強(qiáng)化交通調(diào)查的交通流理論與仿真教學(xué)研究

姚榮涵 周紅媚 趙勝川

[摘 要]交通調(diào)查在交通流理論與仿真課程中具有舉足輕重的作用。針對(duì)交通調(diào)查涉及面廣、直觀可操作、系統(tǒng)性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，提出強(qiáng)化交通調(diào)查的交通流理論與仿真課程改革思路?？紤]學(xué)生學(xué)習(xí)的心理特點(diǎn)和規(guī)律，首先對(duì)交通流理論與仿真課程的核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，其次設(shè)計(jì)交通調(diào)查方案示意圖、獲取實(shí)地調(diào)查影像圖和交通仿真數(shù)據(jù)采集圖，然后借助視頻編輯軟件制作適合課堂教學(xué)的交通調(diào)查視頻剪輯影片，最后設(shè)計(jì)強(qiáng)化交通調(diào)查的交通流理論與仿真課程教學(xué)內(nèi)容與方案，并形成多媒體教學(xué)課件。新教學(xué)方案有助于學(xué)生直觀感受與充分重視交通調(diào)查，并在實(shí)踐中深刻理解核心知識(shí)點(diǎn)與理論方法，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、促使其主動(dòng)思考。該方案對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力具有重要作用與推廣價(jià)值，能有效提高學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。

[關(guān)鍵詞]教學(xué)改革;課程改革;課堂教學(xué);交通流理論;交通仿真;交通調(diào)查

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）03-0050-03

高等教育是建立在中等教育基礎(chǔ)上的專業(yè)教育，承擔(dān)著培養(yǎng)高級(jí)專門人才、促進(jìn)科技文化發(fā)展和社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的重要任務(wù)。為了適應(yīng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，我校于2007年在本科教育階段設(shè)立交通工程專業(yè)，并開始招生。交通工程專業(yè)培養(yǎng)具備交通系統(tǒng)規(guī)劃、控制與管理以及道路橋梁工程技術(shù)等方面知識(shí)，能在勘察規(guī)劃、交通管理、道路工程技術(shù)和管理等部門從事交通運(yùn)輸規(guī)劃、交通工程設(shè)計(jì)、施工和管理、交通控制系統(tǒng)開發(fā)等方面工作的高級(jí)工程技術(shù)人才，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性和實(shí)踐性。

我校交通工程專業(yè)2007級(jí)本科培養(yǎng)方案是參考幾所兄弟院校交通工程專業(yè)的本科培養(yǎng)方案而制定的。作為我校的一個(gè)新專業(yè)，直至2012年，交通工程專業(yè)每年都進(jìn)行常規(guī)的本科培養(yǎng)方案修訂工作，所以其每個(gè)年級(jí)的培養(yǎng)方案都略有不同。例如，2008級(jí)和2009級(jí)的培養(yǎng)方案中開設(shè)了交通系統(tǒng)仿真課程，其為專業(yè)必修課，共32學(xué)時(shí)，開課時(shí)間為三年級(jí)第二學(xué)期;2010級(jí)和2011級(jí)的培養(yǎng)方案中開設(shè)了交通流理論課程，其為專業(yè)必修課，共32學(xué)時(shí)，開課時(shí)間為三年級(jí)第二學(xué)期。

2012年，我校啟動(dòng)并實(shí)施了全校各個(gè)本科專業(yè)培養(yǎng)方案的全面修訂工作。根據(jù)全校本科專業(yè)培養(yǎng)方案修訂工作的總體要求，在通識(shí)課與公共基礎(chǔ)課程、大類與專業(yè)基礎(chǔ)課程培養(yǎng)方案修訂稿的基礎(chǔ)上，交通運(yùn)輸學(xué)院對(duì)交通工程專業(yè)本科培養(yǎng)方案中的專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課程和專業(yè)實(shí)踐課進(jìn)行了全面修訂。在培養(yǎng)方案修訂過程中，我院全體教師進(jìn)行了認(rèn)真分析與討論，確定了我校交通工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)模式以及課程體系?？紤]到各門課程教學(xué)內(nèi)容之間的相關(guān)關(guān)系以及知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在邏輯關(guān)系，在新的培養(yǎng)方案中，原先設(shè)置的交通流理論與交通系統(tǒng)仿真被合并為交通流理論與仿真，該課程為專業(yè)必修課，共32學(xué)時(shí)，開課學(xué)期提前至二年級(jí)第二學(xué)期。

一、課程定位與問題提出

交通流理論與仿真是交通工程專業(yè)的基礎(chǔ)課，是交通工程專業(yè)本科生的必修課，是培養(yǎng)交通工程專業(yè)人才的主干課程之一，在交通工程專業(yè)的授課計(jì)劃中具有舉足輕重的地位。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該熟練掌握交通流參數(shù)的基本含義與調(diào)查方法、交通流參數(shù)之間的關(guān)系模型以及再現(xiàn)交通流運(yùn)行規(guī)律的仿真原理與手段，能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決交通流仿真與評(píng)價(jià)等相關(guān)方面的具體問題。該課程著重介紹描述與再現(xiàn)交通流現(xiàn)象、特征與規(guī)律的原理與方法。無論是交通流參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布還是交通流參數(shù)的關(guān)系模型，都離不開科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕煌ㄕ{(diào)查所獲得的樣本數(shù)據(jù)。“沒有調(diào)查就沒有發(fā)言權(quán)”，這一特點(diǎn)在交通流理論與仿真中顯得尤為突出。

2014年，我們面向2012級(jí)本科生第一次開設(shè)交通流理論與仿真。如前所述，該課程由交通流理論與交通系統(tǒng)仿真合并而成，而且授課學(xué)期提前了一學(xué)年，課程面臨著大幅壓縮學(xué)時(shí)的問題。如何使新課程系統(tǒng)、全面地涵蓋原有課程的基本內(nèi)容和核心內(nèi)容是值得思考的問題。因此，有必要對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容與方法進(jìn)行深入改革和創(chuàng)新。

目前，大多數(shù)介紹交通流理論的書籍主要參考了美國(guó)聯(lián)邦公路局出版的《交通流理論專著》[1-3]，該專著的最后一章簡(jiǎn)要介紹了交通仿真。對(duì)于初學(xué)者來說，理解這些書籍所講的內(nèi)容比較困難。雖然書中強(qiáng)調(diào)交通調(diào)查在交通流分析與建模中非常重要，但是有關(guān)交通調(diào)查的介紹比較抽象，而且一些調(diào)查儀器隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展逐漸被淘汰。

另一方面，大多數(shù)介紹交通仿真的書籍著眼于系統(tǒng)仿真與建模技術(shù)在交通流現(xiàn)象描述中的應(yīng)用以及交通仿真軟件的使用[4-5]。這些書籍較少關(guān)注交通調(diào)查數(shù)據(jù)的獲取方法。

從指導(dǎo)本科生參加交通科技大賽或創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以及指導(dǎo)研究生從事科學(xué)研究的經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn)來看，學(xué)生對(duì)交通現(xiàn)象的直觀認(rèn)識(shí)和深刻理解影響并決定著他們分析問題和解決問題的正確性和科學(xué)性。要對(duì)交通現(xiàn)象有直觀認(rèn)識(shí)和深刻的理解，離不開交通調(diào)查。由此可見，如何進(jìn)行交通調(diào)查、如何獲得交通調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)于學(xué)生理解交通流參數(shù)的概念、統(tǒng)計(jì)分布及其關(guān)系模型以及交通參與者的行為特性都具有重要的作用，其同時(shí)也有助于學(xué)生理解交通仿真原理并正確地使用交通仿真軟件。因此，在交通流理論與仿真課程中應(yīng)該強(qiáng)化交通調(diào)查的內(nèi)容與方法這部分的教學(xué)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能移動(dòng)終端設(shè)備的發(fā)展，數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、智能手機(jī)、掌上電腦等設(shè)備的使用非常普及。這些設(shè)備的運(yùn)用讓現(xiàn)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、方式與方法發(fā)生了深刻的變化。從科研經(jīng)驗(yàn)來看，這些設(shè)備都可用于交通調(diào)查，為交通調(diào)查服務(wù)。

鑒于以上理由，課題組提出強(qiáng)化交通調(diào)查的交通流理論與仿真課程改革思路，在梳理核心知識(shí)點(diǎn)體系的基礎(chǔ)上，使用智能移動(dòng)終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)軟件收集和整理交通調(diào)查資料，并制作適合課堂教學(xué)的交通調(diào)查方案設(shè)計(jì)圖和視頻剪輯影片，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的邏輯關(guān)系串聯(lián)有關(guān)交通調(diào)查的數(shù)據(jù)和資料，最終形成一套強(qiáng)化交通調(diào)查的交通流理論與仿真多媒體教學(xué)課件。

二、交通流理論與仿真教學(xué)方案設(shè)計(jì)

基于強(qiáng)化交通調(diào)查的教學(xué)理念，考慮交通調(diào)查的直觀性、可操作性、系統(tǒng)性和實(shí)踐性等特點(diǎn)，針對(duì)交通流理論與仿真課程設(shè)計(jì)強(qiáng)化交通調(diào)查的教學(xué)改革方案，具體內(nèi)容包括以下幾方面。

（一）核心知識(shí)點(diǎn)梳理

查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)教材、專著和文獻(xiàn)，通過梳理交通流理論與仿真的核心知識(shí)點(diǎn)，提取關(guān)鍵的交通流參數(shù)，并剖析這些參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，繪制核心知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。這些知識(shí)點(diǎn)包括：主要交通流參數(shù)及其相互關(guān)系;主要交通流參數(shù)及其數(shù)學(xué)描述模型;主要交通流參數(shù)及其調(diào)查方法;記錄的和統(tǒng)計(jì)的交通流數(shù)據(jù)及其采集設(shè)備之間的關(guān)系;主要交通流參數(shù)及其理論體系之間的關(guān)系。利用知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖能夠直觀地強(qiáng)調(diào)交通調(diào)查在交通流理論與仿真課程中的重要性與作用。

（二）交通調(diào)查方案設(shè)計(jì)

為使交通調(diào)查在課堂教學(xué)中得以強(qiáng)化，針對(duì)主要交通流參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)查方案。第一，使用Visio軟件繪制一系列交通調(diào)查方案示意圖。第二，借助智能移動(dòng)終端設(shè)備采集交通流數(shù)據(jù)，并獲取一系列交通調(diào)查的實(shí)地影像圖。第三，利用交通仿真軟件獲得一系列交通仿真數(shù)據(jù)采集圖。

1. 交通調(diào)查方案示意圖

為強(qiáng)化交通調(diào)查，給出主要交通流參數(shù)的獲取原理。為單斷面調(diào)查示意圖，該方案可獲得流量、車頭時(shí)距、點(diǎn)速度等數(shù)據(jù)。雙斷面短距離調(diào)查示意圖，該方案能獲得流量、車頭時(shí)距、速度、占有率等數(shù)據(jù)。雙斷面長(zhǎng)距離調(diào)查示意圖，該方案可測(cè)得密度。多觀測(cè)站調(diào)查示意圖，該方案能獲得行駛時(shí)間、行程時(shí)間、行駛速度、行程速度、延誤等數(shù)據(jù)。通常，一次交通調(diào)查所采取的方案往往涉及兩種或兩種以上的調(diào)查方法。例如，起動(dòng)-停車波調(diào)查或排隊(duì)長(zhǎng)度調(diào)查都需要設(shè)置多個(gè)觀測(cè)站，而且分固定觀測(cè)站和移動(dòng)觀測(cè)站。

2. 交通調(diào)查的實(shí)地影像圖

根據(jù)交通調(diào)查示意圖明確調(diào)查目的與內(nèi)容，通過實(shí)地踏勘選擇適合的調(diào)查地點(diǎn)。然后，選用合適的調(diào)查工具，并配備適當(dāng)?shù)恼{(diào)查人員。在有代表性的時(shí)段，組織調(diào)查人員實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，再利用攝像機(jī)、照相機(jī)等設(shè)備獲取交通現(xiàn)象的視頻或圖片影像。

3. 交通仿真數(shù)據(jù)采集圖

交通仿真使用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬交通流運(yùn)行狀況。常用的交通仿真軟件都提供多種工具來采集交通數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)采集工具可實(shí)現(xiàn)交通調(diào)查的功能。為強(qiáng)化交通調(diào)查的同時(shí)使學(xué)生更好地理解交通仿真原理，可利用交通仿真軟件設(shè)計(jì)交通流模擬案例，采用相關(guān)工具設(shè)置數(shù)據(jù)采集方案。

（三）交通調(diào)查數(shù)據(jù)處理

1. 交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表

為便于存儲(chǔ)和加工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)資料，需要設(shè)計(jì)交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表。該表通常由多張分表組成，其設(shè)計(jì)應(yīng)遵循方便輸入、易于計(jì)算、完整顯示、相互關(guān)聯(lián)等原則。表1和表2舉例說明了交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表的設(shè)計(jì)。表1為交叉口飽和流率和流量統(tǒng)計(jì)分析表，表2為起動(dòng)-停車波數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表。表中灰色區(qū)域表示輸入數(shù)據(jù)，藍(lán)色區(qū)域表示計(jì)算或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2. 交通調(diào)查視頻剪輯

根據(jù)交通流參數(shù)特性和交通流模型特點(diǎn)，使用視頻編輯軟件對(duì)獲取的交通調(diào)查影像資料進(jìn)行剪輯，并加入強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)的圖片、文字、聲音和特效等，形成適合PPT播放和課堂教學(xué)的影片或動(dòng)畫。例如，通過展示交通調(diào)查視頻剪輯影片的某個(gè)瞬間，可以強(qiáng)調(diào)地點(diǎn)速度的概念和調(diào)查方法，以及時(shí)間平均速度與空間平均速度的概念、調(diào)查方法以及兩者的區(qū)別與聯(lián)系。

（四）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)及實(shí)踐檢驗(yàn)

1. 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

將梳理的核心知識(shí)點(diǎn)、設(shè)計(jì)的交通調(diào)查方案與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表以及獲取的交通調(diào)查視頻進(jìn)行有機(jī)融合，科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)交通流理論與仿真的教學(xué)內(nèi)容，使交通調(diào)查貫穿于其中。根據(jù)設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，考慮知識(shí)點(diǎn)的先后順序和學(xué)生接受新知識(shí)的學(xué)習(xí)心理，使用多媒體技術(shù)制作交通流理論與仿真課堂教學(xué)課件，使文字、視頻、語音等有機(jī)結(jié)合，從而使交通流理論與仿真的概念、原理、模型、方法與技術(shù)等有機(jī)地融為一體。

2. 實(shí)踐檢驗(yàn)

以交通工程專業(yè)本科生為對(duì)象載體，在教學(xué)過程中，應(yīng)用強(qiáng)化交通調(diào)查的交通流理論與仿真多媒體課件，通過交通調(diào)查視頻讓學(xué)生對(duì)交通流現(xiàn)象有直觀認(rèn)識(shí)，從而讓學(xué)生深刻理解交通流參數(shù)、模型、原理與方法，進(jìn)而具備設(shè)計(jì)交通調(diào)查方案、提出新的模型與方法的能力，提高學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力[6-7]。根據(jù)教學(xué)效果的反饋情況，教師可對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)、調(diào)整或完善。

三、結(jié)束語

為提高交通流理論與仿真課程的教學(xué)質(zhì)量，基于強(qiáng)化交通調(diào)查的教學(xué)理念，提出交通流理論與仿真課程教學(xué)改革思路與方案。通過查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)交通流理論與仿真課程中的核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理;根據(jù)交通調(diào)查原理繪制了主要交通流參數(shù)的調(diào)查方案示意圖，借助智能移動(dòng)終端設(shè)備獲取了有代表性的實(shí)地調(diào)查影像圖，并利用交通仿真軟件獲得了實(shí)現(xiàn)交通調(diào)查功能的交通仿真數(shù)據(jù)采集圖;依據(jù)交通流參數(shù)關(guān)系設(shè)計(jì)了相關(guān)的交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表;使用視頻編輯軟件制作了適合PPT播放和課堂教學(xué)的交通調(diào)查影片或動(dòng)畫。針對(duì)課堂教學(xué)特點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了強(qiáng)化交通調(diào)查的交通流理論與仿真課程教學(xué)內(nèi)容，并制作了多媒體教學(xué)課件;通過教學(xué)實(shí)踐，對(duì)所提出的教學(xué)改革方案進(jìn)行檢驗(yàn)和完善。

鑒于新教學(xué)思路和方案存在的種種不足，課題組將在今后的教學(xué)活動(dòng)中不斷完善和強(qiáng)化交通調(diào)查的交通流理論與仿真課程教學(xué)內(nèi)容與方案，同時(shí)不斷豐富、強(qiáng)化交通調(diào)查的各種圖片、視頻、影片或動(dòng)畫等資料。

交通調(diào)查在交通流理論與仿真課程中具有舉足輕重的作用，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。因此，強(qiáng)化交通調(diào)查有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，同時(shí)有助于培養(yǎng)學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)問題、生動(dòng)活潑地表達(dá)觀點(diǎn)以及團(tuán)隊(duì)合作等方面的能力。綜上所述，本文針對(duì)交通流理論與仿真課程提出的強(qiáng)化交通調(diào)查的教學(xué)改革思路具有良好的應(yīng)用價(jià)值，值得推廣與借鑒。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[3] 邵春福，魏麗英，賈斌.交通流理論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 鄧建華，馮煥煥，鄔嵐.道路交通系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

[5] 孫劍.微觀交通仿真分析指南[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2014.

[6] 徐穎秦，陶洪峰，劉艷君，潘豐.“問題驅(qū)動(dòng)+能力提升”卓越課程建設(shè)與實(shí)踐——以自動(dòng)控制原理課程建設(shè)為例[J].大學(xué)教育，2016（11）：125-126，156.

[7] 姚榮涵，潘寶峰，趙勝川.問題驅(qū)動(dòng)和案例主導(dǎo)的交通規(guī)劃教學(xué)研究[J].大學(xué)教育，2017（10）：1-3.

[責(zé)任編輯：陳 明]