu)課程教學(xué)體系。通過案例式教學(xué)方法，以代表性交通系統(tǒng)為課程的主要組成單元，通過對特征道路或交通狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)建模與分析，可以更直觀地教授學(xué)生交通系統(tǒng)相關(guān)知識，幫助學(xué)生理解課程內(nèi)容，提高應(yīng)用能力。具體包含：城市道路網(wǎng)、智能網(wǎng)聯(lián)公交、高速公路、城市停車系統(tǒng)等代表性交通系統(tǒng)。另外，結(jié)合國家或者所在省市的創(chuàng)新示范項目，例如“長沙智慧公交”以及“兩個100公里智能網(wǎng)聯(lián)高速”，對課程教學(xué)案例及內(nèi)容進(jìn)行更新，緊密契合行業(yè)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展趨勢，提高教學(xué)質(zhì)量。4探索“理論實踐一體化”的智慧交通實驗教學(xué)體系研究生教學(xué)重在將理論科研知識轉(zhuǎn)化為實踐成果，因此，可依托所在學(xué)校的相關(guān)國家重點(diǎn)實驗室、虛擬仿真教學(xué)中心等實驗平臺，以先進(jìn)的實驗教學(xué)理念為指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，重點(diǎn)建設(shè)課程的實驗教學(xué)模塊，探索“理論實踐一體化”的智慧交通實驗教學(xué)方法，提高學(xué)生實踐能力和應(yīng)對實際交通問題的能力。4.1基于虛擬仿真實驗的智慧交通教學(xué)方法課程教學(xué)體系重構(gòu)，將課程細(xì)分為不同代表性交通系統(tǒng)單元，對不同交通系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能夠讓學(xué)生快速了解獨(dú)立交通系統(tǒng)的特性。構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境，可以讓學(xué)生快速理解學(xué)習(xí)內(nèi)容及場景，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量與鍛煉學(xué)生實踐能力的目的。以交通系統(tǒng)為組成單元的課程虛擬仿真實驗教學(xué)模塊可構(gòu)建為兩層次：一是基礎(chǔ)型交通系統(tǒng)虛擬仿真實驗?zāi)K，構(gòu)建目的是深化學(xué)生對交通系統(tǒng)組成、交通系統(tǒng)建模方法等基礎(chǔ)性知識的理解；二是專業(yè)型交通系統(tǒng)虛擬仿真實驗?zāi)K，該模塊以實際交通問題為導(dǎo)向，鍛煉學(xué)生對交通問題的思考、分析以及解決能力，提高學(xué)生專業(yè)知識的應(yīng)用能力。同時，各個實驗?zāi)K根據(jù)交通行業(yè)科技發(fā)展前沿更新實驗內(nèi)容，實現(xiàn)實驗教學(xué)與行業(yè)科技發(fā)展的緊密結(jié)合。課程中涉及的交通系統(tǒng)仿真實驗主要為交通微觀仿真實驗，可采用軟件引進(jìn)、自主開發(fā)相結(jié)合的方式開展。首先，采用國際上經(jīng)典的VISSIM、SUMO軟件實現(xiàn)微觀交通仿真，虛擬再現(xiàn)不同交通狀態(tài)下的運(yùn)行規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生掌握獲取交通流運(yùn)行特征和規(guī)律的方法，學(xué)習(xí)分析交通問題的原因，對城市規(guī)劃、交通工程和交通管理的有關(guān)方案進(jìn)行比較和評價；其次，面向智慧交通發(fā)展趨勢，結(jié)合微觀交通仿真實驗，采用智慧城市仿真軟件Unity對車路協(xié)同環(huán)境進(jìn)行仿真實驗。該仿真教學(xué)方法能夠?qū)崿F(xiàn)車路協(xié)同虛擬實驗，從而使智慧交通場景在課程中再現(xiàn)，更新學(xué)生知識體系，緊密貼合產(chǎn)業(yè)發(fā)展新趨勢。4.2基于實驗平臺的“實景化”智慧交通教學(xué)方法雖然虛擬仿真實驗在一定程度上能夠模擬交通系統(tǒng)并培養(yǎng)學(xué)生分析交通系統(tǒng)問題的能力，但由于仿真模型的假設(shè)性前提，并不能夠做到完全的交通系統(tǒng)場景再現(xiàn)。在以往的研究生教育中，通常采取交通調(diào)查或參觀實習(xí)的方法幫助學(xué)生增強(qiáng)對交通物理現(xiàn)實場景的理解，但這種方法并不能測試及對比交通管理方案的效果。為了彌補(bǔ)以上不足，可采用“實景化”智慧交通實驗教學(xué)方法，基于校內(nèi)相關(guān)實驗平臺，打造交通運(yùn)輸工程學(xué)科研究生課程的“實景化”實驗教學(xué)模塊，將虛擬仿真實驗轉(zhuǎn)移到物理真實場景，將教學(xué)與工程實踐結(jié)合，提高課程內(nèi)容的易理解性與實用性，提高學(xué)生進(jìn)行實際交通系統(tǒng)分析、交通系統(tǒng)優(yōu)化的能力。為緊密貼合智慧交通，“實景化”實驗教學(xué)模塊主要選取車路協(xié)同與自動駕駛方向的實景實驗，借助先進(jìn)的車輛及交通管控實驗平臺，將課程實驗拓展到實際的操作，將書本的知識真實展示在學(xué)生面前。“實景化”實驗教學(xué)模塊主要包含兩個部分：一是車路協(xié)同實景化實驗，借助室內(nèi)車路協(xié)同半實物仿真系統(tǒng)、校園道路車路協(xié)同設(shè)施，進(jìn)行車路協(xié)同交通系統(tǒng)實驗，通過探究道路交通系統(tǒng)的信號控制算法、安全分析與預(yù)警算法，培養(yǎng)學(xué)生從車路協(xié)同的角度解決實際交通問題的能力；二是自動駕駛汽車實景化實驗，借助自動駕駛實驗車、封閉性自動駕駛測試道路，構(gòu)建具有自動駕駛汽車功能的交通系統(tǒng)實驗教學(xué)模塊，填補(bǔ)研究生課程中對自動駕駛影響下交通系統(tǒng)建模部分內(nèi)容的缺失。5貫通“產(chǎn)學(xué)研”的智慧交通教學(xué)示范科研是研究生培養(yǎng)的核心內(nèi)容，但以往課程與科研脫節(jié)，并不能培養(yǎng)研究生的科研能力，使得課程的吸引力較弱，教學(xué)效果欠佳。為提高研究生科研能力和實踐工程能力，提升課程教學(xué)效果，可將“產(chǎn)學(xué)研”貫通，從產(chǎn)業(yè)和科研兩個角度開展智慧交通教學(xué)示范。首先，探索產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向的校企聯(lián)合課程培養(yǎng)方法，一方面，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展和研究生就業(yè)為導(dǎo)向，緊密聯(lián)系智慧交通領(lǐng)域的企業(yè)及研究院等，實現(xiàn)學(xué)校、交通行業(yè)主管部門及一線運(yùn)營交通企業(yè)等多方面優(yōu)勢資源的有效整合，強(qiáng)化課程教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建校內(nèi)+校外的復(fù)合型實踐教學(xué)方法，將研究生課程涉及的校內(nèi)知識與校外企業(yè)實踐項目結(jié)合；另一方面，為了使學(xué)生加強(qiáng)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的了解，使其能夠真切參與和感受智慧交通趨勢下交通系統(tǒng)的變化，需依托國家智能網(wǎng)聯(lián)車輛測試區(qū)、智慧公交示范線等智能交通行業(yè)示范項目，針對當(dāng)前新興智能交通技術(shù)發(fā)展的應(yīng)用需求，基于“產(chǎn)學(xué)研”貫通的教學(xué)改革思路，更新研究生課程的教學(xué)單元和實驗內(nèi)容，以產(chǎn)業(yè)實踐促進(jìn)課程學(xué)習(xí)及科學(xué)研究。其次，以校內(nèi)導(dǎo)師或授課教師的科研項目為依托，開展基于科研項目的智慧交通教學(xué)示范。選擇具有示范性的科研項目，在課程教學(xué)環(huán)節(jié)增加探討與實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生依托課程內(nèi)所學(xué)的知識及技術(shù)，解決實際科研問題，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果與應(yīng)用能力。針對培養(yǎng)過程各環(huán)節(jié)，完善過程質(zhì)量評價管理措施，構(gòu)建能及時根據(jù)社會需求進(jìn)行調(diào)整和完善的多元化學(xué)生學(xué)習(xí)效果CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）考核和評價方法，鍛煉學(xué)生在課程中的創(chuàng)新、構(gòu)思、交流能力，以及運(yùn)用課程知識內(nèi)