“双碳” 背景下交通仿真课程教学改革与探索

尹超英，马健霄，陆 涛

（南京林业大学汽车与交通工程学院 江苏 南京 210037）

2021年中共中央、国务院印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，早日实现 “碳达峰、碳中和” 的理念逐渐受到各行各业的关注。目前，我国正经历规模最大、速度最快的城市化进程，迅速推进的城市化使我国城市呈现出蔓延式的发展态势，出行者的机动化出行需求也呈现快速增长的趋势，从而导致了大量温室气体排放，而交通运输领域温室气体排放已成为我国城市碳排放的三大源头之一。中共中央、国务院于2021年印发的《国家综合立体交通网规划纲要》要求交通行业要 “加快推进绿色低碳发展，交通领域二氧化碳排放尽早达峰，降低污染物及温室气体排放强度” 。为此，交通运输行业也成为我国碳达峰碳中和关注的重点领域[1，2]。

交通设计与仿真能力是交通工程专业本科生培养最重要的环节之一，需要持续改进的实践教学组织和教学环节设计，以最大限度地获得专业的教育效果[3]。为助力我国实现碳达峰碳中和的目标，交通仿真课程立足于交通工程专业本科生低碳交通设计与仿真能力的养成，培养具备健全人格和社会责任感、基础扎实、实践能力强、具有创新创业意识和国际视野的高素质人才和精英人才。为加快推进我国低碳交通运输体系建设的新形势，必须针对交通仿真课程积极探索基于学习产出教育（Outcomes-based Education，OBE）理念的低碳交通设计与仿真教学的新模式和新方法[4]。

因此，本文基于OBE产出导向教育的设计理念，以 “学生为中心” “成果为导向” “持续改进为过程” ，旨在引导学生运用交通仿真技术解决低碳交通设计及仿真中存在的复杂专业问题，从而全面培养学生的综合素质。

1 课程建设与教学设计

交通仿真课程建设与教学设计要体现以学生为中心的教育理念，同时兼顾低碳交通的时代特色，我国的城市交通研究已经步入全新时代，原有的交通规划、组织与管理等技术方法无法完全适应我国当前发展低碳交通运输体系的需求。因此，在本课程建设与教学设计改革中需将低碳交通的理念融入对学生的教育教学过程中，为国家培养适应时代需求、能够解决实际工程问题、具有良好知识运用能力的交通人才。具体课程改革思路与建设方案如下。

1.1 建设方案

1.1.1 教学模式建设

以交通仿真教学大纲的要求和深度为前提，以南京林业大学交通工程学院的实验平台和研究基础为特色，收集国内交通仿真授课的相关教学资料与实践案例，通过问卷调查、教学效果反馈与评价机制，制订基于碳达峰碳中和理念的交通仿真教学模式和方案，形成和完善符合交通工程专业本科生培养目标的授课教学模式。

1.1.2 教学材料建设

基于研究型教学模式，根据交通仿真课程的专业设计特点和听课学生的学习特点，凝练教学内容和梳理逻辑关系，将碳达峰碳中和相关教学内容转化为浅显易懂、容易接受的讨论话题和主题；同时，收集国内外交通工程领域的经典交通与碳排放工程案例、前沿研究热点、时效性话题，形成全面完善的讨论式与实践式相结合的教学材料，通过启发性讨论与针对性指导加强学生对科学研究和工程应用精神的培养。

1.1.3 碳达峰碳中和理念渗透设计

以南京林业大学交通工程专业的本科生培养目标和交通仿真教学大纲为基础，把碳达峰碳中和等国家战略与交通仿真相关专业知识有机融合，将低碳交通设计与仿真的理念融入专业知识的教学内容中，使学生在掌握交通仿真的操作技巧和对交通环境的仿真实现，能够运用仿真软件VISSIM分析常见的交通管理、通行能力、信号配时等问题的同时，结合国内外先进工程实践案例，在交通工程专业的学科背景下注重对低碳交通设计与仿真能力的引导和培养。

1.2 “双碳” 背景下交通仿真课程改革方案

交通仿真课程是一门理论与实践相结合的课程，在讲授交通基础理论知识的基础上，注重对学生实践动手能力的培养。因此，在进行教学内容安排时，要将交通工程领域的前沿问题引入课堂教学中。本课程的改革方案拟将低碳思路融合到课程设计中，通过对交通仿真基础、十字信号交叉口及非机动车与行人等章节内容的重新设计，以强化实践训练的方式扩展学生对交通工程基础理论的理解与应用。

①在交通仿真基础章节中，在我国提出发展低碳交通体系促进低碳经济发展战略的大背景下，将低碳交通理念融入交通设计与仿真基础理论中，明确交通仿真在双碳背景下的重要作用。

②在十字信号交叉口章节中，增加对不同交通信号协调控制策略方案碳排放评价的内容。交叉口的信号控制方案是影响交叉口运行效率的关键指标，对交通碳排放具有显著影响，通过模拟不同信号配时方案下的交通污染物排放情况，从低碳角度优化交叉口信号配时方案。

③在非机动车与行人章节中，增加出行结构优化的减排效果模拟与评价等相关内容。通过提高公共交通和主动交通的服务水平，进而提高减排效应，深入理解交通结构与交通碳排放的相互影响关系[5]。

④在有关城市干道信号协调及公交优先的内容中，利用仿真平台测试设置公交专用道的减排效应。在已有仿真内容的基础上，通过对有无公交专用道方案的机动车污染物排放量进行仿真模拟，深入分析两种仿真方案的碳排放指标，并对其进行对比、分析和评价。

2 典型案例设计

通过设计案例可让学生对所学知识点进行整合和理解，将理论知识与工程应用联系，从而全方位提升学生的科学素养和职业使命感。

2.1 中国特色化的城市交通仿真案例设计

在快速城镇化的背景下，我国城市正呈现出蔓延式的发展态势，城市规模不断扩张，大街区和宽马路成为诸多新城和郊区规划的显著特征，摒弃了以步行和公交为导向的城市发展目标，导致居民小汽车依赖的快速增长[6]。虽然上述特征与美国20世纪下半叶城市蔓延式发展特征相似，但我国城市具有密度高、规模大及更新快等独特特征，使得我国城市的交通发展不能照搬发达国家的交通规划设计。因此，需在设计交通仿真案例过程中选择符合我国城市交通特征的仿真参数，将我国电动车使用比例及公交车分担率较高等特点融入课堂的实践教学中，提高学生解决我国实际交通问题的思维能力，为我国城市交通建设培养后备力量。

2.2 基于低碳理念的交通仿真案例设计

在交通仿真课程案例选择上，重点围绕我国提出的 “加快推进低碳交通运输体系建设，积极引导低碳出行” 理念，将交通仿真的低碳策略分析与评价融入课堂研讨中。从实践调查获取实际数据入手，引导学生自主选取仿真模型、搭建仿真平台，从交通规划、管理及控制策略的角度，构建基于低碳策略的仿真评价案例，对不同交通情境的交通碳排放进行测算与比较，注重对低碳交通设计与仿真能力的引导和培养[7，8]。

3 课程效果评价及改进措施

经过教学团队一系列的摸索，交通仿真课程改革方案已被南京林业大学列为一流课程建设—— “碳中和” 课程建设项目。通过对南京林业大学交通工程专业近100位学生进行访谈，了解课程教育教学成效，梳理学生反馈信息，教学团队形成了以下教学改进措施。

3.1 融合工程实践项目元素

本课程建设依托于南京林业大学公路隧道运营安全虚拟仿真实验教学平台，该国家级虚拟仿真平台积累了大量的工程实践项目资源。教学团队成员需进一步通过共享教学资源和补充工程实践案例，共同搭建仿真实验数据库，包括教学方案、教学课件、教学视频及可供学生进行仿真训练的实际工程项目案例等。通过丰富的工程实践案例，结合低碳交通设计与仿真的视角，培养学生解决实际交通工程问题的思维[9，10]。

3.2 进一步增加实践教学环节

本课程目前的理论学时和实践学时分别占比为60%和40%，通过对学生的访谈和调研，为进一步强化学习效果，加强学生的动手能力，在后续的课程改革与调整过程中，将探索更科学的课堂讨论与实践模式，优化学生分组制度，增加仿真实践学时所占比例，提升学生团队协作能力和专业实践能力，从而让学生在本课程学习过程中完成专业知识和自身素质的提升。

3.3 教学与科研相结合

为提升学生的创新思维和科研能力，将教学团队最新科研成果融入本课程的课堂教学中，激发学生的科研兴趣，同时结合国家双碳和交通强国战略，在课堂中介绍最新、最前沿的低碳交通设计与仿真成果。引导学生积极参加各类学科竞赛（交通科技大赛、挑战杯等），由于交通设计与仿真能力是解决各类交通问题的基础，达到 “以战养学” 、反哺课堂的目的。在此过程中不仅可以培养学生的科研思维，同时还可促进科技成果的转化。

4 结语

本课程在教育部提出 “加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设” 的背景下，提出将低碳理念融入交通工程的专业实践课程——交通仿真课程中。根据交通仿真课程的专业特点，通过典型案例设计将具有中国特色和基于低碳理念的仿真案例植入教学内容中；注重培养学生的工程实践项目经验，引导学生参与各类学科竞赛，从实践中激发学生的创新思维和科研能力。该课程在 “双碳” 背景下的课程改革方面进行了初步探索，但仍有很大改进空间。未来需进一步与国家战略需求相结合，动态调整交通仿真课程的建设方案，培养 “双碳” 战略背景下交通工程专业人才。