《智能座艙應用技術》課程實操實訓教學方法探究

摘 要：文章從國內中高職、本科院校“新能源汽車技術”專業、“汽車智能技術”專業、“智能網聯汽車技術專業”、“智能車輛工程技術”專業等各類汽車專業，在開設《智能座艙應用技術》課程時，課程實操實訓環節普遍遇到的缺乏實訓設備的現實問題出發，重點探討了根據課程教學目標和知識核心，利用電腦編程來實現對本課程核心知識的實操實訓，完成本課程核心章節理論知識和實操實訓的有效統一，為后續各大汽車院校類似課程實操實訓提供了有價值的參考。

關鍵詞：課程 實操實訓 教學方法

Exploration of Teaching Methods for Practical Operations and Training during the Course of “Intelligent Cockpit Application Technology”

Liu Jie

Abstract：The paper is based on the practical problem of lacking practical training equipment during the experimental and practical training courses of “intelligent cockpit application technology” and similar curriculums， which are opened by the major in “New Energy Vehicle Technology”， “Automotive Intelligent Technology”， “Intelligent Connected Vehicle Technology”， “Intelligent Vehicle Engineering Technology” etc. offered by the domestic vocational and undergraduate colleges. This paper focuses on exploring the practical training of using computer programming to simulate the core knowledge of this course， and complete the effective integration of theoretical knowledge and practical training in the core knowledge section of this course; At last this article provides a valuable reference to design the practical operations and training for the colleges and universities.

Key words：courses， practical training， teaching methods

1 引言

1.1 《智能座艙應用技術》課程開設的現實意義

教育要面向現代化，面向世界，面向未來。現代汽車向著電動化、網聯化、智能化的方向發展，客觀上要求我國中高職及本科汽車專業的人才教育要從電動化進一步向智能化方向轉型升級。目前，汽車的智能化向著智能駕駛和智能座艙兩個方向發展，而智能座艙技術上是較智能駕駛更成熟，應用也更廣泛，也是近期國內外眾多車廠紛紛布局的重點領域。畢馬威中國發布的《2023聚焦電動化下半場智能座艙白皮書》表明，智能座艙已經成為中國消費者購車的關鍵考慮因素，其中88%的中國用戶在購車時將智能座艙配置納入考量中，61%以上的用戶對智能座艙內的增值功能有付費意向。從整體市場規模來看，2019-2022年，中國智能座艙滲透率直線上升，2021年智能座艙滲透率已超50%。ICVTank數據顯示，我國智能座艙市場規模呈現逐年平穩遞增的趨勢。

在教育教學上，由于學生對《智能座艙應用技術》課程涉及到的技術并不陌生，比如課程核心知識的智能座艙的人機交互系統在平時生活中經常接觸，就非常容易理解。根據知識的遷移性原理，該課程很適合做廣大中高職院校傳統汽車專業及新能源汽車專業的智能網聯的啟蒙教學；通過對課程涉及知識背后的原理進行挖掘深入，也非常適配智能汽車的相關專業的專業教學。

1.2 國內中高職本科院校開設《智能座艙應用技術》課程需求現狀

《智能座艙應用技術》課程采是智能汽車專業方向的基礎課程，也是必修課程。智能汽車專業方向主要包括兩個專業：“智能網聯汽車技術”及“汽車智能技術”。全國職業院校專業設置管理與公共信息服務平臺公布了2023年高等職業學校擬招生專業設置的備案結果，其中開設“智能網聯汽車技術”專業的高校共有210所，較2022年增加66所；2022年較2021年又新增加93個專業點，新增加專業數量由2021年的第15位躍居到第2位，可見該專業方向的增長勢頭之猛。智能網聯汽車專業方向近4年發展趨勢詳見表1。

《智能座艙應用技術》課程也是“汽車檢測與維修技術”、“汽車技術服務與營銷”、“汽車電子技術”和“新能源汽車檢測與維修技術”專業，為培養學生面向智能汽車增量市場而開設的專業拓展課程。截止到2023年，開設“汽車檢測與維修技術”專業高等院校有701所，開設“汽車技術服務與營銷”324所，“汽車電子技術”專業135所，開設“新能源汽車技術專業”132所。近4年各個專業開設院校數量詳見表2（數據來源于：全國職業院校專業設置管理與公共信息服務平臺）。

從表1和表2可以得出，傳統汽車專業的招生院校在逐步萎縮，而新能源汽車專業在穩步增長，“智能網聯汽車技術”專業的開設院校在爆發式增長，這說明各大汽車招生院校在積極調整招生專業，以適應就業市場的快速變化。

2 課程實操實訓教學遇到的問題

在職業教育中，實操實訓占據在教學環節中重要的地位，是培養學生實踐能力和創新競賽的重要手段，是提高學生綜合素質的關鍵環節[1]。2019年6月18日，在教育部網站公布的《關于職業院校專業人才培養方案制訂與實施工作的指導意見》中，明確規定“實踐性教學學時原則上占總學時數50%以上”；2021年1月29日，在教育部辦公廳印發《本科層次職業教育專業設置管理辦法（試行）》中，明確規定實踐教學課時占總課時的比例不低于50%。目前《智能座艙應用技術》課程在實際實操實訓教學環節中遇到的主要問題有：

2.1 師資力量相對薄弱

《智能座艙應用技術》課程是隨著智能汽車專業發展而誕生的一門新興課程，全國開課院校的授課時間在兩年左右。具備智能座艙知識儲備能夠進行授課的師資人員非常稀缺，課程配套實操實訓教師就更稀缺了，因此授課教師一般兼任實操實訓教師。隨著汽車專業的高校向著智能汽車方向的轉型，越來越多的高校授課教師需要接受繼續教育，進行智能座艙知識的專業培訓才能上崗。

2.2 實訓指導教材的缺乏及實操實訓設備的缺乏

《智能座艙應用技術》課程教學資源稀缺，市場上適合教學的教材非常少，其中涉及到實操實訓的教材僅有機械出版社的《智能網聯汽車智能座艙系統測試裝調》。該書的實操環節是建立在智能座艙實訓小車平臺的基礎上。而現實問題是，絕大多數開設該課程的汽車院校，因為經費問題，并未采購該教學實操實訓設備；因此該教材所涉及到的實操實訓環節在實際教學中不能實現。眾多高校建立智能座艙實操實訓基地和采購實訓設備尚需時日。因此，對于眾多汽車高校，如何在現有硬件設施的條件下，有效保障該課程實操實訓的開展是一個非常棘手的問題。

2.3 沒有合適的校外實踐教學基地

因《智能座艙應用技術》課程是一門新興課程，各大高校校外實踐教學基地的開展工作也是剛剛起步，具備該課程實操實訓條件的課外實踐教學基地全國范圍內屈指可數，且多是收費較為高昂的教育服務機構。校外實踐教學基地的拓展任重而道遠。

3 課程實操實訓教學方法對策探究

3.1 課程教學內容核心

智能駕駛艙的核心是人機交互界面，這個界面可以將車輛周圍的信息以圖形化和可視化的方式呈現給駕駛員，包括路況、車速、車輛位置等信息。這些信息可以通過語音識別、手勢識別、眼動追蹤等方式來獲取。通過這種方式，駕駛員可以更加方便地控制車輛，同時也可以更加安全地行駛[2]。《智能座艙應用技術》課程教學課程教學的核心是人機交互系統（HMI，Human Machine Interaction），包括車載語音交互系統、手勢交互系統、觸控交互系統、人臉識別（FR，Face Recognition）、駕駛員監控系統（DMS，Driver Monitor System的縮寫）、全息交互系統、多模態人機交互系統、抬頭顯示系統（HUD）等。

其中該課程涉及到實操實訓的環節主要是人機交互系統，包括車載語音交互系統、手勢交互系統、觸控交互系統、駕駛員監控系統、抬頭顯示系統。

3.2 人機交互系統的技術背景

智能駕駛艙人機交互系統的語音交互、手勢識別、觸摸操控、視覺分析等多模態交互技術本質上依賴于深度學習算法。智能座艙關聯到的算法基本上囊括了機器學習、計算機視覺及語音等各個方面。以計算機視覺為例，檢測、分類、分割、人臉關鍵點、人體骨架、人臉識別、行為識別、3D視覺等相關領域均有涉及[3]。智能座艙人機交互是在依托各類傳感器（包括攝像頭）、計算芯片、屏幕等硬件基礎上，在座艙操作系統基礎上嵌入人機交互算法來實現各種交互技術。

3.3 借助電腦上位機編程進行實操實訓

根據3.2所述中人機交互技術背景，本課程的實操實訓環節完全可以借助多媒體教室的電腦來實現。電腦屏幕相當于智能座艙的車載大屏；電腦芯片相當于智能座艙算法計算芯片；在電腦上安裝車載操作系統來模擬實車操作系統，比如可以安裝Ubuntu操作系統；而智能座艙核心算法的實現可以通過借助Python編程軟件來實現。因各大中職、高職及本科院校都具備在多媒體教室開展實訓仿真的條件，因此通過對現有教學硬件設備稍微的軟件升級改裝，就可以進行本課程的實操實訓教學，讓學生在本質上理解智能座艙背后的深層原理和邏輯。

3.4 基于Python編程+Mediapipe深度學習算法實現對智能座艙車載手勢交互系統的實操實訓案例

駕駛者在操作中控屏幕或者按鈕容易發生事故，手勢識別可有效降低駕駛潛在風險，提高人機交互體驗；同時手勢控制可以令駕駛者使用手勢組合，從而讓車主更加快捷地實現各種操作，比傳統的汽車中控按鍵更便捷。手勢識別技術是通過車載攝像機將手掌、手指各關節的方位、角度等信息輸入車載芯片經過算法分析轉化為機器可理解的語言，實現了人機交互。

手勢識別算法流程是首先通過攝像頭獲取RGB（紅、綠、藍）原始圖像，然后在獲取到的圖像中進行手勢分割，得到手部區域。接著在此基礎上進行手勢分析，分析手勢特征，最后通過識別算法實現手勢識別。在此流程中，手勢分割（圖1）以及手勢識別是關鍵技術。

MediaPipe手勢模塊框架由3個模型組成的，包括：手掌識別模型BlazePalm（用于識別手的整體框架和方向）、Landmark模型（識別立體手部節點）、手勢識別模型（將識別到的節點分類成一系列手勢），具體可通過構建21個關鍵點的3D坐標來完成手勢跟蹤檢測，如圖2和3所示。

3.5 其他人機交互系統實操實訓

與手勢交互系統類似，車載語音交互系統、觸控交互系統、人臉識別、駕駛員監控系統等課程內容的實操實訓都可以借助Python編程+相應的深度學習算法來實現。例如Python編程+OpenCV算法可以實現人臉識別交互技術；借助OpenCV+Mediapipe算法可實現駕駛員監控系統實操實訓等；借助python 的語音識別應用程序接口（API：Application Program Interface）可調用相關應用程序來實現語音識別等。

4 結語

本文從《智能座艙應用技術》課程對于我國各大汽車院校向智能網聯化轉型升級中扮演的重要角色出發，指出了該課程在實操實訓教學環節中目前遇到的客觀問題，并探討了具體的可實施的對策。該對策立足于各大汽車院校教學實際條件，通過轉變教學思路來解決問題，為我國智能網聯汽車專業課程實操實訓環節設計提供了一個有意義的參考。

基金項目：中山職業技術學院校級精品在線開放課程（項目立項名稱：汽車智能座艙系統與應用）。

參考文獻：

[1]蔣繼平.《實踐教學在高職教育中的重要作用》[J].職業教育（月刊）.2007年第5期下半月

[2]《智能駕駛艙的核心是人機交互界面》[N].北斗資訊平臺.2023年6月21日．

[3]楊聰.《智能座艙開發與實踐》[M].北京：機械工業出版社.2022年2月.第165頁.