強化交通調查的交通流理論與仿真教學研究

姚榮涵 周紅媚 趙勝川

[摘 要]交通調查在交通流理論與仿真課程中具有舉足輕重的作用。針對交通調查涉及面廣、直觀可操作、系統(tǒng)性強、實踐性強等特點，提出強化交通調查的交通流理論與仿真課程改革思路。考慮學生學習的心理特點和規(guī)律，首先對交通流理論與仿真課程的核心知識點進行系統(tǒng)梳理，其次設計交通調查方案示意圖、獲取實地調查影像圖和交通仿真數據采集圖，然后借助視頻編輯軟件制作適合課堂教學的交通調查視頻剪輯影片，最后設計強化交通調查的交通流理論與仿真課程教學內容與方案，并形成多媒體教學課件。新教學方案有助于學生直觀感受與充分重視交通調查，并在實踐中深刻理解核心知識點與理論方法，從而激發(fā)學生的學習興趣、促使其主動思考。該方案對于培養(yǎng)學生理論聯系實際的能力具有重要作用與推廣價值，能有效提高學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。

[關鍵詞]教學改革;課程改革;課堂教學;交通流理論;交通仿真;交通調查

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）03-0050-03

高等教育是建立在中等教育基礎上的專業(yè)教育，承擔著培養(yǎng)高級專門人才、促進科技文化發(fā)展和社會主義現代化建設的重要任務。為了適應社會、經濟發(fā)展需要，我校于2007年在本科教育階段設立交通工程專業(yè)，并開始招生。交通工程專業(yè)培養(yǎng)具備交通系統(tǒng)規(guī)劃、控制與管理以及道路橋梁工程技術等方面知識，能在勘察規(guī)劃、交通管理、道路工程技術和管理等部門從事交通運輸規(guī)劃、交通工程設計、施工和管理、交通控制系統(tǒng)開發(fā)等方面工作的高級工程技術人才，具有很強的應用性和實踐性。

我校交通工程專業(yè)2007級本科培養(yǎng)方案是參考幾所兄弟院校交通工程專業(yè)的本科培養(yǎng)方案而制定的。作為我校的一個新專業(yè)，直至2012年，交通工程專業(yè)每年都進行常規(guī)的本科培養(yǎng)方案修訂工作，所以其每個年級的培養(yǎng)方案都略有不同。例如，2008級和2009級的培養(yǎng)方案中開設了交通系統(tǒng)仿真課程，其為專業(yè)必修課，共32學時，開課時間為三年級第二學期;2010級和2011級的培養(yǎng)方案中開設了交通流理論課程，其為專業(yè)必修課，共32學時，開課時間為三年級第二學期。

2012年，我校啟動并實施了全校各個本科專業(yè)培養(yǎng)方案的全面修訂工作。根據全校本科專業(yè)培養(yǎng)方案修訂工作的總體要求，在通識課與公共基礎課程、大類與專業(yè)基礎課程培養(yǎng)方案修訂稿的基礎上，交通運輸學院對交通工程專業(yè)本科培養(yǎng)方案中的專業(yè)基礎課、專業(yè)課程和專業(yè)實踐課進行了全面修訂。在培養(yǎng)方案修訂過程中，我院全體教師進行了認真分析與討論，確定了我校交通工程專業(yè)的培養(yǎng)目標、培養(yǎng)模式以及課程體系。考慮到各門課程教學內容之間的相關關系以及知識點的內在邏輯關系，在新的培養(yǎng)方案中，原先設置的交通流理論與交通系統(tǒng)仿真被合并為交通流理論與仿真，該課程為專業(yè)必修課，共32學時，開課學期提前至二年級第二學期。

一、課程定位與問題提出

交通流理論與仿真是交通工程專業(yè)的基礎課，是交通工程專業(yè)本科生的必修課，是培養(yǎng)交通工程專業(yè)人才的主干課程之一，在交通工程專業(yè)的授課計劃中具有舉足輕重的地位。通過本課程的學習，學生應該熟練掌握交通流參數的基本含義與調查方法、交通流參數之間的關系模型以及再現交通流運行規(guī)律的仿真原理與手段，能夠綜合運用所學知識分析和解決交通流仿真與評價等相關方面的具體問題。該課程著重介紹描述與再現交通流現象、特征與規(guī)律的原理與方法。無論是交通流參數的統(tǒng)計分布還是交通流參數的關系模型，都離不開科學、嚴謹的交通調查所獲得的樣本數據。“沒有調查就沒有發(fā)言權”，這一特點在交通流理論與仿真中顯得尤為突出。

2014年，我們面向2012級本科生第一次開設交通流理論與仿真。如前所述，該課程由交通流理論與交通系統(tǒng)仿真合并而成，而且授課學期提前了一學年，課程面臨著大幅壓縮學時的問題。如何使新課程系統(tǒng)、全面地涵蓋原有課程的基本內容和核心內容是值得思考的問題。因此，有必要對該課程的教學內容與方法進行深入改革和創(chuàng)新。

目前，大多數介紹交通流理論的書籍主要參考了美國聯邦公路局出版的《交通流理論專著》[1-3]，該專著的最后一章簡要介紹了交通仿真。對于初學者來說，理解這些書籍所講的內容比較困難。雖然書中強調交通調查在交通流分析與建模中非常重要，但是有關交通調查的介紹比較抽象，而且一些調查儀器隨著科學技術的發(fā)展逐漸被淘汰。

另一方面，大多數介紹交通仿真的書籍著眼于系統(tǒng)仿真與建模技術在交通流現象描述中的應用以及交通仿真軟件的使用[4-5]。這些書籍較少關注交通調查數據的獲取方法。

從指導本科生參加交通科技大賽或創(chuàng)新性實驗項目，以及指導研究生從事科學研究的經歷和經驗來看，學生對交通現象的直觀認識和深刻理解影響并決定著他們分析問題和解決問題的正確性和科學性。要對交通現象有直觀認識和深刻的理解，離不開交通調查。由此可見，如何進行交通調查、如何獲得交通調查數據對于學生理解交通流參數的概念、統(tǒng)計分布及其關系模型以及交通參與者的行為特性都具有重要的作用，其同時也有助于學生理解交通仿真原理并正確地使用交通仿真軟件。因此，在交通流理論與仿真課程中應該強化交通調查的內容與方法這部分的教學。

隨著計算機技術與智能移動終端設備的發(fā)展，數碼照相機、數碼攝像機、智能手機、掌上電腦等設備的使用非常普及。這些設備的運用讓現代大學生的學習態(tài)度、方式與方法發(fā)生了深刻的變化。從科研經驗來看，這些設備都可用于交通調查，為交通調查服務。

鑒于以上理由，課題組提出強化交通調查的交通流理論與仿真課程改革思路，在梳理核心知識點體系的基礎上，使用智能移動終端設備與計算機軟件收集和整理交通調查資料，并制作適合課堂教學的交通調查方案設計圖和視頻剪輯影片，根據教學內容的邏輯關系串聯有關交通調查的數據和資料，最終形成一套強化交通調查的交通流理論與仿真多媒體教學課件。

二、交通流理論與仿真教學方案設計

基于強化交通調查的教學理念，考慮交通調查的直觀性、可操作性、系統(tǒng)性和實踐性等特點，針對交通流理論與仿真課程設計強化交通調查的教學改革方案，具體內容包括以下幾方面。

（一）核心知識點梳理

查閱國內外相關教材、專著和文獻，通過梳理交通流理論與仿真的核心知識點，提取關鍵的交通流參數，并剖析這些參數的內在聯系，繪制核心知識點結構圖。這些知識點包括：主要交通流參數及其相互關系;主要交通流參數及其數學描述模型;主要交通流參數及其調查方法;記錄的和統(tǒng)計的交通流數據及其采集設備之間的關系;主要交通流參數及其理論體系之間的關系。利用知識點結構圖能夠直觀地強調交通調查在交通流理論與仿真課程中的重要性與作用。

（二）交通調查方案設計

為使交通調查在課堂教學中得以強化，針對主要交通流參數設計調查方案。第一，使用Visio軟件繪制一系列交通調查方案示意圖。第二，借助智能移動終端設備采集交通流數據，并獲取一系列交通調查的實地影像圖。第三，利用交通仿真軟件獲得一系列交通仿真數據采集圖。

1. 交通調查方案示意圖

為強化交通調查，給出主要交通流參數的獲取原理。為單斷面調查示意圖，該方案可獲得流量、車頭時距、點速度等數據。雙斷面短距離調查示意圖，該方案能獲得流量、車頭時距、速度、占有率等數據。雙斷面長距離調查示意圖，該方案可測得密度。多觀測站調查示意圖，該方案能獲得行駛時間、行程時間、行駛速度、行程速度、延誤等數據。通常，一次交通調查所采取的方案往往涉及兩種或兩種以上的調查方法。例如，起動-停車波調查或排隊長度調查都需要設置多個觀測站，而且分固定觀測站和移動觀測站。

2. 交通調查的實地影像圖

根據交通調查示意圖明確調查目的與內容，通過實地踏勘選擇適合的調查地點。然后，選用合適的調查工具，并配備適當的調查人員。在有代表性的時段，組織調查人員實施現場觀測，再利用攝像機、照相機等設備獲取交通現象的視頻或圖片影像。

3. 交通仿真數據采集圖

交通仿真使用計算機技術模擬交通流運行狀況。常用的交通仿真軟件都提供多種工具來采集交通數據。這些數據采集工具可實現交通調查的功能。為強化交通調查的同時使學生更好地理解交通仿真原理，可利用交通仿真軟件設計交通流模擬案例，采用相關工具設置數據采集方案。

（三）交通調查數據處理

1. 交通數據統(tǒng)計分析表

為便于存儲和加工現場調查獲得的數據資料，需要設計交通數據統(tǒng)計分析表。該表通常由多張分表組成，其設計應遵循方便輸入、易于計算、完整顯示、相互關聯等原則。表1和表2舉例說明了交通數據統(tǒng)計分析表的設計。表1為交叉口飽和流率和流量統(tǒng)計分析表，表2為起動-停車波數據統(tǒng)計分析表。表中灰色區(qū)域表示輸入數據，藍色區(qū)域表示計算或統(tǒng)計數據。

2. 交通調查視頻剪輯

根據交通流參數特性和交通流模型特點，使用視頻編輯軟件對獲取的交通調查影像資料進行剪輯，并加入強化知識點的圖片、文字、聲音和特效等，形成適合PPT播放和課堂教學的影片或動畫。例如，通過展示交通調查視頻剪輯影片的某個瞬間，可以強調地點速度的概念和調查方法，以及時間平均速度與空間平均速度的概念、調查方法以及兩者的區(qū)別與聯系。

（四）教學內容設計及實踐檢驗

1. 教學內容設計

將梳理的核心知識點、設計的交通調查方案與數據統(tǒng)計分析表以及獲取的交通調查視頻進行有機融合，科學、合理地設計交通流理論與仿真的教學內容，使交通調查貫穿于其中。根據設計的教學內容，考慮知識點的先后順序和學生接受新知識的學習心理，使用多媒體技術制作交通流理論與仿真課堂教學課件，使文字、視頻、語音等有機結合，從而使交通流理論與仿真的概念、原理、模型、方法與技術等有機地融為一體。

2. 實踐檢驗

以交通工程專業(yè)本科生為對象載體，在教學過程中，應用強化交通調查的交通流理論與仿真多媒體課件，通過交通調查視頻讓學生對交通流現象有直觀認識，從而讓學生深刻理解交通流參數、模型、原理與方法，進而具備設計交通調查方案、提出新的模型與方法的能力，提高學生提出問題、分析問題和解決問題的能力[6-7]。根據教學效果的反饋情況，教師可對教學內容和教學方法進行改進、調整或完善。

三、結束語

為提高交通流理論與仿真課程的教學質量，基于強化交通調查的教學理念，提出交通流理論與仿真課程教學改革思路與方案。通過查閱國內外相關文獻對交通流理論與仿真課程中的核心知識點進行了系統(tǒng)梳理;根據交通調查原理繪制了主要交通流參數的調查方案示意圖，借助智能移動終端設備獲取了有代表性的實地調查影像圖，并利用交通仿真軟件獲得了實現交通調查功能的交通仿真數據采集圖;依據交通流參數關系設計了相關的交通數據統(tǒng)計分析表;使用視頻編輯軟件制作了適合PPT播放和課堂教學的交通調查影片或動畫。針對課堂教學特點系統(tǒng)設計了強化交通調查的交通流理論與仿真課程教學內容，并制作了多媒體教學課件;通過教學實踐，對所提出的教學改革方案進行檢驗和完善。

鑒于新教學思路和方案存在的種種不足，課題組將在今后的教學活動中不斷完善和強化交通調查的交通流理論與仿真課程教學內容與方案，同時不斷豐富、強化交通調查的各種圖片、視頻、影片或動畫等資料。

交通調查在交通流理論與仿真課程中具有舉足輕重的作用，又具有很強的實踐性。因此，強化交通調查有助于培養(yǎng)學生發(fā)現問題、分析問題和解決問題的能力，同時有助于培養(yǎng)學生深刻認識問題、生動活潑地表達觀點以及團隊合作等方面的能力。綜上所述，本文針對交通流理論與仿真課程提出的強化交通調查的教學改革思路具有良好的應用價值，值得推廣與借鑒。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] Gartner NH， Messer CJ， Rathi AK. Monograph on Traffic Flow Theory [M]. Washington DC： Federal Highway Administration （FHWA）， 1996.

[2] 王殿海.交通流理論[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3] 邵春福，魏麗英，賈斌.交通流理論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 鄧建華，馮煥煥，鄔嵐.道路交通系統(tǒng)仿真技術與應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[5] 孫劍.微觀交通仿真分析指南[M].上海：同濟大學出版社，2014.

[6] 徐穎秦，陶洪峰，劉艷君，潘豐.“問題驅動+能力提升”卓越課程建設與實踐——以自動控制原理課程建設為例[J].大學教育，2016（11）：125-126，156.

[7] 姚榮涵，潘寶峰，趙勝川.問題驅動和案例主導的交通規(guī)劃教學研究[J].大學教育，2017（10）：1-3.

[責任編輯：陳 明]