强化交通调查的交通流理论与仿真教学研究

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　　[摘 要]交通调查在交通流理论与仿真课程中具有举足轻重的作用。针对交通调查涉及面广、直观可操作、系统性强、实践性强等特点，提出强化交通调查的交通流理论与仿真课程改革思路。考虑学生学习的心理特点和规律，首先对交通流理论与仿真课程的核心知识点进行系统梳理，其次设计交通调查方案示意图、获取实地调查影像图和交通仿真数据采集图，然后借助视频编辑软件制作适合课堂教学的交通调查视频剪辑影片，最后设计强化交通调查的交通流理论与仿真课程教学内容与方案，并形成多媒体教学课件。新教学方案有助于学生直观感受与充分重视交通调查，并在实践中深刻理解核心知识点与理论方法，从而激发学生的学习兴趣、促使其主动思考。该方案对于培养学生理论联系实际的能力具有重要作用与推广价值，能有效提高学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。
　　[关键词]教学改革;课程改革;课堂教学;交通流理论;交通仿真;交通调查
　　[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）03-0050-03
　　高等教育是建立在中等教育基础上的专业教育，承担着培养高级专门人才、促进科技文化发展和社会主义现代化建设的重要任务。为了适应社会、经济发展需要，我校于2007年在本科教育阶段设立交通工程专业，并开始招生。交通工程专业培养具备交通系统规划、控制与管理以及道路桥梁工程技术等方面知识，能在勘察规划、交通管理、道路工程技术和管理等部门从事交通运输规划、交通工程设计、施工和管理、交通控制系统开发等方面工作的高级工程技术人才，具有很强的应用性和实践性。
　　我校交通工程专业2007级本科培养方案是参考几所兄弟院校交通工程专业的本科培养方案而制定的。作为我校的一个新专业，直至2012年，交通工程专业每年都进行常规的本科培养方案修订工作，所以其每个年级的培养方案都略有不同。例如，2008级和2009级的培养方案中开设了交通系统仿真课程，其为专业必修课，共32学时，开课时间为三年级第二学期;2010级和2011级的培养方案中开设了交通流理论课程，其为专业必修课，共32学时，开课时间为三年级第二学期。
　　2012年，我校启动并实施了全校各个本科专业培养方案的全面修订工作。根据全校本科专业培养方案修订工作的总体要求，在通识课与公共基础课程、大类与专业基础课程培养方案修订稿的基础上，交通运输学院对交通工程专业本科培养方案中的专业基础课、专业课程和专业实践课进行了全面修订。在培养方案修订过程中，我院全体教师进行了认真分析与讨论，确定了我校交通工程专业的培养目标、培养模式以及课程体系。考虑到各门课程教学内容之间的相关关系以及知识点的内在逻辑关系，在新的培养方案中，原先设置的交通流理论与交通系统仿真被合并为交通流理论与仿真，该课程为专业必修课，共32学时，开课学期提前至二年级第二学期。
　　一、课程定位与问题提出
　　交通流理论与仿真是交通工程专业的基础课，是交通工程专业本科生的必修课，是培养交通工程专业人才的主干课程之一，在交通工程专业的授課计划中具有举足轻重的地位。通过本课程的学习，学生应该熟练掌握交通流参数的基本含义与调查方法、交通流参数之间的关系模型以及再现交通流运行规律的仿真原理与手段，能够综合运用所学知识分析和解决交通流仿真与评价等相关方面的具体问题。该课程着重介绍描述与再现交通流现象、特征与规律的原理与方法。无论是交通流参数的统计分布还是交通流参数的关系模型，都离不开科学、严谨的交通调查所获得的样本数据。“没有调查就没有发言权”，这一特点在交通流理论与仿真中显得尤为突出。
　　2014年，我们面向2012级本科生第一次开设交通流理论与仿真。如前所述，该课程由交通流理论与交通系统仿真合并而成，而且授课学期提前了一学年，课程面临着大幅压缩学时的问题。如何使新课程系统、全面地涵盖原有课程的基本内容和核心内容是值得思考的问题。因此，有必要对该课程的教学内容与方法进行深入改革和创新。
　　目前，大多数介绍交通流理论的书籍主要参考了美国联邦公路局出版的《交通流理论专著》[1-3]，该专著的最后一章简要介绍了交通仿真。对于初学者来说，理解这些书籍所讲的内容比较困难。虽然书中强调交通调查在交通流分析与建模中非常重要，但是有关交通调查的介绍比较抽象，而且一些调查仪器随着科学技术的发展逐渐被淘汰。
　　另一方面，大多数介绍交通仿真的书籍着眼于系统仿真与建模技术在交通流现象描述中的应用以及交通仿真软件的使用[4-5]。这些书籍较少关注交通调查数据的获取方法。
　　从指导本科生参加交通科技大赛或创新性实验项目，以及指导研究生从事科学研究的经历和经验来看，学生对交通现象的直观认识和深刻理解影响并决定着他们分析问题和解决问题的正确性和科学性。要对交通现象有直观认识和深刻的理解，离不开交通调查。由此可见，如何进行交通调查、如何获得交通调查数据对于学生理解交通流参数的概念、统计分布及其关系模型以及交通参与者的行为特性都具有重要的作用，其同时也有助于学生理解交通仿真原理并正确地使用交通仿真软件。因此，在交通流理论与仿真课程中应该强化交通调查的内容与方法这部分的教学。
　　随着计算机技术与智能移动终端设备的发展，数码照相机、数码摄像机、智能手机、掌上电脑等设备的使用非常普及。这些设备的运用让现代大学生的学习态度、方式与方法发生了深刻的变化。从科研经验来看，这些设备都可用于交通调查，为交通调查服务。
　　鉴于以上理由，课题组提出强化交通调查的交通流理论与仿真课程改革思路，在梳理核心知识点体系的基础上，使用智能移动终端设备与计算机软件收集和整理交通调查资料，并制作适合课堂教学的交通调查方案设计图和视频剪辑影片，根据教学内容的逻辑关系串联有关交通调查的数据和资料，最终形成一套强化交通调查的交通流理论与仿真多媒体教学课件。 　　二、交通流理论与仿真教学方案设计
　　基于强化交通调查的教学理念，考虑交通调查的直观性、可操作性、系统性和实践性等特点，针对交通流理论与仿真课程设计强化交通调查的教学改革方案，具体内容包括以下几方面。
　　（一）核心知识点梳理
　　查阅国内外相关教材、专著和文献，通过梳理交通流理论与仿真的核心知识点，提取关键的交通流参数，并剖析这些参数的内在联系，绘制核心知识点结构图。这些知识点包括：主要交通流参数及其相互关系;主要交通流参数及其数学描述模型;主要交通流参数及其调查方法;记录的和统计的交通流数据及其采集设备之间的关系;主要交通流参数及其理论体系之间的关系。利用知识点结构图能够直观地强调交通调查在交通流理论与仿真课程中的重要性与作用。
　　（二）交通调查方案设计
　　为使交通调查在课堂教学中得以强化，针对主要交通流参数设计调查方案。第一，使用Visio软件绘制一系列交通调查方案示意图。第二，借助智能移动终端设备采集交通流数据，并获取一系列交通调查的实地影像图。第三，利用交通仿真软件获得一系列交通仿真数据采集图。
　　1. 交通調查方案示意图
　　为强化交通调查，给出主要交通流参数的获取原理。为单断面调查示意图，该方案可获得流量、车头时距、点速度等数据。双断面短距离调查示意图，该方案能获得流量、车头时距、速度、占有率等数据。双断面长距离调查示意图，该方案可测得密度。多观测站调查示意图，该方案能获得行驶时间、行程时间、行驶速度、行程速度、延误等数据。通常，一次交通调查所采取的方案往往涉及两种或两种以上的调查方法。例如，起动-停车波调查或排队长度调查都需要设置多个观测站，而且分固定观测站和移动观测站。
　　2. 交通调查的实地影像图
　　根据交通调查示意图明确调查目的与内容，通过实地踏勘选择适合的调查地点。然后，选用合适的调查工具，并配备适当的调查人员。在有代表性的时段，组织调查人员实施现场观测，再利用摄像机、照相机等设备获取交通现象的视频或图片影像。
　　3. 交通仿真数据采集图
　　交通仿真使用计算机技术模拟交通流运行状况。常用的交通仿真软件都提供多种工具来采集交通数据。这些数据采集工具可实现交通调查的功能。为强化交通调查的同时使学生更好地理解交通仿真原理，可利用交通仿真软件设计交通流模拟案例，采用相关工具设置数据采集方案。
　　（三）交通调查数据处理
　　1. 交通数据统计分析表
　　为便于存储和加工现场调查获得的数据资料，需要设计交通数据统计分析表。该表通常由多张分表组成，其设计应遵循方便输入、易于计算、完整显示、相互关联等原则。表1和表2举例说明了交通数据统计分析表的设计。表1为交叉口饱和流率和流量统计分析表，表2为起动-停车波数据统计分析表。表中灰色区域表示输入数据，蓝色区域表示计算或统计数据。
　　2. 交通调查视频剪辑
　　根据交通流参数特性和交通流模型特点，使用视频编辑软件对获取的交通调查影像资料进行剪辑，并加入强化知识点的图片、文字、声音和特效等，形成适合PPT播放和课堂教学的影片或动画。例如，通过展示交通调查视频剪辑影片的某个瞬间，可以强调地点速度的概念和调查方法，以及时间平均速度与空间平均速度的概念、调查方法以及两者的区别与联系。
　　（四）教学内容设计及实践检验
　　1. 教学内容设计
　　将梳理的核心知识点、设计的交通调查方案与数据统计分析表以及获取的交通调查视频进行有机融合，科学、合理地设计交通流理论与仿真的教学内容，使交通调查贯穿于其中。根据设计的教学内容，考虑知识点的先后顺序和学生接受新知识的学习心理，使用多媒体技术制作交通流理论与仿真课堂教学课件，使文字、视频、语音等有机结合，从而使交通流理论与仿真的概念、原理、模型、方法与技术等有机地融为一体。
　　2. 实践检验
　　以交通工程专业本科生为对象载体，在教学过程中，应用强化交通调查的交通流理论与仿真多媒体课件，通过交通调查视频让学生对交通流现象有直观认识，从而让学生深刻理解交通流参数、模型、原理与方法，进而具备设计交通调查方案、提出新的模型与方法的能力，提高学生提出问题、分析问题和解决问题的能力[6-7]。根据教学效果的反馈情况，教师可对教学内容和教学方法进行改进、调整或完善。
　　三、结束语
　　为提高交通流理论与仿真课程的教学质量，基于强化交通调查的教学理念，提出交通流理论与仿真课程教学改革思路与方案。通过查阅国内外相关文献对交通流理论与仿真课程中的核心知识点进行了系统梳理;根据交通调查原理绘制了主要交通流参数的调查方案示意图，借助智能移动终端设备获取了有代表性的实地调查影像图，并利用交通仿真软件获得了实现交通调查功能的交通仿真数据采集图;依据交通流参数关系设计了相关的交通数据统计分析表;使用视频编辑软件制作了适合PPT播放和课堂教学的交通调查影片或动画。针对课堂教学特点系统设计了强化交通调查的交通流理论与仿真课程教学内容，并制作了多媒体教学课件;通过教学实践，对所提出的教学改革方案进行检验和完善。
　　鉴于新教学思路和方案存在的种种不足，课题组将在今后的教学活动中不断完善和强化交通调查的交通流理论与仿真课程教学内容与方案，同时不断丰富、强化交通调查的各种图片、视频、影片或动画等资料。
　　交通调查在交通流理论与仿真课程中具有举足轻重的作用，又具有很强的实践性。因此，强化交通调查有助于培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，同时有助于培养学生深刻认识问题、生动活泼地表达观点以及团队合作等方面的能力。综上所述，本文针对交通流理论与仿真课程提出的强化交通调查的教学改革思路具有良好的应用价值，值得推广与借鉴。
　　[ 参 考 文 献 ]
　　[1] Gartner NH， Messer CJ， Rathi AK. Monograph on Traffic Flow Theory [M]. Washington DC： Federal Highway Administration （FHWA）， 1996.
　　[2] 王殿海.交通流理论[M].北京：人民交通出版社，2002.
　　[3] 邵春福，魏丽英，贾斌.交通流理论[M].北京：电子工业出版社，2012.
　　[4] 邓建华，冯焕焕，邬岚.道路交通系统仿真技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2012.
　　[5] 孙剑.微观交通仿真分析指南[M].上海：同济大学出版社，2014.
　　[6] 徐颖秦，陶洪峰，刘艳君，潘丰.“问题驱动+能力提升”卓越课程建设与实践——以自动控制原理课程建设为例[J].大学教育，2016（11）：125-126，156.
　　[7] 姚荣涵，潘宝峰，赵胜川.问题驱动和案例主导的交通规划教学研究[J].大学教育，2017（10）：1-3.
　　[责任编辑：陈 明]
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