以發現式仿真實驗為載體的“道路交通控制”課程教學改革探索

路 超 胡桂戎

公安院校“道路交通控制”課程是增強學生維護道路交通秩序、優化道路交通系統運行效率技術素養的核心專業課。業務對接各級公安機關交通管理部門設置的信控專管崗位或交通組織相關崗位，對日常道路節點以及干線、區域的緩堵保暢承擔著關鍵的決策職責，具有極強的操作性。學生應崗能力以及警務實戰能力的需要決定了“道路交通控制”課程與實踐場景要素的密切融合。

為了提升實戰化教學效果，為學生創設知識應用的實踐場景，可以搜索典型一線交叉口案例，并將理論知識點的剖析融入到對案例的分析[1]。還可加強與校外實踐基地的聯系，讓學生充分參與實戰工作[2]。此外，交通仿真軟件可以豐富展示和建立各種復雜交通場景，為學生提供設計交通控制方案并觀察其對交通運行影響效果的技術支持，也是一類重要的實戰化平臺[3]。

除了訓練應用信控原理調整車輛行駛時空軌跡、解決交通問題的專業技能，在“道路交通控制”課程中，部分專業術語或參數計算原理比較抽象，學生被動式的接受并不直觀，對于專業知識的深入理解具有較大挑戰性，或容易產生混淆。根據布魯納（Brunner）的認知教育心理學、認知結構學習相關理論，發現式學習被極力倡導，認為要注重學生主動獲取知識的學習過程，而不僅是學習結果。對學生的教學過程應當強調引導，而非教師的單純講授[4]。將被動變為主動，可以提升學生對知識的接納效果，從而幫助形成頭腦中的內在認知結構[5]，無論對于知識點的記憶還是知識含義的理解都起到了顯著的促進作用。

借助于交通仿真軟件，尤其是微觀交通仿真軟件，除了能驗證交通管控方案的實施效果，更是提供了全流程詳細過程展示，真實模擬車輛群體行駛特征。因此，通過擴展仿真實驗類型和定制仿真實驗場景，將信號控制的基本概念、原理蘊含于仿真實驗進行表達和傳遞，引導學生在親自操作、觀察仿真實驗的體驗和感悟中主動發現并理解每一個概念或信號控制與交通系統交互的內在規律，能夠為學生提供一種替代性的知識生動表達的學習方法，更好地實現實踐教學與理論教學的相輔相成。

一、“道路交通控制”知識結構分析

（一）知識結構在教學中的運用

認知學習理論認為，每個課程體系中的知識都有著獨有的知識結構[6]，知識之間按照特定的邏輯關系組織在一起。該知識結構也是最終轉變為學生的認知結構的原始素材。相比于分散平鋪的知識點，有結構的、立體的知識呈現可以幫助學生以全局思維把控每一個新事物的來龍去脈。發現學習的一個本質特征就是引導學生不斷主動發現和強化構建知識點之間的關聯結構形態。

學習的目的不是要求學生記下被動聽到的教師講述，要避免最原始的刺激-反應方式的映像以及僅僅完成大腦對知識的簡單加工。通過信息的合理組織，使學生能夠將所接觸的每一個概念與已經學過的，或有印象存在的其他信息相關聯，并儲存在認知結構中的適當位置，從而形成容易喚起回憶的長期記憶。

不同交通控制教材的內容組織和介紹過程各有差異，但核心知識點構成相對固定，可以從不同角度進行歸類概括，而不同類別之間的相互作用關系便體現了一種知識結構構建方式。教師應當提供和設計能夠清晰表征交通控制基本原理的知識結構[7]，從而逐層提升學生的認知層次，幫助學生在“螺旋式”的學習過程中能夠穩步推進。例如，遵從于信號控制技術實施的邏輯順序和關聯關系，按照信控方案的整體設計流程，可以將核心知識內容根據應用條件分為非受控輸入參數型，控制變量型、分場景的決策方法型、以及系統實施效果評價型等。

（二）課程的外部結構分析

“道路交通控制”作為專業核心課程之一，與其他課程共同構成了交通管理學科體系，教學過程中不能與其他相關專業課程相互割裂。實戰中單獨應用交通信號控制措施所能發揮的作用相對有限。針對某一目標節點、區域的交通組織或交通管控都是信號燈與其他交通管理設施共同作用的結果。例如，信號相位相序的設計或配時參數的設置需要充分考慮路段以及路口的渠化條件。又如，路口車輛排隊長度的分析需要考慮交通流理論中交通流到達和消散規律。因此，在教學中除了闡述和構建課程內部的知識結構，還需要增強與其他相關課程的關聯認識，提高跨課程的學習和應用場景比例，形成一體化的專業知識結構，為學生處理復雜現實交通問題、提升交通管控效果提供全面的知識框架和技術支撐，更有效地培養系統思維習慣以及專業知識的綜合應用能力。

（三）知識點屬性特征

“道路交通控制”知識點源自日常交通信號控制實踐。雖然學生在生活中有機會觀察信控設施并產生交互，但從專業角度去理解、表達和操作仍需專門的訓練。部分知識類型具有陳述性的主導特征，但可能表現出不同的層次性，其概念可能是基礎、簡單的陳述，比較直觀，也可能是復合型的，即一個概念中嵌入了其他概念，而被嵌入的概念又可能對應了另一項獨立流程，因此這種概念本身的定義描述相對不容易通過被動式的講解而被直接理解。另一部分知識類型具有程序性的主導特征，主要涉及對原理的應用從而體現技能的形成[8]，而應用也要建立在對交通特征規律的全面觀察、推理和熟練掌握的前提下，這部分內容更難以通過被動講授達到較好的理解效果，而且可能會出現知識的跳躍，降低學生的學習積極性。

二、以仿真實驗開展發現式學習的能力培養目標

（一）培養學生自主探索交通規律的能力

發現式學習強調培養學生自主構建知識的能力并注重學生的獨立思考，從而總結、發現規律性的認知內容[9]。交通系統的運行與交通管理之間存在明顯的作用與反作用，交通規律的特征是交通控制方案設計的前提，而交通規律的轉化和演變也是交通控制方案實施效果的直接體現。因此，除了熟練掌握信號控制基本概念和方法，交通系統的運行特性發展規律也是交通控制技術認知構建的一個重要部分，有助于輔助提升相關概念理解的飽滿程度。

從基礎周期隊列流的時空分布到不同協調模式的信控方案下發后單個交叉口或連續交叉口群車流運行形態、車輛排隊長度等隨時間變化的趨勢研判，都是開展日常交通管控工作必備的基本技能。仿真實驗為學生搭建了一個深度參與交通系統運行過程的環境，具有細節精細化展示和全過程、多維度運行復現的獨特優勢。通過參與操作不同交通場景下的發現式仿真實驗，注重培養學生探索交通運行規律的專業技能，能夠加深學生對信號控制原理的理解，為進一步開展綜合性更強的專業知識學習、應用打下堅實基礎。

（二）培養學生非常規問題處理能力

實踐中很多交通問題的解決方法沒有固定模式。雖然遵循交通組織的基本原則或應用常見交通組織措施可對共性問題提供較成熟的解決方案，但道路交通系統的構成和表現形態靈活多變，新問題層出不窮。例如，常規交叉口多以十字交叉為主，而現實中近距離交叉口疊加構成的復合交叉口或多個連接方向道路交叉形成的畸形交叉口等都是廣泛存在的非常規問題。因此，需要學生適應交通組織與管控技術一直處在不斷發展過程的演化趨勢，明確許多新的方法和措施的出現都是因地制宜的創新之舉，從而在學習過程中養成活躍的思維、變通的分析處理能力。

在發現式學習中學生自主獲取知識的過程中不僅用到邏輯分析和推理，直覺思維更是發揮了關鍵的作用[10]。在對信息的快速感知以及多角度思考過程中，憑借直覺的解析，幫助構建新的認知，甚至表現為創造性思維，從而在學習和發現特定知識的基礎上理解和應對其他可能遇見的類似事物，促進形成知識遷移[11]，發現隱藏在特例問題背后的普遍性規律和最本質的原理，幫助學生在面對非常規問題的未知挑戰和困難時能夠觸類旁通、從容應對，提升學生獨立尋求問題答案的信心。

（三）培養學生尋優決策能力

實踐中圍繞路口交通壓力的持續緩解而及時對信號配時參數的動態更新、改善稱為“調優”工作，它是路口當前通行矛盾的疏解途徑，也是交通組織新方案設計全流程中不可或缺的尾部階段，因此是交通管理活動中的一項重要任務，更是專業素養的直觀體現。

發現式仿真實驗具備主動探索的特征，學生在動手操作過程中投入深度的專注和敏銳的洞察，通過對信息的識別和分析，潛意識中會激發出不同的觀點和思路，相應地也可得出不同的結論。因此在掌握基本原理和方法的基礎上，發現式仿真實驗學習方法能夠促進學生形成一種最優化思維，將視野在可行范圍內擴展，盡可能廣泛收集有價值的想法，并自覺展開方案之間的權衡，經過不同候選選項的綜合對比和論證，使不同交通場景下挑選的方案更具獨特性和有效性，促進學生深度思考和舉一反三能力，讓學生深切理解道路通行資源的有限性、約束性，以及信號控制方案的“分秒必爭”，提升交通管理的決策效果，更好地適應實踐需要。

三、以仿真實驗為載體的發現式教學模式構建

實踐中發現式學習的流程并不固定，布魯納甚至認為，凡是用自己頭腦親自獲取知識的一切形式都屬于發現式學習的范疇[12]。在設計和實施以發現式仿真實驗為載體的教學環節時，可以結合仿真軟件的技術特點，充分利用仿真軟件的便利性和實用性，最大限度發揮仿真實驗產生的自主學習效果。

（一）融合實踐的仿真情境創設

仿真情景是學生開展發現學習的初始導入，在設計時需要充分考慮情境信息的接受完備性，能夠激發學生的興趣與好奇，使學生積極參與仿真情景所涉及的各項任務之中，為主動獲取認知、成功探索方法做好鋪墊。以仿真實驗為載體的發現式教學模式中，學生使用仿真軟件自行動手創建實驗所需的交通場景相關數據文件以及圖形繪制等準備工作可以幫助學生確切、透徹地了解背景資料，從而提高后續的分析和思考效率。

首先，可選擇學生熟悉的周邊實際路口或區域，以其中的核心要素為主體，借助仿真軟件靈活的定制化特性，可做適當的調整，使仿真情景具備較強的代入感，方便學生減少熟悉背景資料的時間和精力投入，迅速抓住重點。其次，對于本地出現的一些典型交通問題，還可以選擇具有代表性的地點，安排學生利用校外時間預先開展調研，熟悉交通設施布設情況，以及車輛運行基本情況，完成仿真基礎數據的收集。同理，對于其他信息資源中獲取的典型案例場景，安排學生充分查閱相關資料，并在仿真軟件中進行還原。

（二）多樣化的實驗類型拓展

為提升知識獲取的深度和廣度，滿足差異化的知識屬性特征，從不同的角度擴展學生的思維模式，發現式仿真實驗的類型應當考慮多樣化，讓學生可以應對不同的問題情境，接觸到不同的挑戰，具備多維度的觀察力。按照信控方案設計的全流程性，圍繞信控參變量含義和作用的理解以及最終方案的生成，可以從以下幾個方面對仿真實驗類型進行匹配。

1. 交通特性調查類實驗

交叉口交通特性作為信控系統的非受控輸入參數，反映了交叉口自身現有通行條件的物理屬性，是后續方案制定的基礎和前提，例如飽和流率、車輛到達率等。仿真基礎數據方面，路網規模一般不需太大，主要集中在交叉口范圍內及其進出口道，為鞏固學生交通調查的基本技能，可采取人工統計的方式記錄數據，也可借助軟件中的數據采集功能收集數據，而仿真路網中的數據采集點與實際路網中常見的交通檢測裝置布設位置保持一致。為進一步加深對參數的理解，可以變化實驗場景，對比不同道路設施結構、通行條件或流線方向對參數的影響。此外，還應注意到交通特性參數的變化對方案生成的差異。

2. 交通系統狀態評價類實驗

交通狀態評價指標是反映信號控制方案實施效果的直觀參數，在信號控制中有多重作用，例如，能夠反應交叉口的通行供給、駕駛人員的出行成本或出行滿意程度等。為使學生直觀掌握各項評價指標的確切含義，實驗過程應開展不同維度的探索，包括評價指標參數的認知、指標之間的區別之處、計算所需參數條件及計算原理等。可以用圖形化的方式記錄仿真數據，并輔助離散數據連續化處理等方式，引導學生自主得出結論，加深對概念的理解和記憶程度。此外，仿真實驗還應使學生了解指標之間的正向促進或此消彼長等不同范圍內的作用關系，從而在具體評價方案時能夠更加全面、客觀。

3. 影響趨勢探索類實驗

交通信號控制變量，例如綠信比、相位相序、信號周期等各類信號配時參數，標定了信控方案的具體決策結果。實驗中需要學生探索發現對不同評價指標的取值起關鍵作用的主導因素，定性理解各類控制變量對系統效率改善的貢獻程度。同時，根據實驗所得數據序列能夠訓練學生發現控制變量與評價指標變量之間的影響趨勢，總結定量關系，從而提取并運用客觀規律。實驗中控制變量的探測過程可采用小步長遞增、遞減等基礎取值更新方式以便于操作。除了單因素作用效果分析，尋找具備最佳通行效能的控制變量組合更是不可或缺的方案來源，因此還需培養多變量協同意識。

4. 通行效率改善類綜合實驗

此類實驗重在培養和檢驗學生的專業綜合能力。由于現實場景中交通矛盾的不特定性，開展仿真實驗的場景問題可以具備一定的隱含性，且是未有定論的材料，給學生留有充分的思考空間。從問題找出、矛盾沖突分析、通行條件發掘到方案提出和效果檢驗均應由學生自主發現和探討，以便更深入地理解交通信號控制在保障交通安全、效率中所發揮的本質功能，以及與其他交通管理設施的兼容性。由于實踐中交通仿真軟件本身也是解決問題的有效方式和有力支撐，因此甚至實驗方案的計劃、仿真數據的總結分析呈現方式都可由學生自主設計，以便檢驗和鞏固學生學以致用的實戰本領，培養依托技術手段解決現實交通問題的主動意識，更好地為后續的工作提供技術積累。

（三）實驗任務的接續推進

與所采用的知識結構相對應，在各項實驗開始前，首先需要設定清晰的層級目標，梳理出一條或幾條主要、明確、連貫的實施主線，以此為參照細化實驗進度，將具體知識點的學習探索過程視作較高目標實驗中的子環節，確保每個實驗任務之間的關聯性，體現學習過程的整體性、結構性和邏輯性。

利用仿真軟件所有仿真文件和數據便于存盤的特性，可以在一項任務結束后的實驗結果上提出新的問題、布置新的任務，開展后續實驗，創造任務之間的接續發展條件。不僅可以更方便地與上一模塊的知識建立鏈接，還能迅速完成對新任務的準確理解，保持問題情景的熟知程度，高效切入正題。

任務的難度應呈逐步增加趨勢，每一項任務都要在匹配學生當前知識技能掌握水平的基礎上將難度定位在與現有認知發展狀態相適宜的差距范圍，適應認知能力的最近發展區[13]，避免出現較大跨度和跳躍性，必要時增加一些輔助類知識點進行過渡，確保發現過程的有效實施，使學生感受到自己在學習過程中的進步與成就感，建立勝任多重問題情境任務的自信心，激發持續參與實驗過程的積極性，在不斷面對新挑戰中循序漸進提高問題解決能力。

（四）多層次的推理假設

提出合理的、接近真相的假設是發現式學習中構建認知的必要前置條件，是學生發揮直覺思維和創造力的集中體現，標志著學生進入深度思考下的學習狀態，為專注開展后續實驗激發了好奇心和興趣度的主觀條件，也提供了更加細節化的實驗目標。

假設的提出可不局限于某種特定的形式，當問題相對簡單時，基于現有的先前知識和經驗能夠順利實現知識遷移或邏輯推理則適合提出直接假設并直接構建認知。相反，假設也可不直接針對最終的目標任務，而是結合情景任務的類型靈活變換假設形式，采取目標分解或逐步逼近的方式，更有條理地應對復雜任務，從不同的角度通過局部認識的量變積累達到發現新知的質變跨越。

（五）思維碰撞的概念審查

對于復雜的概念或方案設計方法，假設驗證工作量相對較大，為提高實驗效率，首先可對假設進行初步甄別，發揮理性思維能力，篩選出最有價值的假設借助仿真平臺生成更多的仿真信息進行自主正向假設驗證和審查，與此同時，通過對實驗產生客觀結果的系統觀察形成逆向反饋，對考慮不周全的地方查漏補缺。

其次，基于對當前所掌握信息的總結和概括，還可將自己的觀點和支撐論據向他人講述介紹，在鍛煉語言表達能力的同時，讓自己的假設接受質疑和挑戰，在思維碰撞中檢驗自己的思維漏洞并虛心吸收有益觀點，自我調整思路進行更全面的問題考慮。尤其對于沒有標準答案的任務問題，可以進一步提升尋找最優解決方案的認知效果。

（六）行動價值導向的成績評定

發現學習的有效開展需要充足的內部動機以支持一系列場景任務自主完成。其中主動分析、思考所獲取的有價值的實驗結果或對提出假設的成功內部省察等報償會維持、轉化和增強內部動機，而學生獲得成績評定則是對內部動機起積極互補作用的外部動機，同樣會對學生后續持續付諸學習行動的熱情、努力程度產生影響。

雖然發現式學習的最終目的是對假設驗證后得出精確的認知，但發現前的鋪墊環節同樣占據較高權重，因此成績評定時認真的學習態度，深度思考后有邏輯性、有價值的行動，也應重點關注并其給予積極的評價。這些行動并不一定可以解決最終的問題，但動態反應了能力提升，讓學生感受到自己行動上有意義的進展能夠獲得肯定的反饋，同時應鼓勵創新性的想法和思維模式，幫助學生即使在不斷試錯中也能逐步優化內驅力。

四、教師角色分析

在發現式教學模式中，教師要適應角色的轉變。學生是學習過程的主體，教師在精心設計的一系列情景任務中從為學生提供解決問題所需的基礎材料，到引導學生分析材料、激發學生的直覺思維，直至得出結論并以第一視角參與構建和擴展自身的認知體系，都要發揮好助推者作用。

首先，注意將有效認知材料充分融入發現過程。問題情境創設后學生獲取到用以解決問題的材料或背景知識是培育直覺思維的土壤，因此對材料理解和掌握必須是學生現有認知結構中的穩定組成部分。教師在提供材料時需要確保所有信息都能被學生所接受，或是對學生最有效的材料。要豐富材料的發布形式以及材料的構成，避免因個體差異導致相同的材料在不同的學生中產生絕緣。交通仿真軟件提供了開放的學習環境，教師要充分注重引導學生借助仿真軟件對交通場景中存在的問題進行細致調研，不斷發掘符合情景特征的信息資源，使直覺思維更加貼近實際問題。此外，鑒于課程的綜合跨學科特性，教師同時需要提供和引導學生關注相關學科課程中的可用背景知識資源。

其次，圍繞知識點巧妙設計不同角度的情景問題。發現式學習中任務情景的問題設計構成了建立特定認知的通道，教師應當結合知識點的屬性特征巧妙設計問題和任務，讓學生能夠通過發現的方式盡可能多地加強對教學內容的掌握。例如，除了的簡單的陳述性知識內容學生可以通過直接識記學習，對于復雜的概念類知識可偏向于提出定性分析為主的問題模式，突出對原理、影響因素、功能以及作用等方面的認知，加深對概念的形象理解和掌握。而程序性的方案設計類知識內容可偏向于定性與定量結合的提問方式，提升學生對所學方法和技術整體決策過程的直觀體會，并借助確切的量化指標衡量方案的優劣。

最后，要時刻注意保持與學生的良好即時對話。發現式學習是學生在未知和不確定狀態下的探索過程，為保障任務的順利開展，每一步驟都需要獲取反饋信息及時檢驗和改進當前的思路想法，反饋信息除了包括實驗操作過程獲得的客觀實驗數據結果以及實例中的客觀事實等，教師的反饋是更加有針對性的指導形式。因此教師應當時刻掌握學生的學習進度和思維發展狀態，通過積極的互動及時調整和補充材料規模，增加對學生的引導，并根據需要為學生親自做出示范，為更有效地激發學生的直覺思維創造條件。

五、結語

發現式學習是學生通過自主構建認知方式獲得知識并在大腦中有序存儲的一種有效途徑。交通控制仿真實驗濃縮、涵蓋了交通信號作用下道路交通流形態受擾動以及發展演化的內在規律。作為了解交通系統特征的直觀媒介，為學生思考交通問題直覺思維的有效發揮提供了對比和參照資料，也為發現式學習的實施提供了有利條件，引導學生對概念、原理、方法等多重知識屬性形成穩固的認識，可有效提升學生在交通組織信號控制領域的觀察分析、總結決策以及創新優化能力，強化學生對專業技能的理論吸收和實踐轉化效果。

知識吸收成效的關鍵取決于教師所提供的特定的知識結構，它是最終在學生頭腦中所形成的認知結構的根源，影響了分析、解決問題的思維模式。與實踐過程中技術流程相匹配的知識內容梳理是體現應用條件下知識結構關系構建的一種有效方式。針對不同的知識屬性特征，通過擴展仿真實驗類型并按照特定的主線創設關聯性強的發現式學習情景序列可以最大限度提升發現式學習的實施效果，充分發揮學生學習積極性和自主性，對學生整體把控學習任務以及實現教學目標具有重要意義。