郭凤香　和文耀　万华森　秦雅琴　贾现广　陈亮

摘  要：道路交通运输专业具有多学科融合、紧密结合实践的特点，但许多交通专业课程的实践教学环节往往会受到场地大小、条件不可控、重复性差和实际道路危险性等不利因素的限制而无法顺利开展。为提升学生的实践能力与课程参与度，基于驾驶模拟技术，探讨可用于交通仿真、道路交通安全及交通行为分析等课程教学的超车仿真教学实验项目，教学实验以锻炼学生分析解决问题能力和实践操作能力为目标，详细地设计实验流程与实践教学内容，并将该实验项目在道路交通安全、交通仿真等课程的实践环节进行应用，为驾驶模拟系统在教学实验中的应用提供参考。

关键词：交通运输；驾驶模拟；超车仿真；实验设计；实践教学

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）16-0049-04

Abstract： The road traffic transportation specialty has the characteristics of multidisciplinary integration and close combination with practice. However， the practical teaching links of many transportation specialty courses are often limited by unfavorable factors such as site size， uncontrollable conditions， poor repeatability， and actual road risks. In order to improve students'practical ability and course participation， based on driving simulation technology， this paper discusses the teaching experiment project of overtaking simulation which can be used in the teaching of traffic simulation， road traffic safety and traffic behavior analysis. The teaching experiment aims at training students' ability to analyze and solve problems and practical operation ability. The experimental process and practical teaching content are designed in detail， and the experimental project is applied in the practical links of road traffic safety， traffic simulation and other courses， which provides reference for the application of driving simulation system in teaching experiment.

Keywords： transportation; driving simulation; overtaking simulation; experimental design; practice teaching

道路交通运输是涉及车辆、信息、管理及土木等多学科的综合性专业，在学生的培养过程中不仅要求其掌握复杂的专业理论知识，还需具备自主学习、团队合作与实践能力。但在实践能力的培养中，实际道路交通实验具有实验条件不可控、重复实验困难且存在着一定的危险性的特点，导致交通运输专业人才的实践能力培养的教学环节难以开展。这也是在教学过程中，学生对道路交通系统中出现的各种原理、特征、现象等缺乏实际的感官认识的主要原因之一，学生的认识更多地停留在理论知识上，缺少结合现场实际的深刻理解，导致许多学生在理论知识与实际结合上有所欠缺。而本教学实验中基于虚拟仿真技术的实验教学方法具有虚实结合、安全性高的特点，可以为实践教学的展开提供一个合适的平台，搭建帮助课程实现学生从理论走向实际的桥梁，达到学以致用的目标。

驾驶人超车仿真实验的开设，旨在以超车这一日常交通现象为基础，建立驾驶人在不同道路与交通条件下的超车行为虚拟实验场景，考察与了解不同驾驶人的行为特性与安全驾驶特性。同时，通过该实验可以确定安全超车的道路条件、交通条件，考察相同道路及交通条件下不同驾驶人的行为特性，了解驾驶人安全驾驶的相关特性。通过该实验还可以帮助学生了解基于驾驶模拟系统的三维虚拟场景的设计方法及实验方案的制定方法，倡导以学生为主体的创新性实验改革，发挥学生的主动性、积极性和创造性，激发学生的创新思维和创新意识，逐渐掌握提出问题、分析问题、解决问题的思路与方法，提升学生的综合能力。

一  仿真实验的设计

超车是一种常见的交通现象，驾驶人超车行为过程会受到道路交通系统中的人、车、路、环四个因素的影响，因此超车实验可以帮助学生全方面地掌握道路交通系统构成要素的特性。本实验作为综合设计型实验，主要通过三维虚拟环境下的超车仿真实验的设计和开展来培养学生分析解决问题能力、实践操作能力、自主学习能力和团队合作意识。在实验前，学生需要应用所学知识，根据超车仿真实验目的、超车原理和安全要求设计超车仿真实验的实验方案，根据实验方案搭建虚拟的超车仿真实验场景，组织完成虚拟仿真实验，并在实验后根据结果分析撰写报告。

（一）  实验设计

超车仿真模拟教学实验基于昆明理工大学自主研发的三维虚拟软件与驾驶模拟系统，结合眼动仪、生理仪、心理仪等设备，由学生在老师的指导下根据实验目的自主设计实验道路交通条件与交通环境，进行模拟实验并完成实验报告。

实验方案设计过程中，学生可以根据不同的实验目的在实验中设计不同超车方式和道路交通条件的虚拟实验场景，包括：①通过对不同人群的超车行为进行考察，分析性别、年龄、个人性格等不同的人的行为特性对超车行为的影响，进而分析不同人群的驾驶特性；②为了考察不同车辆的动力、刹车等车辆性能对车辆超车行为与驾驶安全性的影响，可以通过更改虚拟仿真实验中的各类性能参数，从而改变仿真车辆的车辆性能，最终可以设计不同性能车辆的超车模拟实验，分析不同车辆性能对超车行为的影响；③设计不同类型的道路或者同一道路不同路段的超车行为，如乡村道路的直路、弯路等，进而研究不同道路条件对车辆超车行为的影响等。

（二）  教学实验开展步骤

与普通的课程实验不同，本教学实验以学生自主实验为主，学生被分为不同实验小组，各小组根据不同的实验目的搭建虚拟场景进行超车仿真实验，在实验设计和开展过程中可以锻炼学生的团队合作能力。

具体的教学实验过程主要由五部分组成：①课前学生可参考浏览已完成的报告书和仿真模型，帮助了解实验；②课上教师对相关软件以及仿真仪器的使用方式进行教学，并进行一次模拟实验；③学生分组设计实验、构建模型，并招募实验志愿者，可由拥有驾驶执照的学生担当，也可招募其他驾驶人；④任课教师的监督完成实验，并对实验中所需的相关数据记录进行分析，完成报告书；⑤教师在提出修改意见后，依据学生在实验中的表现以及报告书的完成度进行评分。

二  仿真实验的应用

超车仿真实验技术属于虚拟实验技术范畴，是一种将仿真技术运用于教学实验的参与式学习。设计的主旨是改变传统的被动学习方式，由学生作为课堂教学的主体，体现以学生为中心的教学理念，注重发挥学生的主观能动性，以实践性和研究性为主旨的教学方式，是一门综合性与开放性兼具的教学实验，可以在满足多门交通专业课程教学的同时综合考察学生对交通仿真、交通安全等多门科目的学习情况，并通过实验进行实践考核。

（一）  交通仿真

在超车仿真教学实验中，学生需要学习使用交通仿真技术，以现实中的真实道路为基础，结合交通安全、交通心理学等不同课程的需求设计不同的超车仿真实验，并获取需要的数据。其中，学生运用交通仿真技术进行实验设计、模型构建的过程，实际就是学生能逐步理解掌握驾驶模拟实验、学习交通仿真技术的过程，由浅入深地加深对场景设计、驾驶仿真技术等仿真模拟知识的认识，全面深刻理解交通仿真理论与技术，提高学生专业兴趣和理论联系实际能力。交通仿真教学不再局限于单一的课堂理论知识教学，而是由学生自主学习构建仿真场景。

学生可以任意建立某个具有道路交通特定环境及交通动态特征的虚拟场景，包括真实的、想象的或用于特殊实验的场景，并能通过对驾驶车辆、交通车流、行人的动态参数和其他环境因素有条件的控制，在模拟器上实现对各类道路交通问题的动态信息采集、参数分析和仿真实验。不仅可以解决实际道路的安全问题，也能使学生根据自己的想法、思路和目的设计实验，包括场景设计、交通模型、实验方法、所需数据的处理和分析方法等，将不可及的抽象概念转化为直观、可控的仿真图形、数据与过程，同时可进行重复模拟，是一种开放的设计型教学实验。尤其在仿真过程中改变多种交通条件，如被超车的速度、数量，对向车的速度、数量等所导致的被试者操作反应，让学生对驾驶人行为安全特性有较为直观的了解，进而引发学生的研究兴趣，在实际应用中强化加深对交通仿真技术的理解，形成一套完整的、系统的、科学的概念。

如图1所示，超车方式可以包括正常超车、对向有车辆的情况下超车、超载大型车辆和超越车队等，还可以为前车和对象车辆设置不同的间距与车速，用于营造不同的交通条件，方便学生学习和了解不同交通条件下的超车行为。

除了设置不同的交通条件，还可以应用图2中的各类素材（部分展示），对仿真实验中的人、车、路环境进行设计，以满足不同方面的教学实验需求。同时超车仿真实验多样化的实验方案设计，不仅可以拓宽学生的思路，提升创新能力，也可以为不同的教学科目提供个性化的教学素材。

（二）  道路交通安全

道路交通系统是一个由人、车、路、环境四种因素组成的复杂系统，其具有系统性、动态性和复杂性的特点。因此在进行相关实践教学时，往往会因为受到道路条件与道路危险性的限制而无法开展，只能进行理论与案例教学，学生难以切实地体会到道路交通系统中各个因素对交通安全的影响。而超车仿真模拟教学实验以学生的实践与参与感为重点，旨在以超车这一日常交通现象作为研究点，由学生按照课程需求，在教师的指导下使用仿真建模软件设计或还原某一超车场景，探究不同道路、路段、气候和交通环境等因素对超车行为的影响，甚至可以构建某一事故场景，分析不同因素对事故的影响程度。比如双车道超车行为，由于需要借用对向车道完成超车，驾驶人不仅仅要保证与前车的安全距离，还要观察对向车道，极容易发生追尾或者碰撞事故，利用驾驶模拟系统，学生不仅可以还原这一危险场景进行直观体验，还可以通过设备获取的详细数据对道路交通中存在的各项因素进行分析，深入了解道路交通安全中的各类风险因素。同时，通过实验进行考核，摆脱了期末笔试考核的局限性，可以更全面地考察学生对道路交通安全的认知与理解。

（三）  交通心理学与行为分析

交通心理学是一门与现实交通生活非常贴近的应用心理学学科，学生单靠书本知识和教师的讲解很难有直观的认识。例如，关于驾驶人危险知觉、驾驶人分心等领域的相关知识都难以通过教学讲解。类似的，在交通行为分析教学中，驾驶行为本身是一种动态的行为，包括驾驶行为可靠性分析、人群行为差异性分析等内容，单靠文字说明和图片演示难以达到预期的教学效果，课程也会显得枯燥无味。但在超车仿真实验中，每一位学生都可以使用仿真模拟设备，进入车辆驾驶室模拟演练，不仅可以在模拟实验中根据自己的主观感受学习驾驶人在驾驶汽车过程中感知、决策等心理活动的规律及影响因素，还可以在模拟演练中通过生理心理仪采集多项客观数据。在模拟演练后，可以通过超车仿真实验中的车速、刹车踏板深度等数据进行驾驶人行为分析，结合心跳、皮电等数据分析驾驶人的心理，学习交通行为与心理的关系。将两门抽象的教学课程结合为一门具体的教学实验，不仅可以保证师生安全，还可以给予学生直观的教学体验。

（四）  教学实例

以昆明理工大学本科教学为例，课程实验设计为基于驾驶模拟的车辆超车行为分析实验。实验目的是让学生进一步掌握交通仿真、道路交通安全等课程的相关知识，熟练运用相关设计软件完成虚拟场景构建与实验。如图3所示，在课程中，学生需要使用实验室提供的设备完成实验场景的构建，包括道路搭建、驾驶环境设计、车流设计等，学生可以充分发挥自己的想法。在实验中，被试人的选取、数据记录与驾驶模拟器的监测均由学生负责，任课教师仅负责实验安全与必要的指导。在实验完成后，学生分组提交完整的实验报告与设计场景，并注明每位组员的工作任务，任课教师根据场景设计的真实性、实验报告的完整性与科学性、不同人员的工作内容等，给予学生综合评分。

三  结束语

超车仿真实验以超车这一日常交通现象为例，将虚拟仿真技术引入学生的课堂教学，将理论与实践结合，软件与硬件结合，为交通工程专业教学提供效费比高的实验实践平台。同时，在教学实验中，可以深入结合多门专业课的理论知识，拓展教学手段，提升学生个人综合素质能力，在教学结束后，可以通过问卷调查的方式了解学生对课程的直观感受，并结合学生期末成绩与实验完成情况对课程教学进行调整与优化。最后，学生在任课教师的指导下，主动完成实验设计、仿真建模、设备调试、模拟实验和数据分析，更加综合地考量了学生的个人能力与团队协作能力，提高了课程兴趣，考验了学生的自主积极性，是多门专业课程相融合的综合创新性实验课程。

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基金项目：2020年度云南省研究生优质课程建设项目“交通系统仿真技术及应用研究生教学案例库”（云学位〔2021〕2号）；2021年度云南省专业学位研究生案例库建设项目“交通系统仿真技术及应用研究生教学案例库”（云学位〔2021〕18号）

第一作者简介：郭凤香（1979-），女，汉族，黑龙江海林人，博士，教授，博士研究生导师，副院长。研究方向为交通安全和驾驶行为。

*通信作者：万华森（1974-），男，汉族，云南曲靖人，博士，副教授。研究方向为交通安全与车路协同。