基于駕駛模擬的超車仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

郭鳳香　和文耀　萬華森　秦雅琴　賈現(xiàn)廣　陳亮

摘? 要：道路交通運(yùn)輸專業(yè)具有多學(xué)科融合、緊密結(jié)合實(shí)踐的特點(diǎn)，但許多交通專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)往往會(huì)受到場(chǎng)地大小、條件不可控、重復(fù)性差和實(shí)際道路危險(xiǎn)性等不利因素的限制而無法順利開展。為提升學(xué)生的實(shí)踐能力與課程參與度，基于駕駛模擬技術(shù)，探討可用于交通仿真、道路交通安全及交通行為分析等課程教學(xué)的超車仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教學(xué)實(shí)驗(yàn)以鍛煉學(xué)生分析解決問題能力和實(shí)踐操作能力為目標(biāo)，詳細(xì)地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，并將該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在道路交通安全、交通仿真等課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行應(yīng)用，為駕駛模擬系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：交通運(yùn)輸；駕駛模擬；超車仿真；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）16-0049-04

Abstract： The road traffic transportation specialty has the characteristics of multidisciplinary integration and close combination with practice. However， the practical teaching links of many transportation specialty courses are often limited by unfavorable factors such as site size， uncontrollable conditions， poor repeatability， and actual road risks. In order to improve students'practical ability and course participation， based on driving simulation technology， this paper discusses the teaching experiment project of overtaking simulation which can be used in the teaching of traffic simulation， road traffic safety and traffic behavior analysis. The teaching experiment aims at training students' ability to analyze and solve problems and practical operation ability. The experimental process and practical teaching content are designed in detail， and the experimental project is applied in the practical links of road traffic safety， traffic simulation and other courses， which provides reference for the application of driving simulation system in teaching experiment.

Keywords： transportation; driving simulation; overtaking simulation; experimental design; practice teaching

道路交通運(yùn)輸是涉及車輛、信息、管理及土木等多學(xué)科的綜合性專業(yè)，在學(xué)生的培養(yǎng)過程中不僅要求其掌握復(fù)雜的專業(yè)理論知識(shí)，還需具備自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作與實(shí)踐能力。但在實(shí)踐能力的培養(yǎng)中，實(shí)際道路交通實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)條件不可控、重復(fù)實(shí)驗(yàn)困難且存在著一定的危險(xiǎn)性的特點(diǎn)，導(dǎo)致交通運(yùn)輸專業(yè)人才的實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)環(huán)節(jié)難以開展。這也是在教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)道路交通系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種原理、特征、現(xiàn)象等缺乏實(shí)際的感官認(rèn)識(shí)的主要原因之一，學(xué)生的認(rèn)識(shí)更多地停留在理論知識(shí)上，缺少結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的深刻理解，導(dǎo)致許多學(xué)生在理論知識(shí)與實(shí)際結(jié)合上有所欠缺。而本教學(xué)實(shí)驗(yàn)中基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法具有虛實(shí)結(jié)合、安全性高的特點(diǎn)，可以為實(shí)踐教學(xué)的展開提供一個(gè)合適的平臺(tái)，搭建幫助課程實(shí)現(xiàn)學(xué)生從理論走向?qū)嶋H的橋梁，達(dá)到學(xué)以致用的目標(biāo)。

駕駛?cè)顺嚪抡鎸?shí)驗(yàn)的開設(shè)，旨在以超車這一日常交通現(xiàn)象為基礎(chǔ)，建立駕駛?cè)嗽诓煌缆放c交通條件下的超車行為虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，考察與了解不同駕駛?cè)说男袨樘匦耘c安全駕駛特性。同時(shí)，通過該實(shí)驗(yàn)可以確定安全超車的道路條件、交通條件，考察相同道路及交通條件下不同駕駛?cè)说男袨樘匦裕私怦{駛?cè)税踩{駛的相關(guān)特性。通過該實(shí)驗(yàn)還可以幫助學(xué)生了解基于駕駛模擬系統(tǒng)的三維虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)方法及實(shí)驗(yàn)方案的制定方法，倡導(dǎo)以學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)改革，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，逐漸掌握提出問題、分析問題、解決問題的思路與方法，提升學(xué)生的綜合能力。

一? 仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

超車是一種常見的交通現(xiàn)象，駕駛?cè)顺囆袨檫^程會(huì)受到道路交通系統(tǒng)中的人、車、路、環(huán)四個(gè)因素的影響，因此超車實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生全方面地掌握道路交通系統(tǒng)構(gòu)成要素的特性。本實(shí)驗(yàn)作為綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，主要通過三維虛擬環(huán)境下的超車仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開展來培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題能力、實(shí)踐操作能力、自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。在實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生需要應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，根據(jù)超車仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒊囋砗桶踩笤O(shè)計(jì)超車仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案搭建虛擬的超車仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，組織完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)后根據(jù)結(jié)果分析撰寫報(bào)告。

（一）? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

超車仿真模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)基于昆明理工大學(xué)自主研發(fā)的三維虛擬軟件與駕駛模擬系統(tǒng)，結(jié)合眼動(dòng)儀、生理儀、心理儀等設(shè)備，由學(xué)生在老師的指導(dǎo)下根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖灾髟O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)道路交通條件與交通環(huán)境，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑趯?shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)不同超車方式和道路交通條件的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，包括：①通過對(duì)不同人群的超車行為進(jìn)行考察，分析性別、年齡、個(gè)人性格等不同的人的行為特性對(duì)超車行為的影響，進(jìn)而分析不同人群的駕駛特性；②為了考察不同車輛的動(dòng)力、剎車等車輛性能對(duì)車輛超車行為與駕駛安全性的影響，可以通過更改虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的各類性能參數(shù)，從而改變仿真車輛的車輛性能，最終可以設(shè)計(jì)不同性能車輛的超車模擬實(shí)驗(yàn)，分析不同車輛性能對(duì)超車行為的影響；③設(shè)計(jì)不同類型的道路或者同一道路不同路段的超車行為，如鄉(xiāng)村道路的直路、彎路等，進(jìn)而研究不同道路條件對(duì)車輛超車行為的影響等。

（二）? 教學(xué)實(shí)驗(yàn)開展步驟

與普通的課程實(shí)驗(yàn)不同，本教學(xué)實(shí)驗(yàn)以學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生被分為不同實(shí)驗(yàn)小組，各小組根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇罱ㄌ摂M場(chǎng)景進(jìn)行超車仿真實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和開展過程中可以鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。

具體的教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程主要由五部分組成：①課前學(xué)生可參考瀏覽已完成的報(bào)告書和仿真模型，幫助了解實(shí)驗(yàn)；②課上教師對(duì)相關(guān)軟件以及仿真儀器的使用方式進(jìn)行教學(xué)，并進(jìn)行一次模擬實(shí)驗(yàn)；③學(xué)生分組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、構(gòu)建模型，并招募實(shí)驗(yàn)志愿者，可由擁有駕駛執(zhí)照的學(xué)生擔(dān)當(dāng)，也可招募其他駕駛?cè)耍虎苋握n教師的監(jiān)督完成實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分析，完成報(bào)告書；⑤教師在提出修改意見后，依據(jù)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)以及報(bào)告書的完成度進(jìn)行評(píng)分。

二? 仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

超車仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)屬于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)范疇，是一種將仿真技術(shù)運(yùn)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的參與式學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)的主旨是改變傳統(tǒng)的被動(dòng)學(xué)習(xí)方式，由學(xué)生作為課堂教學(xué)的主體，體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，注重發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，以實(shí)踐性和研究性為主旨的教學(xué)方式，是一門綜合性與開放性兼具的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以在滿足多門交通專業(yè)課程教學(xué)的同時(shí)綜合考察學(xué)生對(duì)交通仿真、交通安全等多門科目的學(xué)習(xí)情況，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)踐考核。

（一）? 交通仿真

在超車仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要學(xué)習(xí)使用交通仿真技術(shù)，以現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)道路為基礎(chǔ)，結(jié)合交通安全、交通心理學(xué)等不同課程的需求設(shè)計(jì)不同的超車仿真實(shí)驗(yàn)，并獲取需要的數(shù)據(jù)。其中，學(xué)生運(yùn)用交通仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建的過程，實(shí)際就是學(xué)生能逐步理解掌握駕駛模擬實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)交通仿真技術(shù)的過程，由淺入深地加深對(duì)場(chǎng)景設(shè)計(jì)、駕駛仿真技術(shù)等仿真模擬知識(shí)的認(rèn)識(shí)，全面深刻理解交通仿真理論與技術(shù)，提高學(xué)生專業(yè)興趣和理論聯(lián)系實(shí)際能力。交通仿真教學(xué)不再局限于單一的課堂理論知識(shí)教學(xué)，而是由學(xué)生自主學(xué)習(xí)構(gòu)建仿真場(chǎng)景。

學(xué)生可以任意建立某個(gè)具有道路交通特定環(huán)境及交通動(dòng)態(tài)特征的虛擬場(chǎng)景，包括真實(shí)的、想象的或用于特殊實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景，并能通過對(duì)駕駛車輛、交通車流、行人的動(dòng)態(tài)參數(shù)和其他環(huán)境因素有條件的控制，在模擬器上實(shí)現(xiàn)對(duì)各類道路交通問題的動(dòng)態(tài)信息采集、參數(shù)分析和仿真實(shí)驗(yàn)。不僅可以解決實(shí)際道路的安全問題，也能使學(xué)生根據(jù)自己的想法、思路和目的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，包括場(chǎng)景設(shè)計(jì)、交通模型、實(shí)驗(yàn)方法、所需數(shù)據(jù)的處理和分析方法等，將不可及的抽象概念轉(zhuǎn)化為直觀、可控的仿真圖形、數(shù)據(jù)與過程，同時(shí)可進(jìn)行重復(fù)模擬，是一種開放的設(shè)計(jì)型教學(xué)實(shí)驗(yàn)。尤其在仿真過程中改變多種交通條件，如被超車的速度、數(shù)量，對(duì)向車的速度、數(shù)量等所導(dǎo)致的被試者操作反應(yīng)，讓學(xué)生對(duì)駕駛?cè)诵袨榘踩匦杂休^為直觀的了解，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生的研究興趣，在實(shí)際應(yīng)用中強(qiáng)化加深對(duì)交通仿真技術(shù)的理解，形成一套完整的、系統(tǒng)的、科學(xué)的概念。

如圖1所示，超車方式可以包括正常超車、對(duì)向有車輛的情況下超車、超載大型車輛和超越車隊(duì)等，還可以為前車和對(duì)象車輛設(shè)置不同的間距與車速，用于營(yíng)造不同的交通條件，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和了解不同交通條件下的超車行為。

除了設(shè)置不同的交通條件，還可以應(yīng)用圖2中的各類素材（部分展示），對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)中的人、車、路環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足不同方面的教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求。同時(shí)超車仿真實(shí)驗(yàn)多樣化的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，不僅可以拓寬學(xué)生的思路，提升創(chuàng)新能力，也可以為不同的教學(xué)科目提供個(gè)性化的教學(xué)素材。

（二）? 道路交通安全

道路交通系統(tǒng)是一個(gè)由人、車、路、環(huán)境四種因素組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其具有系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性的特點(diǎn)。因此在進(jìn)行相關(guān)實(shí)踐教學(xué)時(shí)，往往會(huì)因?yàn)槭艿降缆窏l件與道路危險(xiǎn)性的限制而無法開展，只能進(jìn)行理論與案例教學(xué)，學(xué)生難以切實(shí)地體會(huì)到道路交通系統(tǒng)中各個(gè)因素對(duì)交通安全的影響。而超車仿真模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)以學(xué)生的實(shí)踐與參與感為重點(diǎn)，旨在以超車這一日常交通現(xiàn)象作為研究點(diǎn)，由學(xué)生按照課程需求，在教師的指導(dǎo)下使用仿真建模軟件設(shè)計(jì)或還原某一超車場(chǎng)景，探究不同道路、路段、氣候和交通環(huán)境等因素對(duì)超車行為的影響，甚至可以構(gòu)建某一事故場(chǎng)景，分析不同因素對(duì)事故的影響程度。比如雙車道超車行為，由于需要借用對(duì)向車道完成超車，駕駛?cè)瞬粌H僅要保證與前車的安全距離，還要觀察對(duì)向車道，極容易發(fā)生追尾或者碰撞事故，利用駕駛模擬系統(tǒng)，學(xué)生不僅可以還原這一危險(xiǎn)場(chǎng)景進(jìn)行直觀體驗(yàn)，還可以通過設(shè)備獲取的詳細(xì)數(shù)據(jù)對(duì)道路交通中存在的各項(xiàng)因素進(jìn)行分析，深入了解道路交通安全中的各類風(fēng)險(xiǎn)因素。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考核，擺脫了期末筆試考核的局限性，可以更全面地考察學(xué)生對(duì)道路交通安全的認(rèn)知與理解。

（三）? 交通心理學(xué)與行為分析

交通心理學(xué)是一門與現(xiàn)實(shí)交通生活非常貼近的應(yīng)用心理學(xué)學(xué)科，學(xué)生單靠書本知識(shí)和教師的講解很難有直觀的認(rèn)識(shí)。例如，關(guān)于駕駛?cè)宋ｋU(xiǎn)知覺、駕駛?cè)朔中牡阮I(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)都難以通過教學(xué)講解。類似的，在交通行為分析教學(xué)中，駕駛行為本身是一種動(dòng)態(tài)的行為，包括駕駛行為可靠性分析、人群行為差異性分析等內(nèi)容，單靠文字說明和圖片演示難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，課程也會(huì)顯得枯燥無味。但在超車仿真實(shí)驗(yàn)中，每一位學(xué)生都可以使用仿真模擬設(shè)備，進(jìn)入車輛駕駛室模擬演練，不僅可以在模擬實(shí)驗(yàn)中根據(jù)自己的主觀感受學(xué)習(xí)駕駛?cè)嗽隈{駛汽車過程中感知、決策等心理活動(dòng)的規(guī)律及影響因素，還可以在模擬演練中通過生理心理儀采集多項(xiàng)客觀數(shù)據(jù)。在模擬演練后，可以通過超車仿真實(shí)驗(yàn)中的車速、剎車踏板深度等數(shù)據(jù)進(jìn)行駕駛?cè)诵袨榉治觯Y(jié)合心跳、皮電等數(shù)據(jù)分析駕駛?cè)说男睦恚瑢W(xué)習(xí)交通行為與心理的關(guān)系。將兩門抽象的教學(xué)課程結(jié)合為一門具體的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅可以保證師生安全，還可以給予學(xué)生直觀的教學(xué)體驗(yàn)。

（四）? 教學(xué)實(shí)例

以昆明理工大學(xué)本科教學(xué)為例，課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為基于駕駛模擬的車輛超車行為分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生進(jìn)一步掌握交通仿真、道路交通安全等課程的相關(guān)知識(shí)，熟練運(yùn)用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件完成虛擬場(chǎng)景構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)。如圖3所示，在課程中，學(xué)生需要使用實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的構(gòu)建，包括道路搭建、駕駛環(huán)境設(shè)計(jì)、車流設(shè)計(jì)等，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的想法。在實(shí)驗(yàn)中，被試人的選取、數(shù)據(jù)記錄與駕駛模擬器的監(jiān)測(cè)均由學(xué)生負(fù)責(zé)，任課教師僅負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)安全與必要的指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生分組提交完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告與設(shè)計(jì)場(chǎng)景，并注明每位組員的工作任務(wù)，任課教師根據(jù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的真實(shí)性、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完整性與科學(xué)性、不同人員的工作內(nèi)容等，給予學(xué)生綜合評(píng)分。

三? 結(jié)束語

超車仿真實(shí)驗(yàn)以超車這一日常交通現(xiàn)象為例，將虛擬仿真技術(shù)引入學(xué)生的課堂教學(xué)，將理論與實(shí)踐結(jié)合，軟件與硬件結(jié)合，為交通工程專業(yè)教學(xué)提供效費(fèi)比高的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)。同時(shí)，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以深入結(jié)合多門專業(yè)課的理論知識(shí)，拓展教學(xué)手段，提升學(xué)生個(gè)人綜合素質(zhì)能力，在教學(xué)結(jié)束后，可以通過問卷調(diào)查的方式了解學(xué)生對(duì)課程的直觀感受，并結(jié)合學(xué)生期末成績(jī)與實(shí)驗(yàn)完成情況對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。最后，學(xué)生在任課教師的指導(dǎo)下，主動(dòng)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、仿真建模、設(shè)備調(diào)試、模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，更加綜合地考量了學(xué)生的個(gè)人能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提高了課程興趣，考驗(yàn)了學(xué)生的自主積極性，是多門專業(yè)課程相融合的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程。

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基金項(xiàng)目：2020年度云南省研究生優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項(xiàng)目“交通系統(tǒng)仿真技術(shù)及應(yīng)用研究生教學(xué)案例庫”（云學(xué)位〔2021〕2號(hào)）；2021年度云南省專業(yè)學(xué)位研究生案例庫建設(shè)項(xiàng)目“交通系統(tǒng)仿真技術(shù)及應(yīng)用研究生教學(xué)案例庫”（云學(xué)位〔2021〕18號(hào)）

第一作者簡(jiǎn)介：郭鳳香（1979-），女，漢族，黑龍江海林人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，副院長(zhǎng)。研究方向?yàn)榻煌ò踩婉{駛行為。

*通信作者：萬華森（1974-），男，漢族，云南曲靖人，博士，副教授。研究方向?yàn)榻煌ò踩c車路協(xié)同。