新時(shí)代智能汽車技術(shù)課程教學(xué)改革探究

張志清，譚東麗

（廣西科技大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣西柳州 545006）

智能汽車技術(shù)是科技創(chuàng)新的重要產(chǎn)物，是集汽車電子信息化與智能化、集成控制、雷達(dá)、人工智能等系統(tǒng)研究于一體的車輛工程專業(yè)選修課程[1]。智能汽車技術(shù)所涉及的知識(shí)體系和應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域，是人工智能技術(shù)應(yīng)用的重要載體及場(chǎng)景，同樣也是“汽車+互聯(lián)網(wǎng)+人工智能”的產(chǎn)物[2]。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有跨學(xué)科專業(yè)背景，并初步掌握電子信息、智能汽車環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)控制、軟件建模仿真等方面的專業(yè)知識(shí)；培養(yǎng)學(xué)生智能汽車技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)與應(yīng)用等方面的能力，以適應(yīng)未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

目前，廣西科技大學(xué)新增設(shè)專業(yè)選修課程——智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)，共32 個(gè)課時(shí)。該課程主要以理論教學(xué)為主，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對(duì)較薄弱。然而，智能汽車技術(shù)內(nèi)容涵蓋廣泛，包括計(jì)算機(jī)、電子、信息、自動(dòng)控制、人工智能、機(jī)械、交通、管理學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。相比其他課程，該課程知識(shí)點(diǎn)多而且復(fù)雜，理論與實(shí)踐結(jié)合不夠緊密，這也導(dǎo)致學(xué)生感覺(jué)學(xué)習(xí)內(nèi)容枯燥，學(xué)習(xí)興趣不高，課堂教學(xué)效果不明顯[3]。此外，該課程較偏重算法、控制理論，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大。因此，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使其盡快掌握智能汽車技術(shù)知識(shí)和技能，是目前該課程需要解決的緊迫問(wèn)題[4]。

1 課程建設(shè)與探索

1.1 采用線上線下混合式教學(xué)形式

2018 年10 月，教育部印發(fā)《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱“新時(shí)代高教40 條”），制定實(shí)施“六卓越一拔尖”計(jì)劃2.0[5]。相關(guān)研究表明，未來(lái)幾年混合式教學(xué)模式將是高等教育教學(xué)重要發(fā)展趨勢(shì)之一[6]。在線教學(xué)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如授課不受時(shí)空限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地用手機(jī)或者電腦打開(kāi)智慧教學(xué)軟件（直播平臺(tái)）進(jìn)行線上學(xué)習(xí)[7]。此外，學(xué)生針對(duì)課堂上未聽(tīng)懂的內(nèi)容，課后可以多次回放教師的錄播課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。然而，隨著線上教學(xué)的推行也產(chǎn)生一些問(wèn)題，如教師難以實(shí)時(shí)掌控學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，師生有效互動(dòng)效果不明顯、交流少，教師很難確定學(xué)生是否一直在線認(rèn)真聽(tīng)課等。線上線下混合式教學(xué)可以有效解決上述問(wèn)題。

本課程在進(jìn)行混合式教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)學(xué)生學(xué)情、學(xué)習(xí)能力等差異，設(shè)計(jì)了基本知識(shí)、實(shí)踐綜合運(yùn)用、智能汽車發(fā)展現(xiàn)狀、相關(guān)科學(xué)研究的熱點(diǎn)與前沿及未來(lái)行業(yè)發(fā)展等核心內(nèi)容。目前，國(guó)內(nèi)外在本領(lǐng)域領(lǐng)先者為華為、特斯拉、Waymo、百度、圖森未來(lái)等大企業(yè)，課程可以介紹各大企業(yè)在先進(jìn)自動(dòng)駕駛技術(shù)方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。為了克服本課程內(nèi)容多、難度大、理論強(qiáng)、實(shí)踐難的特點(diǎn)，以學(xué)生為中心，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的主動(dòng)性。同時(shí)，教師應(yīng)提煉知識(shí)點(diǎn)，使知識(shí)模塊化，提供相應(yīng)的課程教學(xué)視頻、教學(xué)課件以及其他類型的多媒體教學(xué)資源，以調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂的積極性[8]。整個(gè)教學(xué)過(guò)程緊扣課前、課中、課后三個(gè)環(huán)節(jié)，包括課前線上預(yù)習(xí)（查閱相關(guān)文獻(xiàn)，觀看相關(guān)視頻，完成相應(yīng)預(yù)習(xí)測(cè)試，進(jìn)行難點(diǎn)探討）、課中研討（傳統(tǒng)教授、課堂測(cè)試、翻轉(zhuǎn)課堂、分組討論匯報(bào)和總結(jié)）、課后鞏固（課后作業(yè)及線上答疑）。

根據(jù)智能汽車運(yùn)行邏輯：首先，駕駛員通過(guò)智能汽車的感知技術(shù)和定位技術(shù)對(duì)環(huán)境和其他汽車感知，利用無(wú)線技術(shù)反饋給駕駛員并啟動(dòng)決策規(guī)劃技術(shù)；其次，根據(jù)實(shí)際環(huán)境確定路徑規(guī)劃，加速、減速等行為規(guī)劃；最后，通過(guò)集成控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等具體的控制[2]。因此，本課程線上教學(xué)將從以下4 個(gè)模塊進(jìn)行理論講述，如圖1 所示。

圖1 經(jīng)典智能汽車技術(shù)架構(gòu)圖

第一部分：環(huán)境感知技術(shù)。這部分內(nèi)容包括感知技術(shù)和定位技術(shù)。感知技術(shù)主要介紹視覺(jué)傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等各種傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與信息處理，獲取本車行駛環(huán)境狀況。通過(guò)分析各類傳感器的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，分析得出感知層采用多傳感器融合技術(shù)為最優(yōu)，有利于提升汽車環(huán)境感知系統(tǒng)的魯棒性。定位技術(shù)主要介紹三種常見(jiàn)定位原理：一是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輔助或差分增強(qiáng)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)；二是GPS 與其他傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合繼而形成定位系統(tǒng)；三是通過(guò)信標(biāo)或地圖匹配原理進(jìn)行定位。

第二部分：決策規(guī)劃技術(shù)。智能汽車的決策規(guī)劃技術(shù)猶如人的大腦，是智能汽車的控制中樞。主要介紹上層——全局軌跡規(guī)劃，中層——行駛行為決策，下層——局部軌跡規(guī)劃三個(gè)部分。了解通過(guò)車輛的定位技術(shù)來(lái)進(jìn)行全局軌跡規(guī)劃，熟知通過(guò)駕駛行為來(lái)完成全局軌跡規(guī)劃（一個(gè)周期一般為幾十秒到幾分鐘），綜合考慮車輛的各種性能指標(biāo)（包括局部路徑規(guī)劃和局部速度規(guī)劃，規(guī)劃周期一般為秒級(jí)），決策出最優(yōu)的軌跡。

第三部分：集成控制技術(shù)。這部分則根據(jù)決策規(guī)劃技術(shù)對(duì)車輛的行進(jìn)路徑和速度跟隨做出最優(yōu)軌跡規(guī)劃。理解控制車輛側(cè)向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)以實(shí)現(xiàn)期望軌跡（決策出的最優(yōu)軌跡）與實(shí)際軌跡相差盡可能小。利用車輛動(dòng)力學(xué)控制、力優(yōu)化控制分配和執(zhí)行器優(yōu)化控制分配，實(shí)現(xiàn)智能汽車的驅(qū)動(dòng)控制、制動(dòng)控制和轉(zhuǎn)向控制。介紹兩種常見(jiàn)控制技術(shù)：最優(yōu)預(yù)瞄的軌跡跟隨控制結(jié)束、基于模型預(yù)測(cè)控制理論的軌跡跟隨控制技術(shù)。

第四部分：測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)。了解測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)智能汽車技術(shù)提高的重要性，及其在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。了解傳統(tǒng)汽車測(cè)試評(píng)價(jià)與智能汽車測(cè)試評(píng)價(jià)的差異，比如評(píng)價(jià)對(duì)象的改變，由傳統(tǒng)的人、車二元獨(dú)立系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芷嚨娜恕嚒h(huán)境—任務(wù)強(qiáng)耦合系統(tǒng)。一般測(cè)試內(nèi)容包括模型在環(huán)測(cè)試、軟件在環(huán)測(cè)試、駕駛模擬器測(cè)試、硬件在環(huán)測(cè)試、車輛在環(huán)測(cè)試、封閉試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試和公共道路測(cè)試等。隨著測(cè)試任務(wù)與場(chǎng)景的不同，評(píng)價(jià)維度各不相同。一般有數(shù)字仿真測(cè)試評(píng)價(jià)、硬件在環(huán)測(cè)試評(píng)價(jià)、車輛在環(huán)測(cè)試評(píng)價(jià)、封閉試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試評(píng)價(jià)和公共道路測(cè)試評(píng)價(jià)等。

1.2 智能汽車技術(shù)課程思政元素的融入

使專業(yè)課程與課程思政同向而行，才能更好地實(shí)現(xiàn)協(xié)同育人效應(yīng)，達(dá)到立德樹人的目的[9]。高校肩負(fù)著為社會(huì)主義建設(shè)培養(yǎng)理想堅(jiān)定、專業(yè)技術(shù)過(guò)硬的高層次人才的重?fù)?dān)，應(yīng)深化該課程的教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、模式等方面的改革，融合專業(yè)教育與思政教育，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展[10]。因此，高校教師在傳授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)還需引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的“三觀”，不斷挖掘?qū)I(yè)教學(xué)過(guò)程中的課程思政元素，以實(shí)現(xiàn)“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的教育效果。專業(yè)課程的思政教育需建立在專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過(guò)線上、線下的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。

針對(duì)線上教學(xué)，課題組將收集的優(yōu)秀課程思政案例或者錄制的視頻等上傳騰訊課堂、雨課堂等線上網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，供學(xué)生學(xué)習(xí)。如偉大的科學(xué)家錢學(xué)森、“中國(guó)通信界元?jiǎng)住?張煦院士等優(yōu)秀人物事跡；又如華為5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、比亞迪的成長(zhǎng)、中國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)等，都可以上傳網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)[11]，學(xué)生可以隨時(shí)隨地開(kāi)展學(xué)習(xí)。線下學(xué)習(xí)主要討論知識(shí)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。教師通過(guò)課堂講授、組織實(shí)地參觀、視頻資料播放等多種形式相結(jié)合將思政元素融入智能汽車技術(shù)課程的教學(xué)過(guò)程。課題組結(jié)合智能化汽車技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)模塊，分析提煉該課程知識(shí)點(diǎn)的思政元素。思政案例的教學(xué)主要采用小組討論的形式進(jìn)行，教師根據(jù)小組討論的情況和學(xué)生撰寫的思政心得體會(huì)進(jìn)行考核，考核結(jié)果計(jì)入總評(píng)成績(jī)。

因此，混合式教學(xué)模式可以很好地解決課程單一、地域限制、課時(shí)較少等問(wèn)題，并充分以視頻、動(dòng)畫或圖片等多種形式展示思政內(nèi)容中的典型人物事跡或工程案例。

1.3 智能汽車自動(dòng)駕駛數(shù)字仿真教學(xué)平臺(tái)

在授課過(guò)程中，由于注重智能汽車技術(shù)的理論教學(xué)，內(nèi)容較多，實(shí)踐環(huán)節(jié)較為缺乏，教師即使在教室授課時(shí)舉例，也往往停留于介紹層面[12]。因此，如果在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)增加數(shù)字仿真平臺(tái)的教學(xué)設(shè)計(jì)，就可以有效解決上述問(wèn)題。廣西科技大學(xué)現(xiàn)已建設(shè)了一款以物理模型為基礎(chǔ)的教學(xué)平臺(tái)，該教學(xué)平臺(tái)可以對(duì)汽車ADAS 自動(dòng)駕駛進(jìn)行仿真，主要基于攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、GPS 等多種傳感器開(kāi)展自動(dòng)駕駛性能設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及仿真測(cè)試軟件；還可以根據(jù)需要搭建路網(wǎng)模型模擬駕駛環(huán)境（環(huán)境、天氣、交通、道路）、交通參照物（行人、車輛、障礙物等）、環(huán)境傳感（雷達(dá)、無(wú)線通信、GPS、攝像機(jī)等）和行駛工況（碰撞、自動(dòng)泊車、ACC 等）。此外，還支持與Matlab/Simulink 聯(lián)合無(wú)縫仿真，即以拖拽方式添加傳感器，設(shè)置內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行建模，并通過(guò)Matlab/Simulink 來(lái)加載算法。

在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生可以在平臺(tái)自主構(gòu)建和設(shè)計(jì)實(shí)車模型，并設(shè)置他車、行人、障礙物等，開(kāi)展模擬仿真訓(xùn)練。這樣學(xué)生不僅可以身臨其境般地體驗(yàn)智能汽車的自動(dòng)導(dǎo)航性能，而且可以更好地熟悉智能汽車規(guī)避障礙的工作原理和理解智能汽車技術(shù)的決策層面與控制層面的工作原理。同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中教師可以搭建智能汽車自動(dòng)駕駛傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并指導(dǎo)學(xué)生對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，有利于加深學(xué)生對(duì)GPS、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等多傳感器工作原理的理解。綜上所述，數(shù)字仿真模擬平臺(tái)可以創(chuàng)造實(shí)訓(xùn)環(huán)境，學(xué)生可以利用人機(jī)交互技術(shù)建立的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)快速地熟悉智能汽車的駕駛技術(shù)。同時(shí)，虛擬系統(tǒng)可以避免在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中操作失誤產(chǎn)生的不利后果，不僅節(jié)省了財(cái)力和物力，而且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

1.4 融合智能汽車大賽與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目

2022 年9 月，在第十七屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽全國(guó)總決賽中，廣西科技大學(xué)取得較好成績(jī)，“腿長(zhǎng)蹬三輪”隊(duì)榮獲全國(guó)多車編隊(duì)組二等獎(jiǎng)。目前廣西科技大學(xué)有葉燕帥、徐光香、鄭特等一批優(yōu)秀的指導(dǎo)教師。全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽體現(xiàn)了參賽學(xué)校專業(yè)培養(yǎng)的質(zhì)量[13]。因此，建議將競(jìng)賽內(nèi)容融入車輛工程本科生的智能汽車技術(shù)課程的課堂教學(xué)，讓該專業(yè)所有本科生都能接觸到大賽內(nèi)容，并因此受益。在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)可考慮把技能競(jìng)賽的標(biāo)準(zhǔn)及內(nèi)容融入教學(xué)過(guò)程，賽教融合，以賽促教、促學(xué)、促評(píng)。

此外，在課外，建議融合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、科研訓(xùn)練等內(nèi)容，以線上學(xué)習(xí)為主導(dǎo)，引導(dǎo)車輛專業(yè)的學(xué)生利用本課程所學(xué)知識(shí)和有關(guān)智能汽車技術(shù)的設(shè)想，積極參與申報(bào)智能汽車技術(shù)方面的科研項(xiàng)目、專業(yè)社會(huì)實(shí)踐等活動(dòng)。通過(guò)申報(bào)和實(shí)施大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，不僅有利于鍛煉學(xué)生的科學(xué)研究思維，也有利于提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力。

2 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)智能汽車技術(shù)課程特點(diǎn)和該課程在教學(xué)過(guò)程中所存在的難題進(jìn)行剖析，提出了線上線下混合教學(xué)”、融入課程思政、搭建智能汽車自動(dòng)駕駛數(shù)字仿真教學(xué)平臺(tái)、融合智能汽車大賽與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等改革措施，以提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，充分貫徹“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，讓學(xué)生在有限課時(shí)內(nèi)獲得更全面的智能汽車技術(shù)知識(shí)與實(shí)踐能力。該教學(xué)改革不僅提升了學(xué)生收集、閱讀與處理文獻(xiàn)的能力，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的科研思維、創(chuàng)新思維及意識(shí)等，符合當(dāng)前新時(shí)代課程教學(xué)改革的要求。