“智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”的教學方法研究*

王婉秋 黃孝慈

（上海工程技術(shù)大學 機械與汽車工程學院）

近年來，中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)良好發(fā)展勢頭。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展態(tài)勢促發(fā)了該類課程研究內(nèi)容和研究方法的改革。常見的教學方法中，教學內(nèi)容僅限于教材本身，已不適合智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展趨勢探討多手段的教學方法的研究，以期將傳統(tǒng)的知識傳授轉(zhuǎn)變?yōu)橹R傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提升相結(jié)合，對培養(yǎng)綜合性素質(zhì)人才具有重要作用，本文基于智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)的課程性質(zhì)，探討多課程的融合教學方法、基于實踐的教學方法和混合教學方法。

一、課程背景和現(xiàn)狀

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是配備了先進的車載傳感器、執(zhí)行器和控制器裝備，融合了現(xiàn)代化的通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具備對于復雜環(huán)境的感知力和智能化決策能力、自動控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛與外部節(jié)點之間的信息共享和協(xié)調(diào)作用的，以綜合性的節(jié)能、安全、環(huán)保、舒適為一體的新一代的職能汽車，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通領(lǐng)域的典型化的應(yīng)用。同時，發(fā)展更具智能化的汽車和實現(xiàn)更智慧的交通是我國在相關(guān)領(lǐng)域的工業(yè)化和信息化實現(xiàn)結(jié)合的重點方向。也是相關(guān)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，符合“中國制造2025戰(zhàn)略”要求的，是交通領(lǐng)域的智能化和物聯(lián)化的主要發(fā)展趨勢。

一定程度上，物聯(lián)網(wǎng)汽車是汽車行業(yè)、電子行業(yè)、信息行業(yè)、通信行業(yè)以及控制領(lǐng)域多方面技術(shù)的綜合，目前在我國的發(fā)展還處于起步的階段，關(guān)于智能網(wǎng)汽車的很多關(guān)鍵性的技術(shù)還在不斷的摸索和發(fā)展當中，不可忽視的是，確實還有很多相關(guān)方面的技術(shù)問題亟待解決。例如：智能網(wǎng)汽車的形式狀態(tài)與環(huán)境感知方面的能力問題：車輛在路徑規(guī)劃方面的感知、車輛行駛的安全性和穩(wěn)定性、車輛在相關(guān)方面無線設(shè)備的兼容能力和頻譜共存能力等等。因此，智能網(wǎng)汽車的環(huán)境感知技術(shù)方面的研究將是智能網(wǎng)汽車升級和發(fā)展的關(guān)鍵。近年來，歐美日等國家通過政策和研發(fā)引進等方式，加強了智能網(wǎng)汽車在跨界協(xié)同技術(shù)的研發(fā)、實驗以及測試環(huán)境的建設(shè)、相關(guān)智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)品的開發(fā)等方面的投入力度。我國雖然起步較晚，但是政府和政策在相關(guān)方面的支持力度也是比較大的，并在智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)方面取得了一定的成績和成就。

二、課程性質(zhì)

“智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”是一門適用性較強的課程，其內(nèi)容包括視覺傳感器、超聲波雷達、毫米波雷達和激光雷達的結(jié)構(gòu)、原理、特點、類型、標定、測試和應(yīng)用等，同時涉及道路交通環(huán)境中車輛、行人、交通標志、交通信號燈、道路的識別實訓[1]。智能網(wǎng)聯(lián)汽車作為道路交通（環(huán)境）動態(tài)系統(tǒng)里運行的新型車輛，其環(huán)境感知技術(shù)是一門涉及多學科的綜合性學科。其教學方法應(yīng)多樣化，兼顧課程特點，應(yīng)從系統(tǒng)的角度去思考教學的相關(guān)問題。

三、多課程的融合教學

隨著課程之間關(guān)聯(lián)度的日益緊密，探討課程之間的融合教學方法成為發(fā)展趨勢。“智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”教學內(nèi)容不僅涉及環(huán)境感知技術(shù)的內(nèi)容，而且涉及“交通工程”“道路交通安全”等課程的內(nèi)容。以道路交通系統(tǒng)的角度，研究多課程之間的融合教學方法，以使學生的知識不僅僅局限于某一課程，而是在多課程之間建立橋梁，實現(xiàn)知識的融會貫通。

（一）與“交通工程”課程的融合

智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知傳感器的感知對象涉及道路交通（環(huán)境）系統(tǒng)里的動態(tài)對象和靜態(tài)對象[3]，其中瞬時變化的交通流信息對智能網(wǎng)聯(lián)汽車的安全行駛影響重大，其與道路幾何線形以及標志、標線、信號燈等道路交通安全管理設(shè)施共同構(gòu)造了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的運行環(huán)境。此時，“智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”和“交通工程”課程出現(xiàn)了知識的融合，如：當智能網(wǎng)聯(lián)車發(fā)生換道駕駛行為時，其感知對象的選取就涉及“交通工程”中交通流理論的換道模型[2]；智能網(wǎng)聯(lián)汽車通過設(shè)置了“綠波帶”的連續(xù)幾個信號燈時，智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器的感知對象不僅考慮當前信號燈，而且前方連續(xù)幾個信號燈也應(yīng)作為感知對象，進行聯(lián)合感知，其與“交通工程”中交通信號燈聯(lián)動控制內(nèi)容有關(guān)；智能網(wǎng)聯(lián)汽車的實時運行受標志、標線等道路交通安全管理設(shè)施的制約，面對紛繁復雜的道路交通安全管理設(shè)施，如何從中識別出對駕駛行為影響重大的主要道路交通安全管理設(shè)施，這與“交通工程”中的交通管理與控制內(nèi)容相關(guān)。“智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”和“交通工程”課程知識重疊的區(qū)域，授課內(nèi)容如果仍然拘泥于課本，僅用寥寥數(shù)語描述感知對象的選擇原則，未進行課程之間知識的引申和融合，學生勢必會囫圇吞棗，在編程實訓環(huán)節(jié)出現(xiàn)不知所措的情況。智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器的選擇和設(shè)置，很大程度與其所處的環(huán)境相關(guān)，不同的環(huán)境選取不同的傳感器，設(shè)置不同的數(shù)量，因此，在本課程的教學中，需將“交通工程”課程的相關(guān)知識進行牽引，實現(xiàn)融合教學。

（二）與“道路交通安全”課程的融合

“道路交通安全”是包括交通事故致因、事故預防、交通安全評價、交通安全管理等內(nèi)容的一門學科[4]。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的環(huán)境感知技術(shù)與交通安全難以分割，智能網(wǎng)聯(lián)汽車行駛于道路交通環(huán)境的首要目標，即安全。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車行駛過程中，該如何識別哪些系統(tǒng)因素是危險因素，哪些系統(tǒng)因素是非危險因素？針對危險因素，采用何種傳感器去感知？感知精度是否滿足安全需求？傳感器的設(shè)置位置和數(shù)量是否合適？基于這些行駛安全問題提出的授課內(nèi)容與“道路交通安全”課程關(guān)系緊密。“道路交通安全”課程中事故發(fā)生原因、事故黑點鑒別、安全評價、事故調(diào)查等內(nèi)容為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的環(huán)境感知提供了安全理念支撐。融合安全理念的授課內(nèi)容，使學生更易理解智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境傳感器的感知原理、設(shè)置原則等內(nèi)容，為學生展現(xiàn)了“安全”的智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)。

以城市道路交叉口為例，交叉口是城市道路的事故多發(fā)點，各種車型在交叉口交匯、分離，致使各種車流在交叉口存在時間、空間的重疊。盡管在交叉口交通設(shè)計中，通過信號燈配時設(shè)計與交叉口路面渠化設(shè)計已將不同行駛方向的交通流的沖突從時間和空間上進行了最大程度的避免，然而仍然會存在事故風險區(qū)域。交叉口設(shè)置的信號相位、交叉口的路面渠化設(shè)計均是環(huán)境感知傳感器的捕捉對象，并且智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知傳感器的設(shè)置與其所處交叉口的交通流運行密切相關(guān)。以兩個相位的交叉口與設(shè)置了專左相位的四個相位交叉口為例，由于其交通流的運行差異性較大，事故風險因素也差異較大，其中二個相位的交叉口由于直行車輛和左轉(zhuǎn)車輛的沖突未通過信號燈配時設(shè)計從時間上進行分離，存在較大的碰撞風險，因而成為環(huán)境感知傳感器的重點感知對象。針對交叉口右轉(zhuǎn)彎車輛，由于其存在與直行非機動車的碰撞風險，無論二相位或者四相位的交叉口均應(yīng)加以關(guān)注。簡言之，面對交叉口的復雜環(huán)境，應(yīng)分析交叉口事故風險的誘因，有針對性地進行甄別，提高誘因?qū)ο蟮淖R別精度和速度，以為后續(xù)事故風險的規(guī)避提供前期的數(shù)據(jù)支持。

四、基于實踐的教學方法

為了更深入地了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車的環(huán)境感知技術(shù)，針對環(huán)境感知傳感器的認知、裝配、調(diào)試、測試、標定，以及圖像目標的識別，設(shè)置課程實踐環(huán)節(jié)。以環(huán)境感知傳感器的認知、標定和視覺傳感器圖像目標的識別為例，設(shè)計基于實踐的教學方案。通過實踐教學，引導學生將課堂中的理論知識與實踐進行有機結(jié)合，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力。

（1）學生依托于課堂內(nèi)容，設(shè)計調(diào)查表格，深入汽車主流品牌的銷售4S店，了解視覺傳感器、超聲波雷達、毫米波雷達和激光雷達在各主流品牌汽車智能輔助駕駛系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。基于調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，指導學生統(tǒng)計分析視覺傳感器、超聲波雷達、毫米波雷達和激光雷達在各主流車中的應(yīng)用現(xiàn)狀，鼓勵學生設(shè)計討論議題，在課堂上各抒己見，通過討論、辯論的形式，加深學生對各個傳感器的認知及適用條件的理解，最終形成環(huán)境感知傳感器的認知實訓報告。

（2）鑒于在校大學生中擁有駕照學生的比例逐年增加的趨勢，可以設(shè)置基于在校學生自身駕駛體驗的實踐教學活動。學生采取問卷調(diào)查的形式，依托于前期調(diào)查的汽車銷售4S店各主流品牌汽車的智能輔助駕駛系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，設(shè)置問卷調(diào)查表格，收集在校大學生對智能輔助系統(tǒng)的駕駛體驗數(shù)據(jù)，以及回饋意見。通過該實踐活動，加深學生對環(huán)境感知傳感器的使用效果的認知，并提出自己的見解，形成實訓報告。也可以基于學生的知識和能力水平，組織相關(guān)方面的創(chuàng)意和設(shè)計大賽，正向宣傳和引導在相關(guān)方面有濃厚的興趣或者是有一定想法的學生積極的參與創(chuàng)意和設(shè)計大賽。一方面，邀請行業(yè)內(nèi)部的專家和技術(shù)人員做相關(guān)方面的指導和評價；另一方面，積極地尋找愿意提供相關(guān)支持的企業(yè)做相關(guān)的場地和材料支持，讓學生充分發(fā)揮自身優(yōu)勢和想法的機會和平臺，讓學生在參與比賽的過程中更加開拓視野，更深入地了解相關(guān)方面的知識和內(nèi)容。對于比賽最后的評優(yōu)作品，相關(guān)專家可以給予更多的指導意見，給學生更大的發(fā)展空間，優(yōu)秀學生也可以公開談一談自己參加此次比賽的新的體會和收獲，其模范帶頭作用能帶動更多的學生去勇敢地嘗試，形成一定的創(chuàng)造和創(chuàng)新意識，有一定的社會責任感和擔當，在相關(guān)領(lǐng)域的學習和發(fā)展中更自信、大膽，更敢于嘗試。

（3）視覺傳感器和激光雷達的標定內(nèi)容較復雜。以視覺傳感器的標定為例，為了加深學生對該知識的理解，設(shè)計標定方案，以小組為單位進行視覺傳感器的標定，通過實踐環(huán)節(jié)，熟悉標定流程，正確完成環(huán)境感知傳感器坐標系和車輛坐標系之間的數(shù)據(jù)變換，形成標定報告。

（4）針對視覺傳感器圖像目標的識別，設(shè)計基于多課程的融合教學理念的實踐環(huán)節(jié)。以小組為單位，學生實地采集或網(wǎng)上收集不同等級公路、城市道路的交通運行環(huán)境圖像，針對不同的環(huán)境影像，自我甄別，識別對智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全行駛有較大影響的感知對象，進行有效識別，并通過翻轉(zhuǎn)課堂的形式，學生展示其識別成果。以山區(qū)高速公路為例，由于受地形地貌的影響，公路急彎陡坡形態(tài)較多，為了保證行車的安全性，山區(qū)高速公路設(shè)置了較多的警告標志，針對該特點，山區(qū)高速公路的識別對象可以選擇警告標志及車道線。而針對城市道路，移動的行人和非機動車是影響行車安全的主要因素，識別對象可以選擇行人或者非機動車。為了提高學生的興趣，可以選取事故多發(fā)的“黑點”路段，激發(fā)學生對該事故“黑點”路段的事故致因分析，從而引導學生提出有針對性的對象識別方法。通過該環(huán)節(jié)，學生不再被動枯燥地識別某個目標，而應(yīng)根據(jù)實際道路交通環(huán)境，有目的地識別對交通安全影響較大的對象，增加了圖像識別的趣味性。

五、混合教學方法

混合教學模式以“線上+線下”的教學模式，線下即以課堂為主要陣地的面授教學模式，線上則以網(wǎng)絡(luò)平臺為載體的在線教學模式[5]。混合教學模式是互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展背景下新興的教學模式。混合教學模式兼顧了線上教學的多樣性和線下教學的高效性，使學生在掌握基本知識的基礎(chǔ)上又拓展了視野。

（一）線上教學模式

（1）授課老師通過超星泛亞學習通，建立課程平臺，平臺涉及完整的資料庫，包括授課課件、授課錄播視頻、教學大綱、多媒體資料庫、習題庫等。課程平臺通過經(jīng)典的案例、翔實的內(nèi)容、充分的資料，既便于學生開展預習、復習、自測等自習內(nèi)容，又對教師授課起到積極的輔導助力作用。

（2）針對多課程的融合教學理念，邀請校外本課程、“交通工程”“道路交通安全”課程專業(yè)教師為學生開展線上專題講座，并就學生提出的問題進行針對性的講解，以問題為導向的線上講座教學方式，改善了課堂中以教師講授為主的授課局面。

（3）智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展已進入快速發(fā)展階段，然而教材的內(nèi)容一般較為滯后，若拘泥于教材內(nèi)容，勢必會因循守舊，不能反映智能網(wǎng)聯(lián)汽車的新知識、新技術(shù)和新技能。線上教學手段為學生了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車方面的新技術(shù)創(chuàng)造了可能，教師基于章節(jié)教學目標的基礎(chǔ)，設(shè)置相應(yīng)的研究課題小組，學生根據(jù)個人興趣進行選擇，通過線上查閱相關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)的最新研究成果和研究進展。教師通過引導學生在線學習本課程有關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究成果，依托研究課題中的實際案例，以生動、鮮活的案例激發(fā)學生對課程知識點的興趣，指導學生完成相應(yīng)的課題。

（二）線下教學模式

相對于線上教學模式的廣，線下教學模式更注重的是精。通過面對面的教課方式，教學效率較高。

1.因材施教

由于學生的成長背景、性格、價值觀等方面的差異性，所以無論是線上教學還是線下教學，學生對于課程的接受和吸收程度一定是有差別的。因此，教師在進行線下課程的教學時，一定要重視學生的個性發(fā)揮，重視學生課堂主體作用的發(fā)揮。對于對智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)興趣和理解能力較強的學生，可以提供更多的參與實踐活動的機會，讓學生在接觸更多方面內(nèi)容的基礎(chǔ)上進一步開拓眼界，發(fā)散思維；對于對智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)理解一般、反應(yīng)一般的學生，要重視以更多的應(yīng)用案例和更多形式的教學材料去吸引學生的興趣，重點鞏固學生在基礎(chǔ)理論方面的能力。

2.線上線下相輔相成

對于學生在線上已經(jīng)學到的知識，教師可以有重點地在線下課堂進一步強調(diào)和鞏固；對于在線下強調(diào)過的內(nèi)容，教師也可以利用線上平臺進一步拓展和詮釋。

更符合學生需求的線下教學方式才更能將學生的注意力集中在課堂上。

教師依據(jù)學生線上的學習成果，針對相關(guān)知識進行線下的穩(wěn)固和提高，并開展以問題為導向、以案例為導向、以課題為導向的授課方式，積極激發(fā)學生的學習熱情，開展以學生為導向的翻轉(zhuǎn)課程模式。采取多樣化的教學方式，提高線下教學課堂的趣味性和有效性。

六、結(jié)論

“智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”是一門綜合性和實踐性較強的一門課程，以道路交通系統(tǒng)的角度開展多課程的融合教學，以及基于實踐的教學有效體現(xiàn)了該課程綜合性特點和實踐性的特點，利用新興的互聯(lián)網(wǎng)開展“線上+線下”的混合教學模式，為學生既提供了多樣化的教學資源，又兼顧了線下教學的高效性。通過多樣化的教學方法的融合教學，以滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車快速發(fā)展對人才的需求。