基于“雨課堂”的智能車輛課程課內實驗教學實踐

熊光明，陳慧巖，龔建偉，呂 超，吳紹斌

（北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081）

我校機械工程 2016版研究生培養方案，在全國率先開設了“智能車輛基礎”課程[1]。2017年上半年開展了課程的首次教學實踐，2017年下半年該課程立項為我校“明星”課程培育項目。通過該項目，開發了構成智能車輛系統“機械、傳感、規劃、控制、執行”等方面的有機聯系過程的動態多媒體課程軟件，設計了智能移動教學平臺[2-3]。通過仿真平臺與實車自動駕駛系統相結合的智能移動教學平臺，在強化學生對智能車輛認知的同時，還提高了他們的創新能力和動手操作能力。

我校研究生院根據學校“雙一流”建設規劃、學科評估目標、2019年工作部署等，開展2019年精品課程建設立項工作，要求學科專業核心課注重價值塑造、前沿知識、創新思維與能力培養，以學生為中心，開展教學模式改革。2019年 3月，研究生院邀請學堂在線“雨課堂”資深培訓師來學校介紹基于“雨課堂”的智能教學實踐探索。在此背景下，課程組提交了研究生精品課程建設立項申報書，嘗試運用“雨課堂”這一智慧教學手段，開展智能車輛專業核心課的教學實踐探索。

下面介紹基于“雨課堂”的智能車輛研究生課內實驗教學實踐。

1 基于雨課堂的學習者分析

雨課堂是在互聯網和大數據技術的背景下，由學堂在線與清華大學在線教育共同研發、推廣的智慧教學工具[4-6]，其目的是將前沿教學理念與互聯網技術融合，全面提升課堂教學體驗[7]。雨課堂具有簡單易用、互動性強等特點[8]，教師和學生不需要進行復雜的學習，即可使用 PPT、微信等直接上手[9]，還可進行實時問答互動，使教與學更加簡單明了。

通過對學習者的分析，教師可以有針對性地采用能夠激發學生學習興趣，培養良好學習習慣，提高自主學習、協作學習、探究學習能力，提高邏輯思維能力、解決問題能力、實際操作技能的教學方式[10]。

智能車輛研究生課程是面向機械工程學科（包括6個二級學科方向）碩士生、博士生的課程，機械與運載學部其他一級學科專業也可以選修。在2019年上半年課程開課第一節課上，課程組首先運用“雨課堂”這一智慧教學工具對選課學生進行摸底分析。課程組設計了一系列問卷問題，通過雨課堂工具在課堂上呈現出來：

（1）你第一次聽說智能車是什么時候？

（2）你對智能車了解到什么程度？

（3）你對智能車的哪部分最感興趣？

（4）你最熟悉智能車上哪個傳感器？

（5）特斯拉無人車與谷歌無人車，技術上有哪些區別？

（6）你的課題方向與智能車相關嗎？

（7）這門課會涉及大量實踐操作，需要投入的時間可能會比較多，你對此怎么看？

（8）你最熟悉下面哪種編程語言？

（9）學完整個課程后，你希望有什么樣的收獲？

圖1是問題5的“雨課堂”統計結果在教室投影的顯示。特斯拉無人車與谷歌無人車體現了智能車輛技術發展過程中出現的兩個不同技術方案，通過此問題了解學生對智能車輛技術的了解程度。作答的 41名學生中，有22名學生不了解，有12名學生大概了解一些，有3名學生比較了解，另有4名學生希望用投稿功能進行詳細說明。

圖2是問題6的統計結果在手機上的同步顯示。參與投票的41名學生中，有18名學生的課題方向與智能車相關，有14名學生的課題方向與智能車有點關系，有6名學生的課題方向與智能車一點也不相關，另有3名學生的課題方向尚不確定。

可以看到，“雨課堂”工具可以非常方便地進行實時問答互動、實時統計結果，并在手機和教室投影屏幕上同步顯示。通過問卷及“雨課程”智慧教學工具，可以對選修智能車輛課程的對象或學習者在智能車輛技術背景方面的情況進行統計分析，從而對選課的學生做到心里有數。

圖1 問題5的“雨課堂”統計結果的投影顯示

圖2 問題6的“雨課堂”統計結果的手機顯示

2 智能車輛課內實驗教學內容設計

智能車輛課程是面向機械工程專業開設的學科專業核心課，要求學生具有比較扎實的控制理論、車輛理論、計算機基礎知識、數學知識和編程操作能力。課程內容涉及面廣，知識點偏難，且注重編程操作，如果僅依靠理論教學而不通過實際項目的鍛煉和練習，則無法掌握智能車輛理論與方法，而實驗教學是促進學生實踐能力和創新意識提高的有效途徑[11]。

課內實驗安排在課堂教學過程中，其目的是為理論教學服務[12]，課內實驗教學與理論教學共同組成課堂教學實施方案，課內實驗教學可以促進學生更好地理解、吸收和使用理論知識。教師通過設計實驗教學內容，不僅可以幫助學生理解和掌握理論教學知識點，也有助于他們根據課內實驗教學情況持續改進理論教學方案。

結合智能車輛研究生課程特點，并針對選課學生情況，課程組設計了9個方面的智能車輛課內實驗教學內容，其與教學大綱知識點的對應關系如圖3所示。

圖3 課內實驗與教學大綱知識點對應關系

考慮選課學生的實際情況，在課內實驗內容的設計上，更強調智能車輛基礎知識的掌握和應用。實驗1-6分別對應教學大綱中一、兩講的內容，而實驗7-9則要綜合考慮教學大綱全部16講的內容。

3 基于“雨課堂”的課內實驗教學實踐

3.1 基于“雨課堂”的課內實驗分組

課內實驗采用分組完成方式。目前，“雨課堂”提供了“系統隨機分組”“學生自由分組”“教師指定分組”三種方式。由前述對學習者的分析結果可知，選課學生對智能車的了解程度和編程基礎參差不齊，如果采用“學生自由分組”方式，很可能會進一步導致組與組之間能力水平的巨大差異，不利于教學的開展。“教師指定分組”方式，雖然可通過強弱結合，在一定程度上避免這種情況，但由于是人為分組，做到完全公平公正是有難度的，所以最為大家接受的方式是“系統隨機分組”。本次教學實踐采用了“雨課堂”提供的“系統隨機分組”功能，把選課學生分成了9組。

如果要求各組都要全部完成9項實驗，工作量太大不現實。因此，把9個方面的課內實驗分成3檔，實驗1-3、實驗4-6和實驗7-9分別屬于3個檔次，同檔的3項實驗具有相同的難度系數。通過抽簽，每個小組分別從每檔的3項實驗中抽出1項實驗，共3項實驗，作為實驗任務。每項實驗共有3個小組分別完成，形成一定程度的競爭，有利于各小組爭相高質量地完成同一實驗，同時又由于各小組實驗任務的難度系數大致相同，從而確保各小組實驗任務的分值是大致相同的。

3.2 基于“雨課堂”與翻轉課堂的課內實驗活動

本課程是面向碩士研究生、博士研究生的課程，需要考查學生的自主學習、組內協作學習及團隊探究學習能力，還要考查團隊協作解決問題能力。為此，在本次課內實驗教學實踐中，借鑒了翻轉課堂的方式。

翻轉課堂就是教師與學生角色互換，或者說傳統課上內容與課下內容互換[13]。在本次教學實踐中，要求學生在指定時間內完成9項實驗，并在課堂上向全體學生展示，且所有展示都安排在教師正式講解對應的教學知識點之前。這就要求學生借助教師提供的材料或者自行查找其他材料，對課堂上尚未講解的知識點進行自主學習，并通過團隊協作，在規定時間內完成指定的實驗任務。下面以實驗2和實驗6為例進行闡述。

實驗2要求對給定的汽車三維模型，計算只安裝一個64線激光雷達和前后各安裝1個32線激光雷達時，該車輛對凸障礙物和凹障礙物的最大檢測范圍。通過課堂展示發現，各小組學生都能夠根據32線激光雷達、64線激光雷達垂直視場角、激光線束垂直方向夾角等關鍵參數，以及車輛實際外形尺寸，并結合凸障礙物和凹障礙物的不同特點進行綜合分析。

實驗6來自于一個真實的實際問題，要求在越野環境中檢測凹障礙。傳統方法是在實驗2的基礎上，運用幾何知識及閾值法進行判斷，但這種方法容易出現誤檢。實驗6要求采用機器學習的方法，并讓3組學生分別用邏輯回歸、支撐矢量機、隨機森林三種方法進行分析。通過雨課堂的同步，即使坐在后排的學生，也能在自己的微信中清楚地看到與教室投影相同的內容，還可利用“雨課堂”工具與進行展示的小組進行線上線下互動。

3.3 基于“雨課堂”的課內實驗評價

在各小組進行課堂展示的同時，由學生進行投票評分。第5小組學生抽到的題目是第1檔的第1題、第2檔的第5題和第3檔的第8題，與同檔同題的其他小組相比獲得了最高分。說明該小組對相機標定、智能車控制、智能車設計等問題的分析與解決，都有較優異的表現。

第1組學生的第1檔第3題和第3檔第9題，與同檔同題的其他小組相比獲得了最高分。說明該小組在激光雷達的仿真模擬、智能車綜合測試等問題的分析上，有較好的表現。

4 教學反饋

2019年6月底結課時，再次運用“雨課堂”工具進行了結課問卷調查。

（1）本學期用“雨課堂”上課，給你印象最深的是什么？

（2）你認為本課程最大的特點是什么？

（3）與你上過的其他課相比，在本門課上，你的課堂參與感有什么變化？

（4）與你上過的其他課相比，在本門課上，你的課堂收獲感有什么變化？

（5）對于課內實驗工作量的設置，你有何評價？

（6）對于課內實驗知識點的設置，你有何看法？

（7）本課程是研究生精品課程建設項目，你通過本課程的學習，最大的收獲是什么？

（8）本課程在精品課程持續建設過程中，你有何好的建議和意見？

對于問題3，在作答的52名學生中，有17名認為在形式多樣、內容豐富的教學方式吸引下，參與感明顯上升；有18名認為在授課教師的持續鼓勵下，能主動參與到課堂中來；有13名認為通過雨課堂提供的在線投稿方式，慢慢地敢于參與進來。對于問題 7，在作答的47名學生中，有25名認為在創新性思維方面得到了鍛煉與提高；有14名認為在批判性思維方面得到了鍛煉與提高；有4名認為在顛覆性思維方面得到了鍛煉與提高。

5 結語

在研究生專業核心課程中引入智能車輛車載相機標定、激光雷達安裝計算、機器學習凹障礙檢測、智能車輛運動控制等實際問題，以學生為中心，把課堂還給學生。學生以小組為單位，通過自主學習、組內協作學習及團隊探究學習，在課堂上展示自己的研究成果和團隊協作解決問題的能力，培養了獨立的思考能力、創新性思維和批判性思維。