面向智慧交通的交通運輸工程學科課程教學改革方法探索

邢璐，吳偉，柳伍生，龍科軍，郝威

（長沙理工大學，湖南長沙 410114）

1 背景

黨的二十大報告強調：“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略，開辟發展新領域新賽道，不斷塑造發展新動能新優勢。”2019 年9 月，國務院印發《交通強國建設綱要》，明確提出將智慧交通作為交通強國建設四大發展方向之一。智慧交通逐漸發展成為解決交通問題的必由之路，隨著智慧交通的快速發展，原有傳統學科教學內容與產業發展現狀脫節，使得人才培養無法滿足就業需求。楊敏等（2021）認為：交通強國建設與“智能網聯”信息化趨勢下的交通運輸行業轉型離不開交通人才隊伍的有力支撐，如何為交通強國建設培養符合新時期要求的創新人才，是當下高等教育亟須解決的問題[1]。因此，面對智慧交通發展帶來的機遇和挑戰，如何改革教學模式與方法，適應新環境和新要求，成為高等教育面對的一項重要課題。

當前，交通運輸工程學科研究生課堂教學多數仍采用傳統教學方法，課程教學內容脫離實際交通系統，弱化實踐教學，導致學生的實踐創新能力、解決實際交通問題能力不強，課程整體在創新實踐、前沿技術的敏銳度方面存在不足。而對于大多數研究生課程，由于技術的快速發展，課堂內容更新快，技術方法創新多，不同領域觀點多，需要著重培養學生的創新思維和創新實踐能力。因此，亟須對教學方法、教學內容以及教學模式進行改革，打通理論知識學習與實踐應用之間的環節，激發學生創新能力，以大量實踐思考為途徑，提高課程教學質量[2]。隨著智慧交通的不斷發展，新的理論知識不斷產生，而教材的更新速度較慢，一些知識已經不能滿足時代快速發展的需求，只有培養學生的自主學習能力，學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內容和方法應采取適應性改革，面向智慧交通做出創新性更新，注重培養學生對于行業發展趨勢的理解和技術實踐應用能力。

鑒于此，本文基于交通運輸工程學科研究生課程教學體系改革的迫切需求，積極探索交通強國與新工科建設背景下改進研究生培養能力結構、課程體系及課程內容的新方法，并以交通系統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，旨在為交通運輸工程學科研究生培養與課程改革提供新思路。

2 交通運輸工程學科課程教學方法探索

許多學者對交通運輸工程學科的教學進行了深入探索，并分別從人才培養目標、教學課程體系、教學實施手段、教學模式、具體課程教學方法等方面研究了交通工程學科教學的改革和實踐。首先，隨著智慧交通的發展及交通強國建設的需求，人才培養呈現多元化、創新型趨勢。蔣瑋等（2022）提出要培養具有多學科交叉復合知識背景的人才[3]；丁川等（2022）面向交通強國建設需求，提出強化立德樹人、學科交叉、五育并舉以及科教融合的智能交通創新型人才培養體系[4]；馬永鋒等（2021）以國際化人才培養為目標，探索交通運輸國際化復合人才培養方法[5]；李燁（2023）以競賽為切入點，提出賽教融合教學方式，基于興趣驅動提升學生的探索能力和創新能力[6]；董澤蛟等（2023）將智慧交通及交通基礎設施融合，探索了智慧交通基礎設施交叉方向研究生培養模式，提出理論知識、實踐能力、創新思維和國際視野是人才培養的核心內容[7]。

在課程體系探索方面：翟婉明等（2021）提出在當前交通新技術迭代更新不斷加速的背景下，要樹立“以學生的成長與發展為中心”的教學理念，培養學生解決復雜問題的能力[8]；任剛等（2020）強調要以培養目標為依據，重構課程體系結構與課程教學內容[9]；陳嘉祺等（2021）分析培養學生學科交叉與創新創造能力的要求，對道路工程課程進行基于研究導向型教學方式探索[10]；曹倩霞等（2020）對交通調查課程進行深入研究，提出了整體項目驅動下的交通調查實踐教學模式，拓展學生整體項目高階思維[11]。也有學者將交通課程教育與思政教學融合，分別將思想政治教育融入交通工程學，對專業課課程思政建設進行了全方位的對策研究和有效設計[12]。

雖然已經有眾多研究成果為交通工程學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輸工程學科教學中，例如面向新工科的“虛擬現實+先進制造”協同創新實踐教學方法[13]、“人工智能+”創新型人才培養方法等[14]，這些方法已經在部分專業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提供了新的思路。

3 面向智慧交通的研究生能力結構探索與課程體系重構

3.1 面向智慧交通的研究生能力結構探索

作為交通領域的未來發展方向，智慧交通對研究生能力培養結構提出了新的要求，如何在研究生培養過程中構建與智慧交通匹配的學生能力結構，成為交通專業研究生培養和課程教學面臨的緊迫問題。為厘清課程建設方向及內容，本文采用成果導向的分析方法（OBE理念），基于具有前瞻性和引領性的國家或地區發展戰略，分析智慧交通行業對研究生培養的新要求，剖析現有研究生培養方案的滯后點，以“以學生為中心”和培養學生實踐創新能力為目標，重構面向智慧交通的研究生能力結構和知識架構，探索過程如圖1 所示。

圖1 基于發展戰略對面向智慧交通的研究生能力結構改革的探索過程（以湖南省為例）

圖2 智慧交通課程體系重構方法及內容示意圖

在此基礎上，聚焦課程建設，以“交通系統分析與建模”課程為例，結合現有課程培養目標和內容的解析，從智慧交通領軍企業、智慧交通先進科學技術以及創新示范項目出發，挖掘行業對研究生能力培養的需求，探索并重構交通運輸工程學科研究生培養能力結構，為課程體系、教學內容、教學方法等提供新的改革思路。

3.2 課程體系重構

智慧交通作為應用型研究領域，其核心技術廣泛應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，結合系統工程相關理念，目前通常采用系統進行細分，將整個大交通系統分成若干個交通子系統。基于面向智慧交通的研究生能力結構的探索結果，結合單門研究生課程內容特點，本文以交通系統研究為核心，提取代表性交通系統，重構課程教學體系。

通過案例式教學方法，以代表性交通系統為課程的主要組成單元，通過對特征道路或交通狀態進行系統建模與分析，可以更直觀地教授學生交通系統相關知識，幫助學生理解課程內容，提高應用能力。具體包含：城市道路網、智能網聯公交、高速公路、城市停車系統等代表性交通系統。另外，結合國家或者所在省市的創新示范項目，例如“長沙智慧公交”以及“兩個100 公里智能網聯高速”，對課程教學案例及內容進行更新，緊密契合行業先進科學技術發展趨勢，提高教學質量。

4 探索“理論實踐一體化”的智慧交通實驗教學體系

研究生教學重在將理論科研知識轉化為實踐成果，因此，可依托所在學校的相關國家重點實驗室、虛擬仿真教學中心等實驗平臺，以先進的實驗教學理念為指導，以培養學生工程實踐和創新能力為目標，重點建設課程的實驗教學模塊，探索“理論實踐一體化”的智慧交通實驗教學方法，提高學生實踐能力和應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方法

課程教學體系重構，將課程細分為不同代表性交通系統單元，對不同交通系統的學習能夠讓學生快速了解獨立交通系統的特性。構建高度仿真的虛擬實驗環境，可以讓學生快速理解學習內容及場景，達到提高教學質量與鍛煉學生實踐能力的目的。以交通系統為組成單元的課程虛擬仿真實驗教學模塊可構建為兩層次：一是基礎型交通系統虛擬仿真實驗模塊，構建目的是深化學生對交通系統組成、交通系統建模方法等基礎性知識的理解；二是專業型交通系統虛擬仿真實驗模塊，該模塊以實際交通問題為導向，鍛煉學生對交通問題的思考、分析以及解決能力，提高學生專業知識的應用能力。同時，各個實驗模塊根據交通行業科技發展前沿更新實驗內容，實現實驗教學與行業科技發展的緊密結合。

課程中涉及的交通系統仿真實驗主要為交通微觀仿真實驗，可采用軟件引進、自主開發相結合的方式開展。首先，采用國際上經典的VISSIM、SUMO 軟件實現微觀交通仿真，虛擬再現不同交通狀態下的運行規律，培養學生掌握獲取交通流運行特征和規律的方法，學習分析交通問題的原因，對城市規劃、交通工程和交通管理的有關方案進行比較和評價；其次，面向智慧交通發展趨勢，結合微觀交通仿真實驗，采用智慧城市仿真軟件Unity 對車路協同環境進行仿真實驗。該仿真教學方法能夠實現車路協同虛擬實驗，從而使智慧交通場景在課程中再現，更新學生知識體系，緊密貼合產業發展新趨勢。

4.2 基于實驗平臺的“實景化”智慧交通教學方法

雖然虛擬仿真實驗在一定程度上能夠模擬交通系統并培養學生分析交通系統問題的能力，但由于仿真模型的假設性前提，并不能夠做到完全的交通系統場景再現。在以往的研究生教育中，通常采取交通調查或參觀實習的方法幫助學生增強對交通物理現實場景的理解，但這種方法并不能測試及對比交通管理方案的效果。為了彌補以上不足，可采用“實景化”智慧交通實驗教學方法，基于校內相關實驗平臺，打造交通運輸工程學科研究生課程的“實景化”實驗教學模塊，將虛擬仿真實驗轉移到物理真實場景，將教學與工程實踐結合，提高課程內容的易理解性與實用性，提高學生進行實際交通系統分析、交通系統優化的能力。

為緊密貼合智慧交通，“實景化”實驗教學模塊主要選取車路協同與自動駕駛方向的實景實驗，借助先進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生面前。“實景化”實驗教學模塊主要包含兩個部分：一是車路協同實景化實驗，借助室內車路協同半實物仿真系統、校園道路車路協同設施，進行車路協同交通系統實驗，通過探究道路交通系統的信號控制算法、安全分析與預警算法，培養學生從車路協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，構建具有自動駕駛汽車功能的交通系統實驗教學模塊，填補研究生課程中對自動駕駛影響下交通系統建模部分內容的缺失。

5 貫通“產學研”的智慧交通教學示范

科研是研究生培養的核心內容，但以往課程與科研脫節，并不能培養研究生的科研能力，使得課程的吸引力較弱，教學效果欠佳。為提高研究生科研能力和實踐工程能力，提升課程教學效果，可將“產學研”貫通，從產業和科研兩個角度開展智慧交通教學示范。

首先，探索產業導向的校企聯合課程培養方法，一方面，以產業發展和研究生就業為導向，緊密聯系智慧交通領域的企業及研究院等，實現學校、交通行業主管部門及一線運營交通企業等多方面優勢資源的有效整合，強化課程教學內容，構建校內+校外的復合型實踐教學方法，將研究生課程涉及的校內知識與校外企業實踐項目結合；另一方面，為了使學生加強對產業發展的了解，使其能夠真切參與和感受智慧交通趨勢下交通系統的變化，需依托國家智能網聯車輛測試區、智慧公交示范線等智能交通行業示范項目，針對當前新興智能交通技術發展的應用需求，基于“產學研”貫通的教學改革思路，更新研究生課程的教學單元和實驗內容，以產業實踐促進課程學習及科學研究。

其次，以校內導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示范。選擇具有示范性的科研項目，在課程教學環節增加探討與實踐環節，學生依托課程內所學的知識及技術，解決實際科研問題，強化學習效果與應用能力。針對培養過程各環節，完善過程質量評價管理措施，構建能及時根據社會需求進行調整和完善的多元化學生學習效果CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）考核和評價方法，鍛煉學生在課程中的創新、構思、交流能力，以及運用課程知識內容進行交通系統設計、實施和運行的能力。

6 結語

智慧交通的發展為傳統交通行業注入了新的動力，但同時也對交通運輸工程學科的研究生高等教育提出更高要求。行業的變革必將引發教育的變革，如何在變革過程中適應新要求是當前交通類專業人才培養亟須解決的問題。因此，傳統交通課程面向智慧交通的改革和升級成為交通類高等教育的重要任務。在推動學科交叉和學科融合的同時，注重對傳統課程的改造，從人才培養能力結構出發，采用先進的教學理念和方法，重構理論、實驗和實踐教學體系，能夠有效助力智慧交通人才培養，具有較大的理論和應用價值。