新工科背景下智能汽車實(shí)踐教學(xué)研究

張鵬

摘 要：智能汽車是跨學(xué)科交叉融合新工科，其學(xué)科建設(shè)與人才培養(yǎng)面臨巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。智能汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展與高素質(zhì)專業(yè)人才急需短缺之間矛盾日益突出，建立新工科智能汽車人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)亟待解決。以地方應(yīng)用型本科為載體，建立以項(xiàng)目案例為主導(dǎo)的智能汽車實(shí)踐教學(xué)框架體系，包含虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)和智能小車實(shí)踐教學(xué)相互融合，積極探索“1+1>2”的新工科人才培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：新工科 智能汽車 虛擬仿真 智能小車 實(shí)踐教學(xué)

1 引言

智能汽車是新一輪科技革命背景下的新興產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和人才匱乏之間的矛盾日益突出[1]。智能汽車交叉融合了傳統(tǒng)汽車、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息與通信、數(shù)學(xué)和人工智能等技術(shù)，是典型的復(fù)合型新工科專業(yè)。新工科課程建設(shè)以工程教育為核心，結(jié)合新理念、新模式、新內(nèi)容、新質(zhì)量、新方法作為教學(xué)內(nèi)容。在現(xiàn)有專業(yè)基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)革新教育方法與內(nèi)容以滿足新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟(jì)、新發(fā)展、新未來(lái)的高素質(zhì)人才需求。新工科專業(yè)人才培養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)具有較強(qiáng)行業(yè)背景、工程實(shí)踐能力、勝任行業(yè)發(fā)展所需的應(yīng)用型和技能型高素質(zhì)人才。

2 智能汽車實(shí)踐教學(xué)的背景分析

2.1智能汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

智能汽車是指車輛搭載先進(jìn)傳感器，高算力車載電腦，結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等多種新興技術(shù)，具有自動(dòng)駕駛功能，是全球汽車產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展方向。智能汽車的發(fā)展是汽車產(chǎn)業(yè)未來(lái)核心競(jìng)爭(zhēng)力體現(xiàn)，多元競(jìng)爭(zhēng)加速產(chǎn)業(yè)發(fā)展。自十四五規(guī)劃以來(lái)，隨著新能源汽車蓬勃發(fā)展，智能汽車是新能源汽車的核心競(jìng)爭(zhēng)力更是未來(lái)汽車的重要轉(zhuǎn)型。智能汽車在市場(chǎng)份額方面，預(yù)計(jì)2025年突破五千億產(chǎn)業(yè)規(guī)模。據(jù)工業(yè)和信息化部數(shù)據(jù)顯示，2022年國(guó)內(nèi)搭載輔助駕駛的智能汽車銷售七百萬(wàn)輛，國(guó)內(nèi)主流車企已實(shí)現(xiàn)乘用車L2級(jí)別智能駕駛大規(guī)模商業(yè)落地。從技術(shù)層面看，智能汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)L2高級(jí)輔助駕駛層級(jí)，并且正在突破技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)L3-L4級(jí)別智能自動(dòng)駕駛。大力支持智能汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有利于增強(qiáng)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有利于促進(jìn)國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)從汽車大國(guó)轉(zhuǎn)型汽車強(qiáng)國(guó)[2]。

我國(guó)智能汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)根源于中國(guó)特色社會(huì)主義國(guó)家政府管理體系，可以集中力量攻關(guān)難題。智能汽車產(chǎn)業(yè)是傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)與人工智能、信息通信、計(jì)算機(jī)芯片、大數(shù)據(jù)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)深度融合。在頂層規(guī)劃方面，支持智能汽車發(fā)展是國(guó)家和地方汽車產(chǎn)業(yè)重要發(fā)展方向。國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，部署重大戰(zhàn)略大力推進(jìn)智能汽車發(fā)展，爭(zhēng)取到2030年實(shí)現(xiàn)L4級(jí)別智能汽車大批量商業(yè)落地。智能汽車的發(fā)展離不開智慧道路的建設(shè)，2023年11月7日，國(guó)家四部委共同發(fā)文《關(guān)于開展智能網(wǎng)聯(lián)汽車準(zhǔn)入和上路通行試點(diǎn)工作的通知》，標(biāo)志我國(guó)智能汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展即將邁入新階段。

2.2 智能汽車產(chǎn)業(yè)人才需求

智能汽車產(chǎn)業(yè)正在向萬(wàn)億級(jí)產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展，產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的瓶頸在于相關(guān)專業(yè)人才的匱乏。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型，汽車行業(yè)人才需求也發(fā)生了巨大變革。汽車行業(yè)人才需求從傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)轉(zhuǎn)向汽車、計(jì)算機(jī)、人工智能、軟件開發(fā)等跨學(xué)科復(fù)合型人才。根據(jù)最新發(fā)布的《智能網(wǎng)聯(lián)汽車大學(xué)生人才現(xiàn)狀研究》顯示，預(yù)計(jì)到2025年國(guó)內(nèi)智能汽車人才缺口2.37萬(wàn)人，同一年國(guó)內(nèi)智能汽車相關(guān)專業(yè)高校本科生規(guī)模預(yù)估7300人，智能汽車相關(guān)專業(yè)高校畢業(yè)生人才缺口大。

智能汽車人才市場(chǎng)需求體量浩大，汽車專業(yè)相關(guān)人才面積巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。智能汽車是新興技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，人才需求跨多學(xué)科交叉復(fù)合。智能汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致急劇增長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)需求。智能汽車在開發(fā)和測(cè)試過(guò)程中需要大量高素質(zhì)應(yīng)用型人才，其中包括虛擬仿真開發(fā)和測(cè)試、硬件嵌入式開發(fā)和測(cè)試。應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)，需要密切關(guān)注產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和產(chǎn)業(yè)人才需求。

3 虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于“虛實(shí)結(jié)合”的智能汽車實(shí)踐教學(xué)主要由“一體兩翼雙平臺(tái)”組成。其中“一體”是指以培養(yǎng)智能汽車專業(yè)創(chuàng)新人才為主體，“兩翼”分別是指掌握充分扎實(shí)的理論知識(shí)和熟悉創(chuàng)新實(shí)踐應(yīng)用，“雙平臺(tái)”分別是指搭建智能汽車虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車實(shí)車驗(yàn)證實(shí)踐平臺(tái)。

由于智能網(wǎng)聯(lián)汽車知識(shí)體系相對(duì)復(fù)雜，如果采用傳統(tǒng)的“教師從上到下”的教學(xué)方式，學(xué)生很容易產(chǎn)生畏難情緒。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，采用“線上-線下”結(jié)合的混合式教學(xué)。通過(guò)案例教學(xué)，任務(wù)教學(xué)以及自由探索式教學(xué)，以學(xué)生為中心開展仿真實(shí)踐教學(xué)。通過(guò)仿真平臺(tái)學(xué)生可以更好的理解智能汽車的工作原理，可以從易到難逐步引導(dǎo)學(xué)生參與學(xué)習(xí)。虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)可以自由設(shè)定反復(fù)試錯(cuò)，通過(guò)仿真動(dòng)畫可以更直觀的看到智能車輛的運(yùn)動(dòng)邏輯。通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)，將智能汽車的“環(huán)境感知、算法決策、運(yùn)動(dòng)控制”等相關(guān)理論知識(shí)與工程實(shí)踐應(yīng)用有效融合。通過(guò)“從易到難的闖關(guān)式”教學(xué)模式，可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也會(huì)大大提高學(xué)生的自信心。通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)可以讓學(xué)生們直觀的接觸到實(shí)際工程應(yīng)用案例，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力[3]。虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)應(yīng)用范圍廣、使用成本低，重復(fù)試錯(cuò)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。智能小車實(shí)踐平臺(tái)更加直觀的反映學(xué)習(xí)成果，提高動(dòng)手實(shí)踐能力。虛實(shí)結(jié)合的智能汽車實(shí)踐教學(xué)方法，可以培養(yǎng)出智能汽車行業(yè)發(fā)展所需的高素質(zhì)專業(yè)人才。

3.1 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)圍繞智能汽車的關(guān)鍵技術(shù)建立了三大組成模塊，環(huán)境感知仿真實(shí)踐，規(guī)劃決策仿真實(shí)踐，車輛運(yùn)動(dòng)控制仿真實(shí)踐。虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)建立一個(gè)可視化操作界面，可以有效減少同學(xué)們對(duì)于智能汽車開發(fā)測(cè)試的畏難情緒。為了充分調(diào)動(dòng)同學(xué)們的參與興趣，設(shè)計(jì)出“線上線下混合式”，“小組探究式”，“項(xiàng)目主導(dǎo)式”等積極主動(dòng)的教學(xué)方法。該虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)可以促進(jìn)同學(xué)們“做中學(xué)”，為新工科背景下的汽車相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)提供新的模式和理念。

智能汽車虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)框架如圖1所示，該平臺(tái)主要由開發(fā)工具M(jìn)atlab/Simulink和汽車仿真軟件Prescan聯(lián)合組成。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，分為智能汽車導(dǎo)論、環(huán)境感知仿真實(shí)踐、規(guī)劃決策仿真實(shí)踐、車輛運(yùn)動(dòng)控制仿真實(shí)踐。以具體工程案例為教學(xué)情境，主要包括自動(dòng)泊車、車道保持、自適應(yīng)巡航、緊急制動(dòng)等智能汽車常見場(chǎng)景。通過(guò)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)生多學(xué)科交叉融合的動(dòng)手實(shí)踐能力，拓展創(chuàng)新思維。

3.2 智能車輛實(shí)踐教學(xué)

通過(guò)虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)可以系統(tǒng)的掌握智能汽車整體技術(shù)框架和技術(shù)要點(diǎn)。為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的直觀理解，提高學(xué)生的研究興趣培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力，需要將虛擬仿真內(nèi)容應(yīng)用到實(shí)際智能小車上。在智能汽車的工程實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)采用模型設(shè)計(jì)方法將仿真模型直接轉(zhuǎn)譯成C/C++或者Python等主流編譯語(yǔ)言，從而降低了智能汽車開發(fā)學(xué)校的復(fù)雜度。本項(xiàng)目研究的智能小車實(shí)踐平臺(tái)符合車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)滿足阿克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的等比例仿真車輛底盤。

設(shè)計(jì)智能小車時(shí)車輛底盤選擇仿真車模型，可以更加真實(shí)的模擬車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)車載傳感器的標(biāo)定，可以使車輛獲得環(huán)境位置信息。智能小車的控制算法使用Matlab/Simulink轉(zhuǎn)化成c語(yǔ)言或python語(yǔ)言，其模塊化編程可以降低設(shè)計(jì)者對(duì)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的要求，可以讓學(xué)生直觀的學(xué)習(xí)并且設(shè)計(jì)智能汽車輔助駕駛控制算法[4]。智能小車的硬件控制部分采用樹莓派（Raspberry Pi）微型電腦控制，Matlab/Simulink與樹莓派微型電腦具有良好的兼容性，學(xué)生可以將自主設(shè)計(jì)的智能小車運(yùn)動(dòng)控制算法移植到樹莓派微型電腦上，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向舵機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)智能小車的運(yùn)動(dòng)控制[5]。

4 智能汽車實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)體系

應(yīng)用型本科高校培養(yǎng)社會(huì)迫切需求的專業(yè)人才，助力產(chǎn)城融合共同發(fā)展。新工科背景下智能汽車實(shí)踐教學(xué)，體現(xiàn)應(yīng)用型高素質(zhì)人才培養(yǎng)要求，注重學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力與創(chuàng)新探索能力的培養(yǎng)。

4.1 傳統(tǒng)汽車實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)體系

應(yīng)用型本科院校汽車專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，專業(yè)核心課程包括《汽車構(gòu)造》、《汽車?yán)碚摗贰ⅰ镀囯娖髟O(shè)備》、《汽車電子控制技術(shù)》等。汽車實(shí)踐課程教學(xué)強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)踐，配合相應(yīng)理論課程相關(guān)知識(shí)內(nèi)容開展教學(xué)。實(shí)踐教學(xué)過(guò)程是應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，教學(xué)評(píng)價(jià)主要包括學(xué)生考勤、實(shí)踐報(bào)告、期末測(cè)評(píng)組成。傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)體系存在單一性和遲滯性，在教學(xué)的過(guò)程中主要由教師單向性傳輸學(xué)習(xí)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)無(wú)法及時(shí)反饋到教學(xué)過(guò)程中。由于教學(xué)評(píng)價(jià)的遲滯性，不利于達(dá)到預(yù)定的培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)目標(biāo)。

4.2 以項(xiàng)目為主導(dǎo)的實(shí)踐教學(xué)體系

實(shí)踐教學(xué)根本目的是為了服務(wù)理論教學(xué)，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力。智能汽車多學(xué)科交叉融合，存在概念抽象、專業(yè)理論強(qiáng)、知識(shí)跨度大等難題。智能汽車人才培養(yǎng)重視理論教學(xué)的同時(shí)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，兼顧學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)。智能汽車技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)更新迭代周期短，需要探索新的實(shí)踐教學(xué)手段和教學(xué)評(píng)價(jià)體系。

以項(xiàng)目為主導(dǎo)的實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)體系主要分為兩部分，一方面包括對(duì)實(shí)踐教師的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點(diǎn)、教學(xué)過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)反饋，另一方面包括對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的具體化評(píng)價(jià)。實(shí)踐教學(xué)具體項(xiàng)目案例以工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，包含學(xué)科前沿技術(shù)。教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)重點(diǎn)緊跟學(xué)科發(fā)展方向與產(chǎn)業(yè)需求，培養(yǎng)智能汽車產(chǎn)業(yè)急需的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生以小組團(tuán)隊(duì)的形式參與制定好的項(xiàng)目案例。通過(guò)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)部分，讓學(xué)生團(tuán)隊(duì)完成項(xiàng)目案例的仿真演練，可以有效提高教學(xué)效率和教學(xué)成本。在智能小車實(shí)車驗(yàn)證部分，可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。通過(guò)智能汽車的實(shí)車驗(yàn)證，可以直觀的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以將仿真內(nèi)容實(shí)踐落地。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，對(duì)學(xué)生的考核主要包括學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)效果四大部分。教學(xué)評(píng)價(jià)及時(shí)反饋到實(shí)踐教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”與“學(xué)中做”充分融合。

5 總結(jié)

智能汽車實(shí)踐教學(xué)是新工科專業(yè)人才培養(yǎng)至關(guān)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程，理論知識(shí)與工程案例相互結(jié)合，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用人才的工程素養(yǎng)。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程評(píng)價(jià)中，要充分注重學(xué)習(xí)過(guò)程考核評(píng)價(jià)，促使達(dá)到一個(gè)良好的教學(xué)成果。結(jié)合實(shí)際工程案例，以小組團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式完成相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容，分階段匯報(bào)展示學(xué)習(xí)成果。實(shí)踐指導(dǎo)教師分小組指導(dǎo)，可以即時(shí)關(guān)注到小組學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)狀態(tài)并加以記錄。在期末考核評(píng)價(jià)中分為學(xué)生互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)，小組同學(xué)相互為團(tuán)隊(duì)成員點(diǎn)評(píng)，指導(dǎo)教師結(jié)合學(xué)習(xí)過(guò)程和期末考核對(duì)小組同學(xué)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。通過(guò)多維度教學(xué)評(píng)價(jià)體系，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，學(xué)習(xí)結(jié)果與學(xué)習(xí)過(guò)程相互兼重。綜上所述，“虛實(shí)結(jié)合”的智能汽車實(shí)踐教學(xué)，是新工科背景下應(yīng)用型本科高校專業(yè)人才培養(yǎng)的一種積極探索。以項(xiàng)目為主導(dǎo)，融入前沿工程案例，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新思維。

項(xiàng)目基金：寧波工程學(xué)院高教研究立項(xiàng)課題“新工科背景下智能汽車虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2023NGGJA03）。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱冰，趙健，高振海，等.智能汽車新工科人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究索，2021，40（06）：172-175.

[2]胡翼，侯獻(xiàn)軍，袁曉紅.面向新工科的汽車虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心探索與實(shí)踐[J].黑龍江教育：理論與實(shí)踐， 2022（10）：90-92.

[3]劉振峰，郭為忠.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程資源設(shè)計(jì)及教學(xué)過(guò)程的改革與探索——以上海交通大學(xué)“設(shè)計(jì)與制造Ⅱ”課程為例[J].教育理論與實(shí)踐， 2022， 42（9）：4.

[4]夏利紅，楊智宇，王旭東.智能車輛專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的探索與思考[J].科技與創(chuàng)新， 2022（1）：1-3.

[5]周辰華.基于核心素養(yǎng)的“四維結(jié)構(gòu)”課堂教學(xué)模型的實(shí)踐研究[J].教育理論與實(shí)踐，2023，43（29）：61-64.