面向智慧交通的交通运输工程学科课程教学改革方法探索

1背景党的二十大报告强调：“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势。”2019年9月，国务院印发《交通强国建设纲要》，明确提出将智慧交通作为交通强国建设四大发展方向之一。智慧交通逐渐发展成为解决交通问题的必由之路，随着智慧交通的快速发展，原有传统学科教学内容与产业发展现状脱节，使得人才培养无法满足就业需求。杨敏等（2021）认为：交通强国建设与“智能网联”信息化趋势下的交通运输行业转型离不开交通人才队伍的有力支撑，如何为交通强国建设培养符合新时期要求的创新人才，是当下高等教育亟须解决的问题[1]。因此，面对智慧交通发展带来的机遇和挑战，如何改革教学模式与方法，适应新环境和新要求，成为高等教育面对的一项重要课题。当前，交通运输工程学科研究生课堂教学多数仍采用传统教学方法，课程教学内容脱离实际交通系统，弱化实践教学，导致学生的实践创新能力、解决实际交通问题能力不强，课程整体在创新实践、前沿技术的敏锐度方面存在不足。而对于大多数研究生课程，由于技术的快速发展，课堂内容更新快，技术方法创新多，不同领域观点多，需要着重培养学生的创新思维和创新实践能力。因此，亟须对教学方法、教学内容以及教学模式进行改革，打通理论知识学习与实践应用之间的环节，激发学生创新能力，以大量实践思考为途径，提高课程教学质量[2]。随着智慧交通的不断发展，新的理论知识不断产生，而教材的更新速度较慢，一些知识已经不能满足时代快速发展的需求，只有培养学生的自主学习能力，学生才能善于从教材之外汲取各方面的新知识，开阔自己的视野，增加知识积累。因此，这也就要求课程教学内容和方法应采取适应性改革，面向智慧交通做出创新性更新，注重培养学生对于行业发展趋势的理解和技术实践应用能力。鉴于此，本文基于交通运输工程学科研究生课程教学体系改革的迫切需求，积极探索交通强国与新工科建设背景下改进研究生培养能力结构、课程体系及课程内容的新方法，并以交通系统分析与建模课程为例，介绍课程面向智慧交通的改革与实践，旨在为交通运输工程学科研究生培养与课程改革提供新思路。2交通运输工程学科课程教学方法探索许多学者对交通运输工程学科的教学进行了深入探索，并分别从人才培养目标、教学课程体系、教学实施手段、教学模式、具体课程教学方法等方面研究了交通工程学科教学的改革和实践。首先，随着智慧交通的发展及交通强国建设的需求，人才培养呈现多元化、创新型趋势。蒋玮等（2022）提出要培养具有多学科交叉复合知识背景的人才[3]；丁川等（2022）面向交通强国建设需求，提出强化立德树人、学科交叉、五育并举以及科教融合的智能交通创新型人才培养体系[4]；马永锋等（2021）以国际化人才培养为目标，探索交通运输国际化复合人才培养方法[5]；李烨（2023）以竞赛为切入点，提出赛教融合教学方式，基于兴趣驱动提升学生的探索能力和创新能力[6]；董泽蛟等（2023）将智慧交通及交通基础设施融合，探索了智慧交通基础设施交叉方向研究生培养模式，提出理论知识、实践能力、创新思维和国际视野是人才培养的核心内容[7]。在课程体系探索方面：翟婉明等（2021）提出在当前交通新技术迭代更新不断加速的背景下，要树立“以学生的成长与发展为中心”的教学理念，培养学生解决复杂问题的能力[8]；任刚等（2020）强调要以培养目标为依据，重构课程体系结构与课程教学内容[9]；陈嘉祺等（2021）分析培养学生学科交叉与创新创造能力的要求，对道路工程课程进行基于研究导向型教学方式探索[10]；曹倩霞等（2020）对交通调查课程进行深入研究，提出了整体项目驱动下的交通调查实践教学模式，拓展学生整体项目高阶思维[11]。也有学者将交通课程教育与思政教学融合，分别将思想政治教育融入交通工程学，对专业课课程思政建设进行了全方位的对策研究和有效设计[12]。虽然已经有众多研究成果为交通工程学科课程改革和实践提供了理论支撑，但随着教育理念与思维的不断更新，仍需要将更多新的教育理念引入交通运输工程学科教学中，例如面向新工科的“虚拟现实+先进制造”协同创新实践教学方法[13]、“人工智能+”创新型人才培养方法等[14]，这些方法已经在部分专业课程开展实践并验证有效，同时也为智慧交通课程的改革和建设提供了新的思路。3面向智慧交通的研究生能力结构探索与课程体系重构3.1面向智慧交通的研究生能力结构探索作为交通领域的未来发展方向，智慧交通对研究生能力培养结构提出了新的要求，如何在研究生培养过程中构建与智慧交通匹配的学生能力结构，成为交通专业研究生培养和课程教学面临的紧迫问题。为厘清课程建设方向及内容，本文采用成果导向的分析方法（OBE理念），基于具有前瞻性和引领性的国家或地区发展战略，分析智慧交通行业对研究生培养的新要求，剖析现有研究生培养方案的滞后点，以“以学生为中心”和培养学生实践创新能力为目标，重构面向智慧交通的研究生能力结构和知识架构，探索过程如图1所示。图1基于发展战略对面向智慧交通的研究生能力结构改革的探索过程（以湖南省为例）图2智慧交通课程体系重构方法及内容示意图在此基础上，聚焦课程建设，以“交通系统分析与建模”课程为例，结合现有课程培养目标和内容的解析，从智慧交通领军企业、智慧交通先进科学技术以及创新示范项目出发，挖掘行业对研究生能力培养的需求，探索并重构交通运输工程学科研究生培养能力结构，为课程体系、教学内容、教学方法等提供新的改革思路。3.2课程体系重构智慧交通作为应用型研究领域，其核心技术广泛应用到交通工程实践中，如城市道路、高速公路等。由于交通涵盖范围广，因此，研究及工程实践范围可大可小，结合系统工程相关理念，目前通常采用系统进行细分，将整个大交通系统分成若干个交通子系统。基于面向智慧交通的研究生能力结构的探索结果，结合单门研究生课程内容特点，本文以交通系统研究为核心，提取代表性交通系统，重构课程教学体系。通过案例式教学方法，以代表性交通系统为课程的主要组成单元，通过对特征道路或交通状态进行系统建模与分析，可以更直观地教授学生交通系统相关知识，帮助学生理解课程内容，提高应用能力。具体包含：城市道路网、智能网联公交、高速公路、城市停车系统等代表性交通系统。另外，结合国家或者所在省市的创新示范项目，例如“长沙智慧公交”以及“两个100公里智能网联高速”，对课程教学案例及内容进行更新，紧密契合行业先进科学技术发展趋势，提高教学质量。4探索“理论实践一体化”的智慧交通实验教学体系研究生教学重在将理论科研知识转化为实践成果，因此，可依托所在学校的相关国家重点实验室、虚拟仿真教学中心等实验平台，以先进的实验教学理念为指导，以培养学生工程实践和创新能力为目标，重点建设课程的实验教学模块，探索“理论实践一体化”的智慧交通实验教学方法，提高学生实践能力和应对实际交通问题的能力。4.1基于虚拟仿真实验的智慧交通教学方法课程教学体系重构，将课程细分为不同代表性交通系统单元，对不同交通系统的学习能够让学生快速了解独立交通系统的特性。构建高度仿真的虚拟实验环境，可以让学生快速理解学习内容及场景，达到提高教学质量与锻炼学生实践能力的目的。以交通系统为组成单元的课程虚拟仿真实验教学模块可构建为两层次：一是基础型交通系统虚拟仿真实验模块，构建目的是深化学生对交通系统组成、交通系统建模方法等基础性知识的理解；二是专业型交通系统虚拟仿真实验模块，该模块以实际交通问题为导向，锻炼学生对交通问题的思考、分析以及解决能力，提高学生专业知识的应用能力。同时，各个实验模块根据交通行业科技发展前沿更新实验内容，实现实验教学与行业科技发展的紧密结合。课程中涉及的交通系统仿真实验主要为交通微观仿真实验，可采用软件引进、自主开发相结合的方式开展。首先，采用国际上经典的VISSIM、SUMO软件实现微观交通仿真，虚拟再现不同交通状态下的运行规律，培养学生掌握获取交通流运行特征和规律的方法，学习分析交通问题的原因，对城市规划、交通工程和交通管理的有关方案进行比较和评价；其次，面向智慧交通发展趋势，结合微观交通仿真实验，采用智慧城市仿真软件Unity对车路协同环境进行仿真实验。该仿真教学方法能够实现车路协同虚拟实验，从而使智慧交通场景在课程中再现，更新学生知识体系，紧密贴合产业发展新趋势。4.2基于实验平台的“实景化”智慧交通教学方法虽然虚拟仿真实验在一定程度上能够模拟交通系统并培养学生分析交通系统问题的能力，但由于仿真模型的假设性前提，并不能够做到完全的交通系统场景再现。在以往的研究生教育中，通常采取交通调查或参观实习的方法帮助学生增强对交通物理现实场景的理解，但这种方法并不能测试及对比交通管理方案的效果。为了弥补以上不足，可采用“实景化”智慧交通实验教学方法，基于校内相关实验平台，打造交通运输工程学科研究生课程的“实景化”实验教学模块，将虚拟仿真实验转移到物理真实场景，将教学与工程实践结合，提高课程内容的易理解性与实用性，提高学生进行实际交通系统分析、交通系统优化的能力。为紧密贴合智慧交通，“实景化”实验教学模块主要选取车路协同与自动驾驶方向的实景实验，借助先进的车辆及交通管控实验平台，将课程实验拓展到实际的操作，将书本的知识真实展示在学生面前。“实景化”实验教学模块主要包含两个部分：一是车路协同实景化实验，借助室内车路协同半实物仿真系统、校园道路车路协同设施，进行车路协同交通系统实验，通过探究道路交通系统的信号控制算法、安全分析与预警算法，培养学生从车路协同的角度解决实际交通问题的能力；二是自动驾驶汽车实景化实验，借助自动驾驶实验车、封闭性自动驾驶测试道路，构建具有自动驾驶汽车功能的交通系统实验教学模块，填补研究生课程中对自动驾驶影响下交通系统建模部分内容的缺失。5贯通“产学研”的智慧交通教学示范科研是研究生培养的核心内容，但以往课程与科研脱节，并不能培养研究生的科研能力，使得课程的吸引力较弱，教学效果欠佳。为提高研究生科研能力和实践工程能力，提升课程教学效果，可将“产学研”贯通，从产业和科研两个角度开展智慧交通教学示范。首先，探索产业导向的校企联合课程培养方法，一方面，以产业发展和研究生就业为导向，紧密联系智慧交通领域的企业及研究院等，实现学校、交通行业主管部门及一线运营交通企业等多方面优势资源的有效整合，强化课程教学内容，构建校内+校外的复合型实践教学方法，将研究生课程涉及的校内知识与校外企业实践项目结合；另一方面，为了使学生加强对产业发展的了解，使其能够真切参与和感受智慧交通趋势下交通系统的变化，需依托国家智能网联车辆测试区、智慧公交示范线等智能交通行业示范项目，针对当前新兴智能交通技术发展的应用需求，基于“产学研”贯通的教学改革思路，更新研究生课程的教学单元和实验内容，以产业实践促进课程学习及科学研究。其次，以校内导师或授课教师的科研项目为依托，开展基于科研项目的智慧交通教学示范。选择具有示范性的科研项目，在课程教学环节增加探讨与实践环节，学生依托课程内所学的知识及技术，解决实际科研问题，强化学习效果与应用能力。针对培养过程各环节，完善过程质量评价管理措施，构建能及时根据社会需求进行调整和完善的多元化学生学习效果CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate）考核和评价方法，锻炼学生在课程中的创新、构思、交流能力，以及运用课程知识内