智能汽車新工科人才培養實踐教學體系探索

朱 冰， 趙 健， 高振海， 鄧偉文

（吉林大學汽車工程學院汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130022）

0 引 言

智能汽車是新一輪科技革命背景下的新興產業，集中運用了車輛工程、計算機、自動控制、信息與通信、神經與認知科學、數學和人工智能等技術，是典型的復合型新工科專業，同時也是未來所有汽車新技術集成的載體，代表著未來汽車技術的戰略制高點，對促進國家科技、經濟、安全以及綜合國力有著重大的意義，已經成為各國科技創新的必爭之地［1-3］。

隨著新技術井噴式爆發，智能汽車產業快速發展和人才匱乏之間的矛盾日益突出，培養具備創新能力、產業視角和實踐經驗的智能汽車專業創新型人才迫在眉睫［4］。為此，世界各國的高等教育機構均大力進行智能汽車新工科專業人才培養［5-6］；我國先后發布的《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》《高等學校人工智能創新行動計劃》《智能汽車創新發展戰略》等一系列政策文件中，均將完善智能汽車相關領域人才培養體系作為了重要工作內容。但是，我國智能汽車人才培養體系尚未完善，特別是當前工程教育依然深受科學范式與技術范式的影響，學生培養過于注重理論教學，而智能汽車存在概念抽象、專業理論強、難以理解等基本特征，其人才培養模式一定要兼顧創新思維和實踐能力，因此，實踐教學是智能汽車人才培養的核心［7-8］。探索新的教學手段和課程模式，建立智能汽車新工科人才培養實踐教學體系，推動多學科交叉復合型新工科專業建設已成為現階段汽車專業高等教育的迫切需求［9-10］。

本文充分利用學校汽車工程學院、汽車仿真與控制國家重點實驗室已有的教學、科研成果，設計智能汽車數字仿真教學平臺、硬件在環教學平臺以及實車教學平臺，構建智能汽車新工科人才培養“一心兩翼三平臺”實踐教學體系，以期探索形成卓越人才培養范式和最佳實踐。

1 “一心兩翼三平臺”實踐教學體系理念

新一輪科技革命和產業變革不斷深化，智能汽車已成為汽車產業發展的戰略方向，而人才缺口已成為制約其發展的瓶頸。有別于傳統工科教學，智能汽車專業人才培養具有如下新的特征：

（1）智能汽車是人工智能時代的產物，其人才培養要注重超越人工智能、體現人類特點的教學內涵和學習方式，要兼顧創新思維和實踐能力的協同發展，要從灌輸式教學向主動探究式學習轉變，更要著重強調知識、技術與道德修養和性格品質的聯合培養［11］。

（2）智能汽車是典型的高新技術集合體，其組成包括相機、雷達等種類繁多的傳感感知模塊以及決策規劃、集成控制、網聯通信等模塊，涉及機械、電子、控制、通信、計算機、人工智能等眾多學科，各組成部分特性各異，教學重點、方法均不盡相同，因此，學科交叉融合的模塊化教學體系已成為發展的必經之路［12］。

（3）智能汽車是典型的人-車-環境-任務強耦合系統，其行駛環境具有高度不確定性和不可窮盡性等特征，其駕駛任務和行駛狀態也動態多變、具有極強的動態隨機性，傳統的實車試驗方法已經無法滿足智能汽車開發測試需求，因此，數字仿真、硬件在環等虛擬仿真技術已成為智能汽車研發不可或缺的手段，這就要求智能汽車教學過程中也要融入相關的內容［13］。

基于以上特征分析，以學校首門智能汽車專業課程汽車智能化技術為載體，深入探索了新工科背景下復合人才培養模式，結合最新的科研前沿和學術成果，構建了智能汽車新工科人才培養“一心兩翼三平臺”實踐教學體系，如圖1所示。其中，“一心”是以培養智能汽車領域創新型人才為中心；“兩翼”是指培養德才兼備的智能汽車新工科人才應具備的硬實力和軟技能，“硬實力”是智能汽車理論學習、工程設計、應用實踐等技術實力，“軟技能”是堅定的理想信念、高尚的道德修養、健康的人格品質以及團隊合作、跨學科思維、創新意識等職業素養；“三平臺”是指構建了智能汽車實踐教學所需的數字仿真教學平臺、硬件在環教學平臺以及實車教學平臺。“一心”是智能汽車新工科建設的根本目的，“兩翼”是指導方向，而“三平臺”則是核心手段和主要建設對象。

圖1 “一心兩翼三平臺”實踐教學體系

“一心兩翼三平臺”實踐教學體系采用前沿技術引領的模塊化教學方式，可以有效地打破課堂與實踐的邊界，使工科教育回到以設計、實踐及綜合為核心的正確軌道上來，實現創新思維和實踐能力的協同發展，形成德才兼備、深度學科交叉的多層次人才全過程培養機制。

2 智能汽車新工科實踐教學平臺構建

利用學校汽車工程學院、汽車仿真與控制國家重點實驗室已有的教學、科研成果，分別構建用于智能汽車實踐教學的數字仿真教學平臺、硬件在環教學平臺以及實車教學平臺，將理論課程和實踐課程有機地聯系起來，增強課程模塊的整體性和系統性，形成智能汽車實踐教學平臺體系。

2.1 數字仿真教學平臺

數字仿真教學平臺能夠顯著增強學生的學習沉浸感、激發學習興趣［14］。團隊面向智能汽車專業教學需求，探索高效、高逼真度人-車-環境系統建模機理，創建了智能汽車數字仿真教學平臺，如圖2所示。數字仿真教學平臺包括車輛動力學模型、靜態環境模型、動態場景模型、毫米波雷達模型、激光雷達模型、相機模型、GPS模型以及典型自動駕駛算法模型，能夠進行虛擬環境下的智能汽車設計、開發與測試。

圖2 智能汽車數字仿真教學平臺

典型數字仿真設計實例如圖3所示，數字仿真試驗場景配置靈活、試驗重復性好、操作便捷，可以方便地利用數字仿真平臺培養智能汽車專業人才的理論應用能力［15］。

圖3 數字仿真設計實例

2.2 硬件在環教學平臺

硬件在環教學平臺是一種相對比較直觀、容易操作的新型教學工具，教學環節引入硬件在環實驗平臺可以有效提高學生的積極性以及教學質量［16］。團隊依托已有的科研成果，自主搭建了相機在環、雷達在環、控制執行系統在環和駕駛模擬器等完整的智能汽車硬件在環教學平臺體系，如圖4所示。硬件在環教學平臺支持學生自主開展智能汽車課程實踐，在安全的環境下實現智能汽車接近服役狀態的算法設計和功能測試，虛實結合完成課程的實踐教學，以點帶面，促進智能汽車新工科學生創新實踐能力與理論水平的綜合提升。

圖4 硬件在環教學平臺

2.3 實車教學平臺

實車教學平臺對于學生理解和掌握智能汽車理論知識至關重要，是連接智能汽車理論與實踐的關鍵。學生在學習的過程中，如果能夠親身體驗智能汽車實物并親自動手設計智能汽車，可以顯著提高學生的工程實踐能力。團隊除了利用已有的智能汽車試驗平臺，還與百度公司簽訂了戰略合作協議，引入百度Apollo自動駕駛開發套件，建立了自動駕駛實車教學平臺體系，如圖5所示。該平臺結構簡單、調整方便，學生可以零距離接觸全球最先進的人工智能科技，自主設計開發自動駕駛程序算法，并在此基礎上，進行創新設計。

圖5 實車教學平臺

3 實踐教學體系應用與成效

實踐教學是智能汽車新工科人才培養的關鍵，利用建立的實踐教學體系，汽車智能化技術課程改變傳統滿堂灌的知識傳授方式，形成了以學生為主體的啟發式、探究式、研究式教學方法，建立了“2＋1＋1”課程模式，即2個月的理論學習，此階段充分依托理論教學與數字仿真平臺展開，培訓學生基礎實、能力強的專業知識體系；1個月的半實踐內容學習，此階段依托硬件在環教學平臺展開，在培養學生專業知識體系的同時也引導學生對硬件在環平臺的使用；1個月的實踐內容學習，此階段充分依托實車教學平臺展開，學生將應用前期的理論學習成果開展實踐活動，自主設計智能汽車，將理論通過實車平臺進行“落地”。

經過智能汽車新工科實踐教學體系的培養，學生們基于數字仿真教學平臺、硬件在環教學平臺以及實車教學平臺積極開展理論、實踐學習，自身的理論學習、工程設計、應用實踐等“硬實力”以及團隊合作、跨學科思維、創新意識等“軟技能”得到了顯著提升。

圍繞智能汽車新工科實踐教學培養體系建設，團隊先后承擔各級教改項目6項；教學改革試驗課程汽車智能化技術開設7年以來，受益學生1 000余人；先后孵化大學生創新項目40余項，培育“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽項目30余項；本科生申請發明專利60余項，獲授權發明專利30余項；榮獲國家級二等獎3項、三等獎1項，省級特等獎1項、一等獎3項。

4 結 語

智能汽車新工科人才培養實踐教學體系建設是新一輪科技革命和產業變革的重大共性需求，是發展工程教育供給側改革的綜合體現。以我校首門智能汽車專業課程汽車智能化技術為載體，提出了“一心兩翼三平臺”智能汽車新工科人才培養實踐教學體系，自主建立了數字仿真、硬件在環和實車教學平臺，探索了“2＋1＋1”智能汽車人才培養模式，并取得了良好的實踐效果。