基于CBE和CDIO理念的智能運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

宮喚春

（河北東方學(xué)院 交通運(yùn)輸系，河北 廊坊 065001）

2017年，教育部倡導(dǎo)開(kāi)展“新工科”專業(yè)建設(shè)，先后發(fā)布了“新工科”專業(yè)建設(shè)指南，要求積極面對(duì)第四次工業(yè)革命和中國(guó)制造 2025發(fā)展戰(zhàn)略帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，加快培養(yǎng)適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)高技能復(fù)合應(yīng)用型人才[1-2]；加快傳統(tǒng)工科專業(yè)的改造升級(jí)，結(jié)合新興專業(yè)加速專業(yè)交叉融合；基于互聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)[3-4]改革專業(yè)教學(xué)模式；與產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿相融合，將企業(yè)工作崗位案列引入課堂教學(xué)[5]；采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式[6]，實(shí)現(xiàn)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的目標(biāo)。

有鑒于此，我院對(duì)交通運(yùn)輸專業(yè)進(jìn)行了升級(jí)，增設(shè)了智能交通方向，并對(duì)人才培養(yǎng)模式和課程教學(xué)方式進(jìn)行了探索。具體來(lái)說(shuō)，學(xué)院針對(duì)智能交通專業(yè)核心課程“智能運(yùn)輸系統(tǒng)”[7]的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，基于CBE（competency based education）和CDIO模式[8]進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，以職業(yè)崗位能力要求為導(dǎo)向重構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1 CBE和CDIO教育理念綜述

以能力為基礎(chǔ)的教育理念[9]強(qiáng)調(diào)以企業(yè)工作崗位所具備的知識(shí)、技能、素養(yǎng)和能力來(lái)構(gòu)建課程與教學(xué)。CBE強(qiáng)調(diào)理實(shí)一體化，注重實(shí)踐—認(rèn)識(shí)—實(shí)踐的過(guò)程，即通過(guò)實(shí)踐能力的提升促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，再通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)再提升的過(guò)程。此教育理念還要求，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)效果情況反饋及學(xué)生評(píng)教和問(wèn)卷調(diào)查，研究教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題，從而不斷完善教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)效果。

CDIO教育模式[10]是基于工程思維的教育模式，分別由構(gòu)思（conceive）、設(shè)計(jì)（design）、實(shí)施（implement）、操作（operate）四個(gè)階段構(gòu)成。CDIO以職業(yè)項(xiàng)目為導(dǎo)向，以工程實(shí)踐能力為培養(yǎng)目標(biāo)，突出以學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)，線上線下相結(jié)合地引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)獲取專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、技能和素養(yǎng)，并通過(guò)互動(dòng)式教學(xué)使學(xué)生的合作溝通能力得到提升。

CBE和CDIO的教育理念具有相通之處，都注重以職業(yè)為導(dǎo)向設(shè)置教學(xué)內(nèi)容及加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，注重教學(xué)內(nèi)容與崗位職責(zé)無(wú)縫銜接、教學(xué)模式與產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式相互融合，注重通過(guò)“做中學(xué)”提升學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和技能素養(yǎng)，通過(guò)全過(guò)程考核評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并反饋過(guò)來(lái)用于指導(dǎo)教學(xué)工作改善，注重開(kāi)發(fā)適應(yīng)職業(yè)發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容等。

本文基于CBE和CDIO教育理念，與北京豐源智通有限公司合作開(kāi)發(fā)了“智能交通系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)”。以下基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并以“智能交通出行需求與分布預(yù)測(cè)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為例，介紹教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程。

2 “智能運(yùn)輸系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

通過(guò)調(diào)研畢業(yè)生就業(yè)情況、走訪相關(guān)智能交通企業(yè)以及網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷調(diào)查，了解了智能運(yùn)輸系統(tǒng)相關(guān)企業(yè)的崗位需求。通常情況下，企業(yè)將智能運(yùn)輸系統(tǒng)的人才需求崗位分為設(shè)計(jì)崗位、操作崗位與銷售服務(wù)崗位三類，具體人才崗位需求如圖1所示。本文將基于“智能交通系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)”，根據(jù)崗位的技術(shù)要求開(kāi)發(fā)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

圖1 智能交通領(lǐng)域人才崗位需求

2.1 智能交通系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)介紹

“智能運(yùn)輸系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)所使用的“智能交通系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)”如圖2所示。智能交通系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，是以先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別技術(shù)[11]、傳感器技術(shù)、VR虛擬仿真技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)以及嵌入式交通分析軟件 TransCAD和 VISSIM[12]等構(gòu)建的城市交通系統(tǒng)場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和智能交通控制系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)通過(guò)道路監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)及停車數(shù)據(jù)參數(shù)等信息，并經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到智能交通實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主控器，由實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示并進(jìn)行分析計(jì)算處理，再根據(jù)交通狀況自適應(yīng)調(diào)節(jié)交通設(shè)備控制系統(tǒng)，以滿足最佳的交通運(yùn)輸條件。學(xué)習(xí)者能夠通過(guò)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)快速學(xué)習(xí)智能交通系統(tǒng)行車避讓技術(shù)、先進(jìn)公交系統(tǒng)控制技術(shù)、智能交通GPS定位技術(shù)[13]、智能交通物流技術(shù)、智能交通出行需求技術(shù)、交通分布預(yù)測(cè)技術(shù)、先進(jìn)交通管理技術(shù)、智能交通信號(hào)燈控制技術(shù)及車輛視頻監(jiān)控技術(shù)[10]等。

圖2 智能交通系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建

將“智能運(yùn)輸系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、專業(yè)拓展實(shí)驗(yàn)?zāi)K和綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

CBE教學(xué)理念注重學(xué)習(xí)者認(rèn)知能力的層次遞進(jìn)過(guò)程[14]，因此根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容的難易程度由淺入深地確定教學(xué)內(nèi)容，并與工作崗位職責(zé)對(duì)標(biāo)后，構(gòu)建了適合學(xué)習(xí)者不同能力要求的模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。由于學(xué)生的認(rèn)知程度參差不齊，因此根據(jù)智能交通領(lǐng)域應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)要求，設(shè)置層次分明的模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，有利于學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生個(gè)性化的綜合知識(shí)運(yùn)用能力。

3 “智能交通出行需求與分布預(yù)測(cè)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

日常交通出行情況以及交通流分布情況是交通管理部門(mén)和相關(guān)企業(yè)單位重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，利用智能交通實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)出行需求建模、數(shù)據(jù)采集分析以及交通分布計(jì)算與預(yù)測(cè)，能夠?yàn)楹侠砜刂平煌髯兓⒁龑?dǎo)調(diào)節(jié)出行需求提供依據(jù)，能夠提高交通管理水平和工作效率。以下按照CDIO教育理念構(gòu)建該實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

3.1 構(gòu)思（conceive）：實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容描述

基于廊坊市廣陽(yáng)區(qū)路網(wǎng)及小區(qū)分布現(xiàn)狀資料，以及智能交通實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)中的TransCAD軟件，對(duì)廣陽(yáng)區(qū)交通出行需求與交通分布情況進(jìn)行再現(xiàn)；通過(guò)實(shí)地調(diào)研與網(wǎng)絡(luò)獲取相結(jié)合的方式對(duì)出行需求與交通分布情況數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；根據(jù)交通規(guī)劃出行分布相關(guān)理論及回歸分析法，預(yù)測(cè)未來(lái)出行需求與交通分布，并進(jìn)行優(yōu)化分析；獲得廣陽(yáng)區(qū)交通出行分布狀況圖，為廣陽(yáng)區(qū)交通改造升級(jí)提供相關(guān)方案，并利用TransCAD軟件生成效果圖。

3.2 設(shè)計(jì)（design）：教學(xué)方法設(shè)計(jì)

（1）啟發(fā)式教學(xué)方法。以學(xué)生為中心、教師為主體。編制《實(shí)驗(yàn)內(nèi)容任務(wù)書(shū)》，用以指導(dǎo)學(xué)生課前自主了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)方法，并為學(xué)生提供線上線下學(xué)習(xí)資料，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)效率，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。啟發(fā)式教學(xué)方法有利于提高教學(xué)互動(dòng)，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的。

（2）擴(kuò)展式教學(xué)方法。教師將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)制作成微視頻，將實(shí)驗(yàn)教師的示范過(guò)程錄制成MOOC，使學(xué)生可以利用課余時(shí)間多次重復(fù)學(xué)習(xí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的熟悉程度。

（3）校企協(xié)同育人教學(xué)方法。聘請(qǐng)智能交通企業(yè)工程師與學(xué)校教師聯(lián)合開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，確保教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工作崗位無(wú)縫對(duì)接，提高學(xué)生的工程實(shí)踐動(dòng)手能力，并促進(jìn)教師“雙師型”能力的提升。此外，積極加強(qiáng)校外實(shí)習(xí)基地建設(shè)，將企業(yè)的先進(jìn)技術(shù)和實(shí)際項(xiàng)目引入課堂，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化。

（4）討論協(xié)作式教學(xué)方法。將學(xué)生分成5～7個(gè)小組，每組有6～8名學(xué)生。各組按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)和小組內(nèi)學(xué)生的不同能力與興趣進(jìn)行任務(wù)分派，并在小組內(nèi)討論、研究、確定實(shí)驗(yàn)方案。每個(gè)小組選出1名小組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)記錄每位小組成員在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)的貢獻(xiàn)情況，提高學(xué)生的溝通協(xié)作能力。

（5）任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以任務(wù)方式下發(fā)后，實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程就是學(xué)生完成任務(wù)的過(guò)程，是學(xué)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的過(guò)程。在此過(guò)程中，要注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，以理實(shí)一體化的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的獲得感。

（6）職業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)式教學(xué)方法。要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)培訓(xùn)，強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐的行為準(zhǔn)則。例如，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室必須注意著裝，嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程，樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的安全責(zé)任意識(shí)等。

3.3 實(shí)施（implement）：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)施

本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)施過(guò)程分為課前實(shí)驗(yàn)知識(shí)準(zhǔn)備、TransCAD軟件配置和模塊構(gòu)建、交通出行需求數(shù)據(jù)創(chuàng)建、交通分布預(yù)測(cè)程序設(shè)計(jì)四個(gè)階段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容任務(wù)書(shū)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容任務(wù)書(shū)

（1）課前實(shí)驗(yàn)知識(shí)準(zhǔn)備。通過(guò)線上線下學(xué)習(xí)交通規(guī)劃中關(guān)于出行需求的分析過(guò)程，以及交通分布預(yù)測(cè)四階段生成法的構(gòu)建方法，為實(shí)驗(yàn)方案制定奠定基礎(chǔ)。

（2）TransCAD軟件配置和模塊構(gòu)建。通過(guò)學(xué)習(xí)軟件操作及模塊構(gòu)建方法，將交通出行需求情況分析用TransCAD軟件加以構(gòu)建，將出行分布預(yù)測(cè)四階段法用程序加以實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合實(shí)際交通情況設(shè)計(jì)優(yōu)化分析算法，提高程序運(yùn)行效率。

（3）交通出行需求數(shù)據(jù)創(chuàng)建。學(xué)習(xí)TransCAD交通出行需求數(shù)據(jù)的應(yīng)用方法，結(jié)合交通案例分析程序設(shè)計(jì)調(diào)用方法，與交通實(shí)際狀況對(duì)標(biāo)提高程序分析精度，爭(zhēng)取對(duì)實(shí)際交通具有指導(dǎo)作用。

（4）交通分布預(yù)測(cè)程序設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)交通分布預(yù)測(cè)軟件程序，通過(guò)調(diào)試訓(xùn)練提高分布預(yù)測(cè)精度，并對(duì)實(shí)時(shí)交通分布情況數(shù)據(jù)加以分析，優(yōu)化完善程序設(shè)計(jì)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。具體程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。根據(jù)此流程圖，設(shè)計(jì)出行需求數(shù)據(jù)加載程序、交通分布預(yù)測(cè)子程序、優(yōu)化算法程序、TransCAD出行分布需求效果圖構(gòu)建程序等。此設(shè)計(jì)程序只給出了提示，需要學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

圖3 出行需求與交通分布預(yù)測(cè)程序設(shè)計(jì)流程圖

3.4 運(yùn)行（operate）：考核評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和成績(jī)考核評(píng)價(jià)由指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)、小組成員互評(píng)、其他實(shí)驗(yàn)小組現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)三部分構(gòu)成。其中，小組成員根據(jù)本組每位成員在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的分工情況、實(shí)際表現(xiàn)以及對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成的貢獻(xiàn)度進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)，占總成績(jī)的20%。實(shí)驗(yàn)完成后，各小組由1名小組成員對(duì)本小組實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行講解和現(xiàn)場(chǎng)演示，指導(dǎo)教師和其他小組成員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)，根據(jù)各小組講解演示和答辯情況進(jìn)行評(píng)分，占成績(jī)的50%。教師通過(guò)每個(gè)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)總結(jié)書(shū)面報(bào)告進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)，占總成績(jī)的30%。這一涵蓋實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方法較為公正客觀，教師還可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果反饋和課堂教學(xué)評(píng)價(jià)進(jìn)一步改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

智能運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用是交通信息化、智能化的保證。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)交通模式加快向智能化交通模式轉(zhuǎn)變，企業(yè)對(duì)智能交通專業(yè)高素質(zhì)人才的需求不斷增加。本文基于CBE和CDIO教育理念，進(jìn)行了智能交通出行需求與分布預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，探索了以學(xué)生為中心、以工作崗位能力為導(dǎo)向的教學(xué)改革實(shí)踐。通過(guò)這一課程教學(xué)改革，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，改善了課堂教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。