虛實融合的智能車輛工程實踐教學體系探索

關鍵詞：實踐教學體系；虛實融合；智能車輛工程

0引言

目前，國內主要汽車企業已經開始在量產車型上裝配L2-L3級輔助駕駛系統產品，環境感知、車載網絡、通信技術等核心領域的零部件紛紛取得國產化突破。隨著汽車行業對智能技術需求的快速發展，對智能車輛環境感知、決策技術和控制執行等領域人才的需求也快速增長，我國智能網聯汽車人才和實際需求相比，存在嚴重缺口，行業的發展對智能車輛專業人才的需求和培養提出了新的要求[1-2]。

智能車輛工程專業是集車輛工程、人工智能、計算機、通信和電子控制等多學科交叉的“新工科專業”，帶有鮮明的學科交叉融合的特點。隨著新工科、工程教育專業認證、卓越工程師等工科高等教育改革的持續推進，社會對工科畢業生的認知能力、實踐能力創新意識等工程素養也提出了較高的要求。智能車輛工程專業的實踐環節不僅包含了汽車安全相關的實際很難完成的校內實踐環節，也包括了對虛擬仿真依賴性比較大的控制類實踐環節，虛實融合技術可以保證在智能算法的訓練、智能汽車測試評價等實踐環節實現高效、高質以及低成本。

因此，構建虛實融合的實踐教學體系，引導學生自主學習、主動實踐、追求創新，滿足培養具有科技創新、自主學習、工程實踐等能力的復合型工科類人才的培養需求。虛實融合的沉浸式工科實踐教學模式，通過數字孿生技術，搭建實際實驗室與虛擬實驗室的平臺，采用虛實融合的模式開展沉浸式實踐教學。沉浸式教學最大的優勢在于能夠較好地提高學生的學習積極性、主動性，使學生由“淺層學習”向“深度學習”過渡。

1智能車輛工程專業建設遇到的問題

1.1智能車輛工程專業實踐教學現狀

智能車輛工程專業，是基于汽車技術和產業大變革所帶來的對智能網聯汽車人才需求背景下而申請設置的，具有多學科交叉融合特點的“新工科專業”。沈陽理工大學智能車輛工程專業圍繞智能汽車“四化”領域（動力電氣化、駕駛智能化、交通網聯化、共享化），以智能汽車產業及汽車相關產業人才需求為導向，培養能夠綜合運用數理基礎知識，以及交通環境與感知、路徑規劃與決策、人工智能與控制執行和汽車結構與原理等專業知識與應用能力的人才。該專業能夠解決智能車輛工程領域機械、電子、控制、信息等多學科交叉的復雜工程問題。該專業非常注重在職業道德、終身學習能力、溝通交流能力、團隊合作能力、創新創業意識以及一定的國際視野等方面對學生的教育培養。

當前，智能車輛工程專業在我國各個高校的建設剛剛起步，但是已經有部分學者開始圍繞專業建設和課程教學等實踐教學相關領域開展研究。楊智宇等指出智能車輛工程作為新設的新工科專業，需要搭建適應時代發展的新課程體系[3]。夏利紅等提出了一種基于智能網聯汽車虛擬仿真實訓平臺的“教、學、做”理實一體化教學模式，為智能網聯汽車背景下的車輛工程專業的實踐教學和創新型人才培養提供一種新的模式和理念[4]。李昊等[5]指出智能網聯車輛方向人才培養體系建設的核心是圍繞汽車“新四化”過程中的復雜工程問題而展開，通過把教學實驗平臺、科研平臺以及校企基地聯合，為學生挖掘工程實際緊密結合的復雜真實案例作為項目教學的載體，項目的實施遵循從“微”到“綜”的認知規律和能力提升邏輯，項目實施過程中強調了虛實融合的重要性，在智能網聯人才的培養方面取得了顯著的效果。李祎承等[6]針對智能網聯課程的特點，提出了具體的課程改革方案，強調理實一體化的重要性。張建恒[7]等從工程訓練課程角度，提出了遞進式智能車輛工程專業實踐教學體系，強調了實踐環節對人才培養的重要性。

目前，雖然不少學者在虛實融合實踐教學體系方面做了很多研究，為本文提供了思路[8-9]，但是針對智能車輛應用型人才能力的培養的實踐體系研究的較少。

1.2智能車輛工程專業實踐教學建設面臨的問題

作為新工科專業，智能車輛工程專業的培養規格、培養目標、知識體系和核心課程，國家沒有明確的進行要求[10]。地方高校的專業負責人和相關專業教師在專業的建設過程中，借鑒兄弟專業的特色，結合地方特色、學校特色、專業特色和師資特色進行新專業的建設。實踐教學環節作為人才應用能力和實踐能力培養的關鍵環節，起到了舉足輕重的作用。但是在實踐體系的實際建設過程中，也存在一定的困境，主要體現在師資力量不足、課程體系成熟和實習實訓內容不充實等問題。

1.2.1師資力量不足

隨著智能網聯汽車行業的發展，產業規模不斷擴大，對智能網聯相關人才需求都在不斷地增長。相比于知名企業和行業相關研發機構，地方高校對人才的引進沒有特殊的待遇，吸引力較小，很難招聘到合適的師資來組建較為完善的師資體系。地方高校不得不招聘相關大類專業的人才，或者從本校其他相近專業引進教師，之后通過師資培訓，自學等方式來實現專業師資的培養。

1.2.2課程體系不成熟

智能車輛工程屬于近年來新成立的專業，備案獲批的高校雖然逐年上升，但大多是在車輛工程專業基礎上開始的初期摸索建設階段，課程體系方案尚不成熟，很多課程尤其是實踐環節仍沿用車輛工程專業的體系。該專業屬于多學科交叉融合的專業，智能網聯汽車產業涉及復雜的智能技術、較多的法規，交通應用場景繁雜，規定課時內很難方方面面俱到，各個地方高校根據自身特色、學校特色和師資基礎對專業培養目標進行了取舍，因此各高校專業課程體系也存在較大的差異性，能夠借鑒的經驗很少。

1.2.3實踐內容不充實

智能車輛工程實踐內容不充實的根本原因主要體現在兩個方面：一方面是智能網聯汽車規?；a業發展迅速，設備更新快，成本相對較高，但是地方高校很難大規模采購相關的網聯汽車實驗設備，而且很多實驗設備的定位和應用場景不適合本科教學；另一方面是面向車輛工程等專業的很多實訓和實驗設備以及生產實習基地相對比較成熟，體系完善，但是對于智能車輛不能完全照抄照搬，目前很多地方高校實驗和實訓設備仍然大部分沿用，很難培養智能網聯人才的應用能力和創新能力。

沈陽理工大學智能車輛工程專業，針對實踐教學環節存在的問題，以學生為中心，圍繞智能汽車領域“四化”的發展，面向汽車工業和遼寧省社會經濟需求，以培養具備工程素質、工程實踐能力、創業意識、職業道德，能夠勝任智能車輛工程領域的產品研發設計、制造、試驗檢測和生產技術管理等方面工作的高素質應用型人才為目標，應用數字孿生技術，搭建虛實融合的實踐教學體系。

2虛實融合的智能車輛工程專業實踐教學體系

2.1虛實融合實踐教學的優勢與挑戰

2.1.1優勢

（1）提高教學效率：虛擬仿真技術能夠模擬復雜的駕駛環境和車輛故障情況，能夠使學生在短時間內獲得大量的實踐經驗。

（2）降低安全風險：通過虛擬仿真教學，可以避免學生在實際操作中可能出現的危險和事故，保障學生的安全。

（3）節約教學資源：虛擬仿真教學不需要大量的實體車輛和場地資源，能夠降低教學成本。

2.1.2挑戰

（1）智能技術更新快：智能車輛技術發展迅速，虛擬仿真平臺需要不斷更新和完善，以適應新技術的變化。

（2）師資培訓：教師需要掌握虛擬仿真技術的使用方法和教學理念，以便更好地指導學生進行實踐學習。

（3）學生適應性：部分學生可能對虛擬仿真環境不太適應，需要一定的時間來熟悉和適應這種新的教學方式。

2.2實踐教學體系的搭建

調研發現，目前工科實踐環節存在仍以驗證性實驗為主，受設備、安全等諸多因素限制，設計探索類實驗開展較少等諸多問題。本文基于對智能車輛行業人才需求的廣泛調研，以智能車輛設計、研發和銷售等相關的上、下游行業對智能車輛相關技術的高素質、高技能專業人才的需求為指導，將虛實融合與汽車智能化相聯系，提出搭建虛實融合的智能車輛工程專業完整的實踐教學體系。體系載體搭建以及具體的實現路徑，如圖1所示。

制定實踐體系之前，首先聚焦于兩項改革：首先對具有課內實驗的課程，單開的實驗課等專業基礎理論教學環節的實踐課程進行虛實融合的教學內容和教學方法的改革，改變目前驗證性較多的實踐現狀；針對專業性較強的實踐課程，運用數字孿生技術，積極搭建數字化的教學內容，比如汽車理論、智能汽車控制技術、智能汽車試驗學等與汽車控制技術關聯較強的課程，建立數字教材庫，數字案例庫等虛擬教學資源。

完成前期的數量積累后，進行教學體系搭建。針對課程群的前后關聯關系，采用虛實融合技術，基于教師的教研與教改搭建虛實融合的綜合性實踐教學資源課程體系：建立ADAS以及無人駕駛相關的硬件在環和軟件在環的開放式實驗資源，建立基于智能車3大技術體系（環境感知、智能決策和控制執行）相關的可擴展案例庫，完成如圖2所示的3個層次整體課程體系的搭建。

該實踐體系基于專業的特點，基于數字孿生驅動技術，以完成虛實融合的實踐教學體系的搭建為主線。通過“虛實融合”對專業實踐體系的相關課程完成改革，主要包括教學內容與方法的改革和課程體系的改革，主要針對汽車安全功能等實際有危險的實驗和控制策略等實際對硬件和周期要求較高的實驗，圍繞ADAS功能的實現，強調課程的遞進關系和基礎數字化資源的建設。具體課程實施分為3個層次，積極采用線上線下虛實融合的資源，采用翻轉課堂，對分課堂等適合虛實融合的課程改革形式，努力實現學生4個能力的培養。

3結束語

虛實融合的智能車輛實踐教學體系是一種創新的教學模式，它結合了虛擬仿真技術和實體車輛實踐的優勢，為學生提供了更加全面、高效和安全的學習體驗。未來，隨著技術的不斷進步和教學理念的不斷創新，該實踐教學體系將在智能車輛人才培養中發揮更加重要的作用。同時，也需要不斷關注技術更新、師資培訓和學生適應性等方面的問題，以不斷完善和優化教學體系。