“雙碳” 背景下交通仿真課程教學改革與探索

尹超英，馬健霄，陸 濤

（南京林業(yè)大學汽車與交通工程學院 江蘇 南京 210037）

2021年中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，早日實現(xiàn) “碳達峰、碳中和” 的理念逐漸受到各行各業(yè)的關(guān)注。目前，我國正經(jīng)歷規(guī)模最大、速度最快的城市化進程，迅速推進的城市化使我國城市呈現(xiàn)出蔓延式的發(fā)展態(tài)勢，出行者的機動化出行需求也呈現(xiàn)快速增長的趨勢，從而導(dǎo)致了大量溫室氣體排放，而交通運輸領(lǐng)域溫室氣體排放已成為我國城市碳排放的三大源頭之一。中共中央、國務(wù)院于2021年印發(fā)的《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》要求交通行業(yè)要 “加快推進綠色低碳發(fā)展，交通領(lǐng)域二氧化碳排放盡早達峰，降低污染物及溫室氣體排放強度” 。為此，交通運輸行業(yè)也成為我國碳達峰碳中和關(guān)注的重點領(lǐng)域[1，2]。

交通設(shè)計與仿真能力是交通工程專業(yè)本科生培養(yǎng)最重要的環(huán)節(jié)之一，需要持續(xù)改進的實踐教學組織和教學環(huán)節(jié)設(shè)計，以最大限度地獲得專業(yè)的教育效果[3]。為助力我國實現(xiàn)碳達峰碳中和的目標，交通仿真課程立足于交通工程專業(yè)本科生低碳交通設(shè)計與仿真能力的養(yǎng)成，培養(yǎng)具備健全人格和社會責任感、基礎(chǔ)扎實、實踐能力強、具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和國際視野的高素質(zhì)人才和精英人才。為加快推進我國低碳交通運輸體系建設(shè)的新形勢，必須針對交通仿真課程積極探索基于學習產(chǎn)出教育（Outcomes-based Education，OBE）理念的低碳交通設(shè)計與仿真教學的新模式和新方法[4]。

因此，本文基于OBE產(chǎn)出導(dǎo)向教育的設(shè)計理念，以 “學生為中心” “成果為導(dǎo)向” “持續(xù)改進為過程” ，旨在引導(dǎo)學生運用交通仿真技術(shù)解決低碳交通設(shè)計及仿真中存在的復(fù)雜專業(yè)問題，從而全面培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)。

1 課程建設(shè)與教學設(shè)計

交通仿真課程建設(shè)與教學設(shè)計要體現(xiàn)以學生為中心的教育理念，同時兼顧低碳交通的時代特色，我國的城市交通研究已經(jīng)步入全新時代，原有的交通規(guī)劃、組織與管理等技術(shù)方法無法完全適應(yīng)我國當前發(fā)展低碳交通運輸體系的需求。因此，在本課程建設(shè)與教學設(shè)計改革中需將低碳交通的理念融入對學生的教育教學過程中，為國家培養(yǎng)適應(yīng)時代需求、能夠解決實際工程問題、具有良好知識運用能力的交通人才。具體課程改革思路與建設(shè)方案如下。

1.1 建設(shè)方案

1.1.1 教學模式建設(shè)

以交通仿真教學大綱的要求和深度為前提，以南京林業(yè)大學交通工程學院的實驗平臺和研究基礎(chǔ)為特色，收集國內(nèi)交通仿真授課的相關(guān)教學資料與實踐案例，通過問卷調(diào)查、教學效果反饋與評價機制，制訂基于碳達峰碳中和理念的交通仿真教學模式和方案，形成和完善符合交通工程專業(yè)本科生培養(yǎng)目標的授課教學模式。

1.1.2 教學材料建設(shè)

基于研究型教學模式，根據(jù)交通仿真課程的專業(yè)設(shè)計特點和聽課學生的學習特點，凝練教學內(nèi)容和梳理邏輯關(guān)系，將碳達峰碳中和相關(guān)教學內(nèi)容轉(zhuǎn)化為淺顯易懂、容易接受的討論話題和主題；同時，收集國內(nèi)外交通工程領(lǐng)域的經(jīng)典交通與碳排放工程案例、前沿研究熱點、時效性話題，形成全面完善的討論式與實踐式相結(jié)合的教學材料，通過啟發(fā)性討論與針對性指導(dǎo)加強學生對科學研究和工程應(yīng)用精神的培養(yǎng)。

1.1.3 碳達峰碳中和理念滲透設(shè)計

以南京林業(yè)大學交通工程專業(yè)的本科生培養(yǎng)目標和交通仿真教學大綱為基礎(chǔ)，把碳達峰碳中和等國家戰(zhàn)略與交通仿真相關(guān)專業(yè)知識有機融合，將低碳交通設(shè)計與仿真的理念融入專業(yè)知識的教學內(nèi)容中，使學生在掌握交通仿真的操作技巧和對交通環(huán)境的仿真實現(xiàn)，能夠運用仿真軟件VISSIM分析常見的交通管理、通行能力、信號配時等問題的同時，結(jié)合國內(nèi)外先進工程實踐案例，在交通工程專業(yè)的學科背景下注重對低碳交通設(shè)計與仿真能力的引導(dǎo)和培養(yǎng)。

1.2 “雙碳” 背景下交通仿真課程改革方案

交通仿真課程是一門理論與實踐相結(jié)合的課程，在講授交通基礎(chǔ)理論知識的基礎(chǔ)上，注重對學生實踐動手能力的培養(yǎng)。因此，在進行教學內(nèi)容安排時，要將交通工程領(lǐng)域的前沿問題引入課堂教學中。本課程的改革方案擬將低碳思路融合到課程設(shè)計中，通過對交通仿真基礎(chǔ)、十字信號交叉口及非機動車與行人等章節(jié)內(nèi)容的重新設(shè)計，以強化實踐訓(xùn)練的方式擴展學生對交通工程基礎(chǔ)理論的理解與應(yīng)用。

①在交通仿真基礎(chǔ)章節(jié)中，在我國提出發(fā)展低碳交通體系促進低碳經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，將低碳交通理念融入交通設(shè)計與仿真基礎(chǔ)理論中，明確交通仿真在雙碳背景下的重要作用。

②在十字信號交叉口章節(jié)中，增加對不同交通信號協(xié)調(diào)控制策略方案碳排放評價的內(nèi)容。交叉口的信號控制方案是影響交叉口運行效率的關(guān)鍵指標，對交通碳排放具有顯著影響，通過模擬不同信號配時方案下的交通污染物排放情況，從低碳角度優(yōu)化交叉口信號配時方案。

③在非機動車與行人章節(jié)中，增加出行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的減排效果模擬與評價等相關(guān)內(nèi)容。通過提高公共交通和主動交通的服務(wù)水平，進而提高減排效應(yīng)，深入理解交通結(jié)構(gòu)與交通碳排放的相互影響關(guān)系[5]。

④在有關(guān)城市干道信號協(xié)調(diào)及公交優(yōu)先的內(nèi)容中，利用仿真平臺測試設(shè)置公交專用道的減排效應(yīng)。在已有仿真內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過對有無公交專用道方案的機動車污染物排放量進行仿真模擬，深入分析兩種仿真方案的碳排放指標，并對其進行對比、分析和評價。

2 典型案例設(shè)計

通過設(shè)計案例可讓學生對所學知識點進行整合和理解，將理論知識與工程應(yīng)用聯(lián)系，從而全方位提升學生的科學素養(yǎng)和職業(yè)使命感。

2.1 中國特色化的城市交通仿真案例設(shè)計

在快速城鎮(zhèn)化的背景下，我國城市正呈現(xiàn)出蔓延式的發(fā)展態(tài)勢，城市規(guī)模不斷擴張，大街區(qū)和寬馬路成為諸多新城和郊區(qū)規(guī)劃的顯著特征，摒棄了以步行和公交為導(dǎo)向的城市發(fā)展目標，導(dǎo)致居民小汽車依賴的快速增長[6]。雖然上述特征與美國20世紀下半葉城市蔓延式發(fā)展特征相似，但我國城市具有密度高、規(guī)模大及更新快等獨特特征，使得我國城市的交通發(fā)展不能照搬發(fā)達國家的交通規(guī)劃設(shè)計。因此，需在設(shè)計交通仿真案例過程中選擇符合我國城市交通特征的仿真參數(shù)，將我國電動車使用比例及公交車分擔率較高等特點融入課堂的實踐教學中，提高學生解決我國實際交通問題的思維能力，為我國城市交通建設(shè)培養(yǎng)后備力量。

2.2 基于低碳理念的交通仿真案例設(shè)計

在交通仿真課程案例選擇上，重點圍繞我國提出的 “加快推進低碳交通運輸體系建設(shè)，積極引導(dǎo)低碳出行” 理念，將交通仿真的低碳策略分析與評價融入課堂研討中。從實踐調(diào)查獲取實際數(shù)據(jù)入手，引導(dǎo)學生自主選取仿真模型、搭建仿真平臺，從交通規(guī)劃、管理及控制策略的角度，構(gòu)建基于低碳策略的仿真評價案例，對不同交通情境的交通碳排放進行測算與比較，注重對低碳交通設(shè)計與仿真能力的引導(dǎo)和培養(yǎng)[7，8]。

3 課程效果評價及改進措施

經(jīng)過教學團隊一系列的摸索，交通仿真課程改革方案已被南京林業(yè)大學列為一流課程建設(shè)—— “碳中和” 課程建設(shè)項目。通過對南京林業(yè)大學交通工程專業(yè)近100位學生進行訪談，了解課程教育教學成效，梳理學生反饋信息，教學團隊形成了以下教學改進措施。

3.1 融合工程實踐項目元素

本課程建設(shè)依托于南京林業(yè)大學公路隧道運營安全虛擬仿真實驗教學平臺，該國家級虛擬仿真平臺積累了大量的工程實踐項目資源。教學團隊成員需進一步通過共享教學資源和補充工程實踐案例，共同搭建仿真實驗數(shù)據(jù)庫，包括教學方案、教學課件、教學視頻及可供學生進行仿真訓(xùn)練的實際工程項目案例等。通過豐富的工程實踐案例，結(jié)合低碳交通設(shè)計與仿真的視角，培養(yǎng)學生解決實際交通工程問題的思維[9，10]。

3.2 進一步增加實踐教學環(huán)節(jié)

本課程目前的理論學時和實踐學時分別占比為60%和40%，通過對學生的訪談和調(diào)研，為進一步強化學習效果，加強學生的動手能力，在后續(xù)的課程改革與調(diào)整過程中，將探索更科學的課堂討論與實踐模式，優(yōu)化學生分組制度，增加仿真實踐學時所占比例，提升學生團隊協(xié)作能力和專業(yè)實踐能力，從而讓學生在本課程學習過程中完成專業(yè)知識和自身素質(zhì)的提升。

3.3 教學與科研相結(jié)合

為提升學生的創(chuàng)新思維和科研能力，將教學團隊最新科研成果融入本課程的課堂教學中，激發(fā)學生的科研興趣，同時結(jié)合國家雙碳和交通強國戰(zhàn)略，在課堂中介紹最新、最前沿的低碳交通設(shè)計與仿真成果。引導(dǎo)學生積極參加各類學科競賽（交通科技大賽、挑戰(zhàn)杯等），由于交通設(shè)計與仿真能力是解決各類交通問題的基礎(chǔ)，達到 “以戰(zhàn)養(yǎng)學” 、反哺課堂的目的。在此過程中不僅可以培養(yǎng)學生的科研思維，同時還可促進科技成果的轉(zhuǎn)化。

4 結(jié)語

本課程在教育部提出 “加強碳達峰碳中和高等教育人才培養(yǎng)體系建設(shè)” 的背景下，提出將低碳理念融入交通工程的專業(yè)實踐課程——交通仿真課程中。根據(jù)交通仿真課程的專業(yè)特點，通過典型案例設(shè)計將具有中國特色和基于低碳理念的仿真案例植入教學內(nèi)容中；注重培養(yǎng)學生的工程實踐項目經(jīng)驗，引導(dǎo)學生參與各類學科競賽，從實踐中激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和科研能力。該課程在 “雙碳” 背景下的課程改革方面進行了初步探索，但仍有很大改進空間。未來需進一步與國家戰(zhàn)略需求相結(jié)合，動態(tài)調(diào)整交通仿真課程的建設(shè)方案，培養(yǎng) “雙碳” 戰(zhàn)略背景下交通工程專業(yè)人才。