梁燕 王棟宇 徐朋 蔡銘

摘要虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以形象直觀的授課方式，將理論知識(shí)融于實(shí)踐之中，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維，已逐漸成為當(dāng)下高校的一種重要教學(xué)模式。本文以三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用為例，闡述了三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義，以及三維交通噪聲地圖的定義與作用，并提出了相關(guān)教學(xué)方案與應(yīng)用建議。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 三維交通噪聲地圖

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.23.017

Applications of Virtual Simulation of 3-dimensional Road Traffic Noise Maps in Experimental Teaching

LIANG Yan， WANG Dongyu， XU Peng， CAI Ming

（School of Intelligent Systems Engineering， Sun Yat-Sen University， Guangzhou， Guangdong 510275）

AbstractVirtual simulation experimental teaching uses visual and intuitive teaching methods to integrate theoretical knowledge into practice and helps to stimulate students’ interest in learning and enhance students’ innovative thinking. It has gradually become an important teaching mode in colleges and universities. Taking the application of virtual simulation of 3D road traffic noise maps as an example， this paper expounds the meaning of experimental teaching and the definition and function of 3D traffic noise maps and puts forward relevant teaching programs and application suggestions.

Keywordsvirtual simulation； experimental teaching； 3D road traffic noise maps

0引言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)及電子信息技術(shù)有機(jī)地融合在一起的新型教學(xué)模式，[1]以其可視效果好、人機(jī)交互性強(qiáng)、趣味性強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)了信息時(shí)代高等教育開(kāi)放辦學(xué)的變革要求。[2]

在教育改革和新工科背景下，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及人工智能等技術(shù)的興起，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已無(wú)法滿足現(xiàn)有交通知識(shí)體系的發(fā)展，[3-4]適應(yīng)時(shí)代科技發(fā)展潮流的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)就顯得尤為重要。本研究以虛擬仿真技術(shù)為支撐，立足于交通與環(huán)境相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合“交通環(huán)境工程”課程教學(xué)實(shí)際需求，開(kāi)展三維交通噪聲地圖教學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅有效提升了教學(xué)質(zhì)量，推動(dòng)了交通環(huán)境領(lǐng)域復(fù)合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，也為其他課程開(kāi)展虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供參考。

1三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)意義

為適應(yīng)我國(guó)交通智能化、綠色化發(fā)展趨勢(shì)，我校交通工程專業(yè)課程體系除了開(kāi)設(shè)“交通工程導(dǎo)論”“交通管理與控制”“交通流理論”等傳統(tǒng)核心課程外，還開(kāi)設(shè)了“交通環(huán)境工程”課程，該課程的主要內(nèi)容為交通系統(tǒng)對(duì)大氣、噪聲、生態(tài)等環(huán)境要素的影響機(jī)理和主要的環(huán)境保護(hù)基本理論、方法與技術(shù)。為加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解與應(yīng)用，我們還開(kāi)設(shè)了“交通工程綜合實(shí)驗(yàn)”課程，為“交通環(huán)境工程”課程的部分理論知識(shí)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。其中，三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)就是針對(duì)“交通環(huán)境工程”課程中“道路交通噪聲與污染控制”章節(jié)的理論內(nèi)容，在“交通工程綜合實(shí)驗(yàn)”課程中開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)共4個(gè)學(xué)時(shí)，分兩次上課。通過(guò)三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以增強(qiáng)學(xué)生交通環(huán)境保護(hù)意識(shí)，提升學(xué)生專業(yè)技術(shù)實(shí)踐能力。具體意義表現(xiàn)為：

形象生動(dòng)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式傳授三維交通噪聲地圖知識(shí)體系，讓原本晦澀難懂的三維交通噪聲復(fù)雜演化過(guò)程變得形象生動(dòng)，顯著提高了教學(xué)質(zhì)量水平，也有助于學(xué)生理解交通噪聲相關(guān)基本概念、交通噪聲污染的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素，掌握城市道路交通噪聲排放與傳播的基本原理與規(guī)律，提高學(xué)生對(duì)交通噪聲環(huán)境質(zhì)量變化的識(shí)別力。進(jìn)一步地，可以激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，迸發(fā)學(xué)習(xí)熱情，變被動(dòng)式教學(xué)為主動(dòng)式學(xué)習(xí)，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。

系統(tǒng)全面，掌握噪聲評(píng)估分析工具。三維交通噪聲地圖涉及交通、環(huán)境、計(jì)算機(jī)、地理信息系統(tǒng)等多學(xué)科的交叉，運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可將不同學(xué)科的知識(shí)成果關(guān)聯(lián)起來(lái)，形成系統(tǒng)知識(shí)體系，有助于消除學(xué)生學(xué)習(xí)斷面，達(dá)到對(duì)所學(xué)知識(shí)全面認(rèn)知、進(jìn)而融會(huì)貫通的層次。此外，三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生初步了解ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件、交通噪聲虛擬仿真模型軟件等相關(guān)技術(shù)工具的使用方法；具體實(shí)驗(yàn)課程中的實(shí)踐運(yùn)用，有助于學(xué)生充分掌握并熟練運(yùn)用噪聲評(píng)估分析工具，培養(yǎng)學(xué)生分析交通噪聲污染問(wèn)題的技能，增強(qiáng)學(xué)生環(huán)境保護(hù)的意識(shí)。

安全便捷，不受現(xiàn)實(shí)交通場(chǎng)景拘束。由于城市道路交通噪聲復(fù)雜多變、對(duì)其實(shí)施實(shí)際評(píng)估的難度大且周期長(zhǎng)、技術(shù)與數(shù)據(jù)融合不充分等因素，中等規(guī)模以上城市道路噪聲預(yù)測(cè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)很難在真實(shí)交通場(chǎng)景中開(kāi)展，而且學(xué)生在實(shí)習(xí)過(guò)程中也會(huì)存在不確定的安全隱患。以地理信息系統(tǒng)和虛擬仿真噪聲地圖軟件為支撐，通過(guò)交互式平臺(tái)操作對(duì)城市道路交通噪聲進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和噪聲測(cè)量設(shè)備等條件限制，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、便捷，更具可操作性和實(shí)踐性，還能有效解決教學(xué)場(chǎng)地和實(shí)操安全性等問(wèn)題。

面向社會(huì)，著重培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新人才。隨著未來(lái)噪聲地圖在我國(guó)各城市聲環(huán)境建設(shè)中的普及和推廣，[5]社會(huì)對(duì)相關(guān)技術(shù)人才的需求將會(huì)越來(lái)越大，對(duì)高校噪聲防治研究方向的人才培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中自主組合交通實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和噪聲防治措施，逐步提高實(shí)踐動(dòng)手能力；教師輔助引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)、分析并解決問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，幫助提升學(xué)生的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)能力，為交通行業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才。

2三維交通噪聲地圖的定義與作用

2.1定義

噪聲地圖是通過(guò)噪聲源數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)的收集與處理，利用聲學(xué)仿真模擬軟件進(jìn)行模型選擇、聲源轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)定，結(jié)合噪聲實(shí)際測(cè)量調(diào)研和校正工作，并進(jìn)行噪聲值分布情況可視化表達(dá)的地圖。[6]三維交通噪聲地圖則是指以道路交通噪聲為噪聲源，并實(shí)現(xiàn)噪聲分布結(jié)果三維可視化的噪聲地圖。

2.2作用

隨著城市化進(jìn)程的加快和機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的增長(zhǎng)，城市交通噪聲污染日益突出，交通噪聲擾民問(wèn)題持續(xù)頻發(fā)，道路交通噪聲污染成為城市環(huán)境噪聲污染的主要來(lái)源之一。[7]交通噪聲因影響區(qū)域廣、時(shí)間久，易誘發(fā)群體事件等特點(diǎn)，已逐漸成為城市生活中“無(wú)形的暴力”。

通過(guò)道路交通噪聲模擬計(jì)算和噪聲結(jié)果可視化生成的三維交通噪聲地圖，可以全方位、直觀地反映城市交通噪聲三維分布情況，有效解決大區(qū)域交通噪聲監(jiān)測(cè)覆蓋面不全的問(wèn)題，是真正意義上的區(qū)域噪聲評(píng)估技術(shù)手段。進(jìn)一步地，三維交通噪聲地圖可有效分析和評(píng)估城市交通噪聲污染狀況，篩選出交通噪聲污染黑點(diǎn)，可為噪聲污染防控與治理提供技術(shù)支撐，并為交通噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備選點(diǎn)提供參考，最終有助于居民寧?kù)o社區(qū)的實(shí)現(xiàn)。

3三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的是使學(xué)生通過(guò)提前閱讀實(shí)驗(yàn)方案，基本掌握三維交通噪聲地圖的計(jì)算和渲染原理，然后在教師的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)下，通過(guò)ArcGIS軟件和城市道路交通噪聲虛擬仿真軟件，按照實(shí)驗(yàn)方案操作流程，最終實(shí)現(xiàn)城市道路三維交通噪聲地圖的繪制與展示。

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的城市道路交通噪聲模擬軟件由本教研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，其功能模塊主要有讀取數(shù)據(jù)、計(jì)算噪聲、地圖渲染、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分布計(jì)算，以及測(cè)量工具、噪聲查詢、質(zhì)量評(píng)估、噪聲黑點(diǎn)和搜索查詢等更具展示性的模塊。教師可根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求，指導(dǎo)學(xué)生熟悉并運(yùn)用相關(guān)的功能控件板塊，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)要求，有助于提高教學(xué)的趣味性，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)了理論、實(shí)踐到分析三個(gè)層次，具體分為基本原理、實(shí)驗(yàn)建模、數(shù)據(jù)分析三個(gè)教學(xué)模塊，如圖1所示。

第一模塊，夯實(shí)基礎(chǔ)理論知識(shí)，傳授學(xué)生相關(guān)基本概念和實(shí)驗(yàn)原理，潛心研讀式完成學(xué)生對(duì)知識(shí)體系的構(gòu)建。本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要涉及了聲學(xué)的基本知識(shí)、車(chē)輛噪聲、道路交通噪聲預(yù)測(cè)等知識(shí)點(diǎn)。首先，學(xué)生需要了解噪聲的定義、來(lái)源以及描述聲音特性的基本物理量，理解等效聲壓級(jí)是作為噪聲主觀評(píng)價(jià)、道路交通噪聲預(yù)測(cè)的重要方式。其次，學(xué)生要明白車(chē)輛行駛噪聲強(qiáng)度計(jì)算方式及影響因素，認(rèn)識(shí)到噪聲在傳播過(guò)程中會(huì)受到建筑物反射、地面、植被、空氣吸收等因素的影響，進(jìn)而領(lǐng)會(huì)大中小型車(chē)輛噪聲排放模型和噪聲傳播衰減模型的計(jì)算式形式。然后，學(xué)生應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到在道路交通噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算中，涉及路網(wǎng)、建筑物、噪聲源等大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及建筑物對(duì)噪聲存在復(fù)雜的反射、衍射作用，會(huì)導(dǎo)致噪聲計(jì)算復(fù)雜、緩慢等問(wèn)題，因而需要進(jìn)行算法優(yōu)化。最終，學(xué)生還需要理解噪聲計(jì)算結(jié)果是以空間點(diǎn)陣的形式存儲(chǔ)的，點(diǎn)陣中每一個(gè)點(diǎn)都有表示噪聲級(jí)的屬性，為了估計(jì)空間中任意一點(diǎn)的噪聲級(jí)，因此需要使用克里金插值方法對(duì)離散點(diǎn)陣的噪聲級(jí)進(jìn)行插值，并且將噪聲級(jí)區(qū)間映射到一個(gè)顏色區(qū)間中，將單點(diǎn)噪聲形成相應(yīng)顏色并顯示在相應(yīng)的空間位置，從而渲染出噪聲地圖。

第二模塊，理論與實(shí)踐相結(jié)合，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景虛擬仿真建模，層層遞進(jìn)式加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要涉及的知識(shí)點(diǎn)是道路交通噪聲預(yù)測(cè)、道路交通噪聲污染控制。學(xué)生通過(guò)改變“計(jì)算噪聲”模塊的參數(shù)，如車(chē)輛行駛速度、交通流量等，構(gòu)建“無(wú)降噪措施”“采取限速措施”“采取限行措施”“采取限速和限行措施”四個(gè)交通場(chǎng)景，并分別模擬計(jì)算出相應(yīng)的噪聲結(jié)果數(shù)據(jù)，并渲染成四幅噪聲地圖。此外，本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)允許學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，自主思考、自行設(shè)置并計(jì)算出其他交通場(chǎng)景下的噪聲地圖。本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有助于學(xué)生理解產(chǎn)生交通噪聲污染的機(jī)理和影響因素，了解控制道路交通噪聲污染的措施，掌握噪聲評(píng)估分析的技能，有利于提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

第三模塊，開(kāi)展自主數(shù)據(jù)分析，提供學(xué)生建議但不限制發(fā)散性思維，多元開(kāi)放式培養(yǎng)學(xué)生對(duì)研究的能動(dòng)性。本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要涉及的知識(shí)點(diǎn)是噪聲的主觀評(píng)價(jià)及噪聲容許標(biāo)準(zhǔn)、聲環(huán)境質(zhì)量影響評(píng)價(jià)內(nèi)容和方法。學(xué)生需要先學(xué)習(xí)噪聲污染指數(shù)、噪聲污染度、交通噪聲沖擊指數(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，再通過(guò)第二模塊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)開(kāi)展此模塊的數(shù)據(jù)分析工作，研究方向可以是區(qū)域噪聲水平、噪聲分布特點(diǎn)、降噪措施效果對(duì)比、噪聲暴露人群評(píng)估等。此外，還可以鼓勵(lì)學(xué)生自行查找相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行參考，不規(guī)定和限制研究方向，讓學(xué)生能夠能動(dòng)地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究和分析，并形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，有助于學(xué)生了解聲環(huán)境質(zhì)量影響評(píng)價(jià)的程序，掌握聲環(huán)境質(zhì)量影響評(píng)價(jià)技術(shù)與方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決環(huán)境問(wèn)題的能力。

學(xué)生在虛擬仿真軟件設(shè)置的環(huán)境中開(kāi)展交通噪聲計(jì)算和三維噪聲地圖繪制實(shí)驗(yàn)等關(guān)鍵步驟的操作：

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：城市道路交通噪聲模擬軟件（圖2）、聲圖計(jì)算目錄（“Atten”文件夾：存儲(chǔ)噪聲衰減項(xiàng)文件、“Config”：存儲(chǔ)計(jì)算所需的基礎(chǔ)參數(shù)文件、“Data”：存儲(chǔ)噪聲計(jì)算所需的原始數(shù)據(jù)、“Result”：存儲(chǔ)噪聲計(jì)算的結(jié)果文件）、路網(wǎng)的shapefile文件（該文件中的道路至少應(yīng)包含以下屬性：道路上大中小型車(chē)的車(chē)流量、速度，車(chē)道數(shù)，單車(chē)道寬度，路面材料等）、該路網(wǎng)中的建筑物shapefile文件（該文件中的建筑物至少包含以下屬性：建筑物高度、底面面積和輪廓）。

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）選定研究區(qū)域；（2）路網(wǎng)圖層和建筑物圖層數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：在路網(wǎng)圖層中編輯交通流參數(shù)字段信息，在建筑物圖層中編輯層高參數(shù)字段信息；（3）噪聲地圖計(jì)算：?jiǎn)?dòng)城市道路交通噪聲模擬軟件，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算噪聲；（4）噪聲地圖渲染：使用城市道路交通噪聲模擬軟件自帶的渲染功能渲染/使用Arc-GIS的渲染功能渲染（圖3）。

實(shí)驗(yàn)分析：撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)名稱、目的、過(guò)程、結(jié)果及分析總結(jié)。

4應(yīng)用建議

學(xué)生應(yīng)重視課前理論知識(shí)的預(yù)習(xí)，掌握相關(guān)基本概念和原理，夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)做鋪墊，循序漸進(jìn)、由淺入深地學(xué)習(xí)。

教師應(yīng)注重學(xué)生數(shù)學(xué)建模思維的培養(yǎng)，指導(dǎo)學(xué)生由現(xiàn)實(shí)物理世界總結(jié)推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，發(fā)掘聲音及其傳播特性和原理。

高校應(yīng)加大虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)投入，調(diào)研學(xué)生的仿真實(shí)驗(yàn)基本需求，滿足不同課程的虛擬仿真平臺(tái)定制化需求。為支撐學(xué)生完成各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，爭(zhēng)取做到平臺(tái)功能控件多樣，操作簡(jiǎn)便、直觀易懂。

盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)明顯，不受場(chǎng)地和設(shè)備限制，但也不能完全忽視實(shí)地調(diào)研的重要性。三維交通噪聲地圖經(jīng)虛擬仿真平臺(tái)繪制后仍需采集部分噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖校驗(yàn)。通過(guò)虛擬仿真和實(shí)地調(diào)研相結(jié)合的方式教學(xué)，更能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，三維交通噪聲地圖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)立足于交通環(huán)境專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，設(shè)計(jì)了三個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以求能更好地幫助學(xué)生理解抽象理論知識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的科研能動(dòng)性，掌握交通噪聲污染防治的基本理論與方法，為交通與環(huán)境管理部門(mén)提供相應(yīng)的技術(shù)支撐和人才力量，推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。*

通訊作者：蔡銘

基金項(xiàng)目：廣東省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目-中山大學(xué)交通工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

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