基于A—STEM的無人駕駛課程研究

葉小輝

2018年8月，廣東省深圳市龍崗區教育局印發了關于《深圳市龍崗區A-STEM課程建設的指導意見》（以下簡稱《意見》），強調人文藝術和理工科之間的深度融合，是以發現和創造性地解決現實生活問題為核心內容的跨學科實踐課程。在這個背景下，筆者所在學校結合實際，開展了“無人駕駛汽車設計”項目的課程教學研究。

注重項目實踐

《意見》指出，A-STEM的項目實踐是模仿科學家和工程師的，即科學家和工程師是怎樣發現和解決問題，我們就讓學生去真實地經歷怎樣發現和解決問題的過程。所以，項目實踐是直面真實情境的，而不是剝離了這些真實情境的知識學習和解題訓練。本課程正是利用虛擬仿真技術為載體來模擬真實生活情境從而開展教學研究的。

1.問題的提出

現實生活中，經常能看到各種因駕駛員操作不當導致交通事故的新聞，筆者常在想，假如汽車不需要人操作就能自動進行安全駕駛，那人們生活的幸福指數將能進一步提升。那如何設計無人駕駛汽車？如何實現無人駕駛汽車安全行駛？雖然中小學生對這些問題都很感興趣，但如果要實地實物進行研究，目前對他們來說是遙不可及的，而通過虛擬仿真平臺，則給了他們另外一種途徑來研究。

2.建構任務模型

iRobotQ 3D是一個機器人在線仿真平臺，在此平臺上，我們建立起了無人駕駛研究任務的模型：在虛擬的城市環境中，由行車道、十字路口、丁字路口、封閉路口、道路圍欄、斑馬線、道路標線、路面干擾物以及行人、車輛等各種模擬元素構成主要的三維任務場景。學生需要自行設計一輛機器人汽車、安裝各類傳感器并編寫相關程序，模擬實現無人駕駛的交通行為。任務要求機器人汽車在規定的時間內從起點出發，完成各類安全行車和技能挑戰動作并抵達終點。

3.進行結構設計

有關結構的設計，教師可結合學生生活中的知識對其進行講解，如關于重量和重心的問題，輪胎的選擇涉及的摩擦力的問題等，這樣他們能理解得更加深刻，對自己模型的選材也就更加明確了。

教學中筆者發現，學生搭建的汽車基本上都是不一樣的，使用的傳感器也不盡相同，安裝的角度更是五花八門，而實際運行中的效果更是千差萬別。眾多不一樣的設計想法，讓他們形成了思維的碰撞，從而產生改進自己方案的想法，再根據仿真實踐檢測來不斷調整，不斷優化，尋求最優的解決問題的方案。在這個過程中，學生分析問題、解決問題的能力在不斷地提升。

4.探尋合適的算法

算法是對解決問題的計算過程的具體方法和實現步驟的數學化描述，在給定有限的條件下，學生既要考慮效果，又要考慮準確性。怎樣把算法的本質進行抽象化和自動化呢？這就涉及程序設計的問題。例如，圍繞如何讓汽車在賽道中間自動行走這個問題，學生展開了各種嘗試，通過不斷地改進算法，先后形成了四個版本。

學生把汽車在賽道上的位置狀態抽象成為三種情況，分別是：在賽道中央，偏離賽道左邊，偏離賽道右邊。根據這三種情況進行分析，如下表。

根據以上分析，通過利用枚舉法的設計思想設計出算法，學生可得出結論，進行程序的設計，這就有了走中間程序的第一代算法（如圖1）。

第二代的算法給汽車在中間的位置的判斷條件增加了100的容錯值，在左右傳感器讀值相差100的范圍內，都認為機器人是行駛在道路中央，不需調整位置。而當差值為500，則認為偏離得比較遠，可通過左右輪子更大的速度差來實現修正（如圖2）。

第三代算法則將各種條件判斷語句整合成一條數學算式。實現將距離傳感器的值通過除以100修正后，轉化成和速度相匹配的值（如圖3）。

前三代的算法，基本解決了車子自動在賽道中央行駛的問題，可是，這里用的是固定的速度，實際情況是：不同的路段，路況是不一樣的。有的路段路況好，可以跑高速，有的路段路況差，有時候會撞到對向行駛而來的車，因此必須讓車子偏離在某一側行駛。這就提出了將整個賽道分成多個路段，每個路段用不同的策略行駛。

第四代算法，提出了變量，實現了不同路段速度可變，同時還引入了“偏轉”變量，實現了汽車行駛位置可變（如圖4）。

針對走中間算法的研究，進行了四次大討論，每一次問題的解決，都讓學生嘗到了勝利的喜悅，同時又誘發了新的研究內容。一個個新問題的出現，讓學生通過不斷否定自己的方法、深化對需求的理解、跳出慣性思維，養成對算法不斷優化的思維方法，促進了學生計算思維和創新思維的形成。

注重學科核心素養的落實

《意見》中明確提出，學科核心概念是基礎，開發A-STEM課程時要依據國家課程標準落實各學科中的核心概念的學習，倡導學以致用，使知識活化為能力。信息技術學科核心素養包括“信息意識”“計算思維”“數字化學習與創新”及“信息社會責任”四個內容。

信息意識是指個體對信息的敏感度和對信息價值的判斷力。本課程中，需要通過紅外傳感器監測的數值來識別是否有行人過馬路，通過距離傳感器的數值來識別車輛在道路的位置情況，學生要能夠分析判斷哪些信息是對該事件起影響作用的，哪些是不可靠的需舍棄的，還要能對信息可能產生的影響進行預期分析，為解決問題提供參考，同時要能夠與團隊成員共享信息，實現信息的價值最大化。

計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。在本課程中，重點培養學生的計算思維能力，通過虛擬平臺，界定問題，抽象特征，建立結構模型，合理組織數據，通過判斷、分析和綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案。

數字化學習與創新是指個體通過評估并選用常見的數字化資源與工具，有效地管理學習過程與學習資源，創造性地解決問題，從而完成學習任務，形成創新作品的能力。本課程的學習研究都是基于3D虛擬仿真數字化平臺來開展學習研究的，學生通過開展自主學習，協同工作與知識分享，適應數字化學習環境，養成創新的習慣。

信息社會責任是指信息社會中的個體在文化修養、道德規范和行為自律等方面應盡的責任。本課程想通過學習研究，使學生具有信息安全意識，能夠遵守信息法律法規，信守信息社會的道德與倫理準則，在現實空間和虛擬空間中遵守公共規范，積極維護合法權益和公共信息安全，關注信息技術革命帶來的環境問題與人文問題。

注重跨學科融合

對于人文領域的跨學科概念，生活意義和正義是據以行動的大概念，仁愛和美是據以判斷的大概念，而A-STEM提供了一整套的可以信賴的求真的方法和知識體系，與仁愛和美一起構成了我們據以判斷的基礎。

筆者在“無人駕駛汽車設計”課程教學實踐中，始終把人文精神引領貫徹落實到課堂中，在解決問題的同時培養學生審美、創美能力，進而達到以美育人的目標。例如，設計的車輛模型必須遵循相關規定，不得超寬超長，同時，結構還要符合美學需求，盡可能設計得美觀；無人駕駛的汽車必須在遵守交通規則的前提下行駛，必須以倫理道德為底線，以人為本，尊重生命，必須能合理禮讓行人，必須要能安全會車。筆者在課上安排了分享環節，通過學生的展示分享，既鍛煉了他們大膽地表達自己觀點的能力，也讓他們在欣賞別人作品的同時，能站在對方的角度去思考其設計背后的緣由，以同理心去理解他人，去認識別人設計的長處。

在A-STEM方面，反映的是“求真”。設計怎樣的汽車結構？如何選取結構件？如何讓汽車在路中央行走？如何推開路上的障礙物？如何避讓行人？如何避讓相向行駛的車輛？……圍繞這些問題，學生需要在實踐中一個個去“求真”。每一個問題學生都需要融合多個學科的知識點去解決。本課程是通過“系統和系統模型”及“結構和功能”這兩個跨學科概念來實現跨學科融合的。一是通過虛擬仿真技術建立起無人駕駛的城市系統；二是通過汽車結構設計和程序設計，研究不同的結構和程序設計產生的不同功能。

注重多樣化評價

基于“一切皆在形成中”的評價理念，本課程通過學習過程、學習成效、創新指數、小組合作的貢獻等方面對學生加以評價。例如，解決路上障礙物的問題，有的采用叉車的結構，有的采用三角形箭頭結構，有的在車頭裝了高速旋轉的電機推開障礙物，有的選擇用程序繞開，每一種方法都值得鼓勵和肯定。又如，對小組合作的評價，更加注重學生在小組合作過程中貢獻的力量大小，發揮了什么作用，表達自己的觀點的明晰如否，與隊員溝通是否有效，是否能有效合作等，這些都是評價的依據。

本課程深受學生的喜愛，起初只是以社團興趣小組的形式開展，經過三個月的學習，學生陸續在各類大賽上獲得不錯的成績，這些成績激勵了學生的學習熱情，本課程在本學期開始了大班化的教學推廣。實踐證明，通過這個課程，學生的邏輯思維能力、綜合應用能力、創新能力等各方面都得到了不同程度的提高。