新時代智能汽車技術課程教學改革探究

張志清，譚東麗

（廣西科技大學 機械與汽車工程學院，廣西柳州 545006）

智能汽車技術是科技創新的重要產物，是集汽車電子信息化與智能化、集成控制、雷達、人工智能等系統研究于一體的車輛工程專業選修課程[1]。智能汽車技術所涉及的知識體系和應用范圍遠遠超過傳統汽車領域，是人工智能技術應用的重要載體及場景，同樣也是“汽車+互聯網+人工智能”的產物[2]。通過該課程的學習，使學生具有跨學科專業背景，并初步掌握電子信息、智能汽車環境感知、規劃決策、自動控制、軟件建模仿真等方面的專業知識；培養學生智能汽車技術的研究、開發、設計與應用等方面的能力，以適應未來汽車產業發展趨勢。

目前，廣西科技大學新增設專業選修課程——智能網聯汽車技術，共32 個課時。該課程主要以理論教學為主，實踐教學環節相對較薄弱。然而，智能汽車技術內容涵蓋廣泛，包括計算機、電子、信息、自動控制、人工智能、機械、交通、管理學等多個學科領域。相比其他課程，該課程知識點多而且復雜，理論與實踐結合不夠緊密，這也導致學生感覺學習內容枯燥，學習興趣不高，課堂教學效果不明顯[3]。此外，該課程較偏重算法、控制理論，數學基礎薄弱的學生學習難度較大。因此，在有限的教學時間內提高學生的主觀能動性，使其盡快掌握智能汽車技術知識和技能，是目前該課程需要解決的緊迫問題[4]。

1 課程建設與探索

1.1 采用線上線下混合式教學形式

2018 年10 月，教育部印發《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》（以下簡稱“新時代高教40 條”），制定實施“六卓越一拔尖”計劃2.0[5]。相關研究表明，未來幾年混合式教學模式將是高等教育教學重要發展趨勢之一[6]。在線教學有很多優點，比如授課不受時空限制，學生可以隨時隨地用手機或者電腦打開智慧教學軟件（直播平臺）進行線上學習[7]。此外，學生針對課堂上未聽懂的內容，課后可以多次回放教師的錄播課程進行學習。然而，隨著線上教學的推行也產生一些問題，如教師難以實時掌控學生的學習狀態，師生有效互動效果不明顯、交流少，教師很難確定學生是否一直在線認真聽課等。線上線下混合式教學可以有效解決上述問題。

本課程在進行混合式教學設計時根據學生學情、學習能力等差異，設計了基本知識、實踐綜合運用、智能汽車發展現狀、相關科學研究的熱點與前沿及未來行業發展等核心內容。目前，國內外在本領域領先者為華為、特斯拉、Waymo、百度、圖森未來等大企業，課程可以介紹各大企業在先進自動駕駛技術方面的特點和優勢。為了克服本課程內容多、難度大、理論強、實踐難的特點，以學生為中心，充分發揮教師的主導作用，引導學生主動學習，激發學生作為學習主體的主動性。同時，教師應提煉知識點，使知識模塊化，提供相應的課程教學視頻、教學課件以及其他類型的多媒體教學資源，以調動學生參與課堂的積極性[8]。整個教學過程緊扣課前、課中、課后三個環節，包括課前線上預習（查閱相關文獻，觀看相關視頻，完成相應預習測試，進行難點探討）、課中研討（傳統教授、課堂測試、翻轉課堂、分組討論匯報和總結）、課后鞏固（課后作業及線上答疑）。

根據智能汽車運行邏輯：首先，駕駛員通過智能汽車的感知技術和定位技術對環境和其他汽車感知，利用無線技術反饋給駕駛員并啟動決策規劃技術；其次，根據實際環境確定路徑規劃，加速、減速等行為規劃；最后，通過集成控制技術實現驅動、制動、轉向等具體的控制[2]。因此，本課程線上教學將從以下4 個模塊進行理論講述，如圖1 所示。

圖1 經典智能汽車技術架構圖

第一部分：環境感知技術。這部分內容包括感知技術和定位技術。感知技術主要介紹視覺傳感器、毫米波雷達、激光雷達等各種傳感器對周圍環境進行數據采集與信息處理，獲取本車行駛環境狀況。通過分析各類傳感器的優勢與劣勢，分析得出感知層采用多傳感器融合技術為最優，有利于提升汽車環境感知系統的魯棒性。定位技術主要介紹三種常見定位原理：一是通過網絡輔助或差分增強的全球衛星定位系統（GPS）技術；二是GPS 與其他傳感器進行數據融合繼而形成定位系統；三是通過信標或地圖匹配原理進行定位。

第二部分：決策規劃技術。智能汽車的決策規劃技術猶如人的大腦，是智能汽車的控制中樞。主要介紹上層——全局軌跡規劃，中層——行駛行為決策，下層——局部軌跡規劃三個部分。了解通過車輛的定位技術來進行全局軌跡規劃，熟知通過駕駛行為來完成全局軌跡規劃（一個周期一般為幾十秒到幾分鐘），綜合考慮車輛的各種性能指標（包括局部路徑規劃和局部速度規劃，規劃周期一般為秒級），決策出最優的軌跡。

第三部分：集成控制技術。這部分則根據決策規劃技術對車輛的行進路徑和速度跟隨做出最優軌跡規劃。理解控制車輛側向運動和縱向運動的本質以實現期望軌跡（決策出的最優軌跡）與實際軌跡相差盡可能小。利用車輛動力學控制、力優化控制分配和執行器優化控制分配，實現智能汽車的驅動控制、制動控制和轉向控制。介紹兩種常見控制技術：最優預瞄的軌跡跟隨控制結束、基于模型預測控制理論的軌跡跟隨控制技術。

第四部分：測試評價技術。了解測試評價技術對智能汽車技術提高的重要性，及其在現實中的應用。了解傳統汽車測試評價與智能汽車測試評價的差異，比如評價對象的改變，由傳統的人、車二元獨立系統轉變為智能汽車的人—車—環境—任務強耦合系統。一般測試內容包括模型在環測試、軟件在環測試、駕駛模擬器測試、硬件在環測試、車輛在環測試、封閉試驗場測試和公共道路測試等。隨著測試任務與場景的不同，評價維度各不相同。一般有數字仿真測試評價、硬件在環測試評價、車輛在環測試評價、封閉試驗場測試評價和公共道路測試評價等。

1.2 智能汽車技術課程思政元素的融入

使專業課程與課程思政同向而行，才能更好地實現協同育人效應，達到立德樹人的目的[9]。高校肩負著為社會主義建設培養理想堅定、專業技術過硬的高層次人才的重擔，應深化該課程的教學目標、內容、模式等方面的改革，融合專業教育與思政教育，促進學生全面發展[10]。因此，高校教師在傳授專業知識的同時還需引導學生樹立正確的“三觀”，不斷挖掘專業教學過程中的課程思政元素，以實現“潤物細無聲”的教育效果。專業課程的思政教育需建立在專業知識的基礎上，學生通過線上、線下的方式進行學習。

針對線上教學，課題組將收集的優秀課程思政案例或者錄制的視頻等上傳騰訊課堂、雨課堂等線上網絡平臺，供學生學習。如偉大的科學家錢學森、“中國通信界元勛” 張煦院士等優秀人物事跡；又如華為5G網絡技術的發展、比亞迪的成長、中國北斗導航系統的建設等，都可以上傳網絡學習平臺[11]，學生可以隨時隨地開展學習。線下學習主要討論知識中的重點和難點。教師通過課堂講授、組織實地參觀、視頻資料播放等多種形式相結合將思政元素融入智能汽車技術課程的教學過程。課題組結合智能化汽車技術的知識點模塊，分析提煉該課程知識點的思政元素。思政案例的教學主要采用小組討論的形式進行，教師根據小組討論的情況和學生撰寫的思政心得體會進行考核，考核結果計入總評成績。

因此，混合式教學模式可以很好地解決課程單一、地域限制、課時較少等問題，并充分以視頻、動畫或圖片等多種形式展示思政內容中的典型人物事跡或工程案例。

1.3 智能汽車自動駕駛數字仿真教學平臺

在授課過程中，由于注重智能汽車技術的理論教學，內容較多，實踐環節較為缺乏，教師即使在教室授課時舉例，也往往停留于介紹層面[12]。因此，如果在實踐教學環節增加數字仿真平臺的教學設計，就可以有效解決上述問題。廣西科技大學現已建設了一款以物理模型為基礎的教學平臺，該教學平臺可以對汽車ADAS 自動駕駛進行仿真，主要基于攝像頭、激光雷達、毫米波雷達、GPS 等多種傳感器開展自動駕駛性能設計、開發及仿真測試軟件；還可以根據需要搭建路網模型模擬駕駛環境（環境、天氣、交通、道路）、交通參照物（行人、車輛、障礙物等）、環境傳感（雷達、無線通信、GPS、攝像機等）和行駛工況（碰撞、自動泊車、ACC 等）。此外，還支持與Matlab/Simulink 聯合無縫仿真，即以拖拽方式添加傳感器，設置內外參數進行建模，并通過Matlab/Simulink 來加載算法。

在教學過程中，學生可以在平臺自主構建和設計實車模型，并設置他車、行人、障礙物等，開展模擬仿真訓練。這樣學生不僅可以身臨其境般地體驗智能汽車的自動導航性能，而且可以更好地熟悉智能汽車規避障礙的工作原理和理解智能汽車技術的決策層面與控制層面的工作原理。同時，在教學過程中教師可以搭建智能汽車自動駕駛傳感器實驗模塊，并指導學生對采集的數據進行處理和分析，有利于加深學生對GPS、毫米波雷達、激光雷達等多傳感器工作原理的理解。綜上所述，數字仿真模擬平臺可以創造實訓環境，學生可以利用人機交互技術建立的實訓系統快速地熟悉智能汽車的駕駛技術。同時，虛擬系統可以避免在現實環境中操作失誤產生的不利后果，不僅節省了財力和物力，而且提高了學生的學習效率。

1.4 融合智能汽車大賽與大學生創新創業項目

2022 年9 月，在第十七屆全國大學生智能汽車競賽全國總決賽中，廣西科技大學取得較好成績，“腿長蹬三輪”隊榮獲全國多車編隊組二等獎。目前廣西科技大學有葉燕帥、徐光香、鄭特等一批優秀的指導教師。全國大學生智能汽車競賽體現了參賽學校專業培養的質量[13]。因此，建議將競賽內容融入車輛工程本科生的智能汽車技術課程的課堂教學，讓該專業所有本科生都能接觸到大賽內容，并因此受益。在教學設計時可考慮把技能競賽的標準及內容融入教學過程，賽教融合，以賽促教、促學、促評。

此外，在課外，建議融合大學生創新創業項目、科研訓練等內容，以線上學習為主導，引導車輛專業的學生利用本課程所學知識和有關智能汽車技術的設想，積極參與申報智能汽車技術方面的科研項目、專業社會實踐等活動。通過申報和實施大學生創新創業項目，不僅有利于鍛煉學生的科學研究思維，也有利于提升學生的創新創業實踐能力。

2 結語

本文通過對智能汽車技術課程特點和該課程在教學過程中所存在的難題進行剖析，提出了線上線下混合教學”、融入課程思政、搭建智能汽車自動駕駛數字仿真教學平臺、融合智能汽車大賽與大學生創新創業項目等改革措施，以提高教學質量和教學效果，充分貫徹“以學生為中心”的教學理念，讓學生在有限課時內獲得更全面的智能汽車技術知識與實踐能力。該教學改革不僅提升了學生收集、閱讀與處理文獻的能力，也激發了學生的學習興趣，培養了學生的科研思維、創新思維及意識等，符合當前新時代課程教學改革的要求。