基于CBE和CDIO理念的智能运输系统实验教学设计

宫唤春

（河北东方学院 交通运输系，河北 廊坊 065001）

2017年，教育部倡导开展“新工科”专业建设，先后发布了“新工科”专业建设指南，要求积极面对第四次工业革命和中国制造 2025发展战略带来的机遇和挑战，加快培养适应新兴产业发展、实践能力与创新能力强的高素质高技能复合应用型人才[1-2]；加快传统工科专业的改造升级，结合新兴专业加速专业交叉融合；基于互联网与人工智能技术[3-4]改革专业教学模式；与产业发展前沿相融合，将企业工作岗位案列引入课堂教学[5]；采用项目驱动教学模式[6]，实现提高人才培养质量的目标。

有鉴于此，我院对交通运输专业进行了升级，增设了智能交通方向，并对人才培养模式和课程教学方式进行了探索。具体来说，学院针对智能交通专业核心课程“智能运输系统”[7]的实践教学环节进行改革，基于CBE（competency based education）和CDIO模式[8]进行教学设计，以职业岗位能力要求为导向重构实验教学内容及教学模式，强调对学生实践动手能力和创新能力的培养。

1 CBE和CDIO教育理念综述

以能力为基础的教育理念[9]强调以企业工作岗位所具备的知识、技能、素养和能力来构建课程与教学。CBE强调理实一体化，注重实践—认识—实践的过程，即通过实践能力的提升促进学生对基础理论和基础知识的学习，再通过实践环节促进学生对基础理论和基础知识的学习再提升的过程。此教育理念还要求，根据学生学习效果情况反馈及学生评教和问卷调查，研究教学内容及教学方法实施过程中存在的问题，从而不断完善教学内容、提高教学效果。

CDIO教育模式[10]是基于工程思维的教育模式，分别由构思（conceive）、设计（design）、实施（implement）、操作（operate）四个阶段构成。CDIO以职业项目为导向，以工程实践能力为培养目标，突出以学生为中心、教师为主导，线上线下相结合地引导学生主动获取专业基础知识、技能和素养，并通过互动式教学使学生的合作沟通能力得到提升。

CBE和CDIO的教育理念具有相通之处，都注重以职业为导向设置教学内容及加强学生工程实践动手能力的培养，注重教学内容与岗位职责无缝衔接、教学模式与产业发展模式相互融合，注重通过“做中学”提升学生的专业知识和技能素养，通过全过程考核评价学生的学习效果，并反馈过来用于指导教学工作改善，注重开发适应职业发展的教学内容等。

本文基于CBE和CDIO教育理念，与北京丰源智通有限公司合作开发了“智能交通系统实践教学平台”。以下基于该实验平台，并以“智能交通出行需求与分布预测”实验教学项目为例，介绍教学设计的过程。

2 “智能运输系统”课程实验教学项目开发

通过调研毕业生就业情况、走访相关智能交通企业以及网络问卷调查，了解了智能运输系统相关企业的岗位需求。通常情况下，企业将智能运输系统的人才需求岗位分为设计岗位、操作岗位与销售服务岗位三类，具体人才岗位需求如图1所示。本文将基于“智能交通系统实践教学平台”，根据岗位的技术要求开发相关的实验教学项目。

图1 智能交通领域人才岗位需求

2.1 智能交通系统实践教学平台介绍

“智能运输系统”课程实验教学环节所使用的“智能交通系统实践教学平台”如图2所示。智能交通系统实践教学平台是基于物联网技术的实验教学平台，是以先进的无线通信技术、物联网射频识别技术[11]、传感器技术、VR虚拟仿真技术、云计算技术以及嵌入式交通分析软件 TransCAD和 VISSIM[12]等构建的城市交通系统场景虚拟现实系统和智能交通控制系统。该实验教学平台通过道路监控系统实时采集车辆运行数据参数及停车数据参数等信息，并经过无线网络传送到智能交通实验教学平台主控器，由实验教学平台显示系统实时显示并进行分析计算处理，再根据交通状况自适应调节交通设备控制系统，以满足最佳的交通运输条件。学习者能够通过该实验教学平台快速学习智能交通系统行车避让技术、先进公交系统控制技术、智能交通GPS定位技术[13]、智能交通物流技术、智能交通出行需求技术、交通分布预测技术、先进交通管理技术、智能交通信号灯控制技术及车辆视频监控技术[10]等。

图2 智能交通系统实践教学平台结构

2.2 实验教学内容构建

将“智能运输系统”课程实验教学内容分为基础实验模块、专业拓展实验模块和综合创新实验模块，具体内容如表1所示。

表1 实验教学内容

CBE教学理念注重学习者认知能力的层次递进过程[14]，因此根据学习内容的难易程度由浅入深地确定教学内容，并与工作岗位职责对标后，构建了适合学习者不同能力要求的模块化实验教学内容。由于学生的认知程度参差不齐，因此根据智能交通领域应用型、技能型人才培养要求，设置层次分明的模块化实验教学内容，有利于学生根据自身学习情况自主选择学习内容，培养学生个性化的综合知识运用能力。

3 “智能交通出行需求与分布预测”实验教学设计

日常交通出行情况以及交通流分布情况是交通管理部门和相关企业单位重点关注的问题，利用智能交通实践教学平台实现出行需求建模、数据采集分析以及交通分布计算与预测，能够为合理控制交通流变化、引导调节出行需求提供依据，能够提高交通管理水平和工作效率。以下按照CDIO教育理念构建该实验教学内容。

3.1 构思（conceive）：实验教学内容描述

基于廊坊市广阳区路网及小区分布现状资料，以及智能交通实践教学平台中的TransCAD软件，对广阳区交通出行需求与交通分布情况进行再现；通过实地调研与网络获取相结合的方式对出行需求与交通分布情况数据进行采集；根据交通规划出行分布相关理论及回归分析法，预测未来出行需求与交通分布，并进行优化分析；获得广阳区交通出行分布状况图，为广阳区交通改造升级提供相关方案，并利用TransCAD软件生成效果图。

3.2 设计（design）：教学方法设计

（1）启发式教学方法。以学生为中心、教师为主体。编制《实验内容任务书》，用以指导学生课前自主了解实验内容、实验任务和实验方法，并为学生提供线上线下学习资料，提高学生自主学习效率，调动学生学习兴趣。启发式教学方法有利于提高教学互动，达到教学相长的目的。

（2）扩展式教学方法。教师将实验内容的重点和难点制作成微视频，将实验教师的示范过程录制成MOOC，使学生可以利用课余时间多次重复学习，加深对实验内容的熟悉程度。

（3）校企协同育人教学方法。聘请智能交通企业工程师与学校教师联合开展实验教学，确保教学内容与实际工作岗位无缝对接，提高学生的工程实践动手能力，并促进教师“双师型”能力的提升。此外，积极加强校外实习基地建设，将企业的先进技术和实际项目引入课堂，实现产学研一体化。

（4）讨论协作式教学方法。将学生分成5～7个小组，每组有6～8名学生。各组按照实验教学任务和小组内学生的不同能力与兴趣进行任务分派，并在小组内讨论、研究、确定实验方案。每个小组选出1名小组长，负责记录每位小组成员在实验过程中的表现，以及对实验的贡献情况，提高学生的沟通协作能力。

（5）任务驱动式教学方法。实验教学内容以任务方式下发后，实验实施过程就是学生完成任务的过程，是学习相关实验知识的过程。在此过程中，要注重培养学生的工程思维，以理实一体化的任务驱动式教学增强学生学习的获得感。

（6）职业素质培养式教学方法。要加强对学生的职业素质培训，强调工程实践的行为准则。例如，进入实验室必须注意着装，严格遵守实验操作规程，树立严谨科学的安全责任意识等。

3.3 实施（implement）：实验内容实施

本次实验教学内容的实施过程分为课前实验知识准备、TransCAD软件配置和模块构建、交通出行需求数据创建、交通分布预测程序设计四个阶段，实验教学内容任务书如表2所示。

表2 实验教学内容任务书

（1）课前实验知识准备。通过线上线下学习交通规划中关于出行需求的分析过程，以及交通分布预测四阶段生成法的构建方法，为实验方案制定奠定基础。

（2）TransCAD软件配置和模块构建。通过学习软件操作及模块构建方法，将交通出行需求情况分析用TransCAD软件加以构建，将出行分布预测四阶段法用程序加以实现，并结合实际交通情况设计优化分析算法，提高程序运行效率。

（3）交通出行需求数据创建。学习TransCAD交通出行需求数据的应用方法，结合交通案例分析程序设计调用方法，与交通实际状况对标提高程序分析精度，争取对实际交通具有指导作用。

（4）交通分布预测程序设计。学习交通分布预测软件程序，通过调试训练提高分布预测精度，并对实时交通分布情况数据加以分析，优化完善程序设计，达到实验目标。具体程序设计流程图如图3所示。根据此流程图，设计出行需求数据加载程序、交通分布预测子程序、优化算法程序、TransCAD出行分布需求效果图构建程序等。此设计程序只给出了提示，需要学生通过自主学习进行算法设计，提升学生的创新思维能力。

图3 出行需求与交通分布预测程序设计流程图

3.4 运行（operate）：考核评价

实验教学效果和成绩考核评价由指导教师评价、小组成员互评、其他实验小组现场评价三部分构成。其中，小组成员根据本组每位成员在实验过程中的分工情况、实际表现以及对实验内容完成的贡献度进行成绩评价，占总成绩的20%。实验完成后，各小组由1名小组成员对本小组实验情况进行讲解和现场演示，指导教师和其他小组成员进行现场提问，根据各小组讲解演示和答辩情况进行评分，占成绩的50%。教师通过每个学生提交的实验总结书面报告进行成绩评价，占总成绩的30%。这一涵盖实验全过程的成绩评价方法较为公正客观，教师还可根据学生的学习效果反馈和课堂教学评价进一步改善实验教学设计。

4 结语

智能运输系统的应用是交通信息化、智能化的保证。随着人工智能、大数据、云计算技术的广泛应用，传统交通模式加快向智能化交通模式转变，企业对智能交通专业高素质人才的需求不断增加。本文基于CBE和CDIO教育理念，进行了智能交通出行需求与分布预测实验教学内容设计，探索了以学生为中心、以工作岗位能力为导向的教学改革实践。通过这一课程教学改革，提高了学生的学习积极性，改善了课堂教学质量和人才培养质量。