新工科背景下智能車輛環境感知技術課程改革探索

王權　王大方　馬琮淦　李衛華　劉清河　賈永凱

摘 要：當前我國智能網聯汽車產業發展迅猛，專業技術人才供需的結構性矛盾十分突出。因此，智能車輛工程新工科專業應運而生。本文介紹了哈工大（威海）智能車輛工程專業的培養目標和課程體系；分析了智能車輛環境感知技術課程教學過程中存在的突出問題；基于成果導向的教學理念對智能車輛環境感知技術的教學目標、教學設計、課程團隊、教材開發等方面提出了改革措施，希望為相關院校智能車輛工程專業課程改革提供借鑒。

關鍵詞：新工科 產學合作協同育人 智能車輛工程 感知技術 課程改革

1 引言

全面建設社會主義現代化國家，科技是關鍵，人才是基礎，教育是根本。習近平總書記在黨的二十大報告中強調“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐”，對“加快建設教育強國、科技強國、人才強國”作出了全面系統部署[1]。

新一輪科技革命和產業變革蓬勃興起，智能汽車已成為全球汽車產業發展的戰略方向。2020年2月，國家發改委等11個部門聯合印發了“智能汽車創新發展戰略”[2]，規劃了中國智能汽車產業發展路線圖。2020年7月，習近平總書記考察在中國一汽集團研發總院時指出[3]：“一定要把關鍵核心技術掌握在自己手里，要立這個志向，把民族汽車品牌搞上去。”2020年10月《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》[4]發布，明確了面向2035年智能網聯汽車的發展愿景、目標及里程碑。

2017年以來，哈爾濱工業大學系統地推進新工科建設，先后建設了一批新工科專業群，發展形成了“哈工大新工科‘π型方案”，積極構建產學研用深度融合的開放式教育生態體系，打造新工科人才培養的良好環境，在工程教育改革、學科交叉融合、教學方法創新、校企協同育人等方面闖出了一條新路[5]。2018年，哈工大（威海）智能車輛工程專業成為教育部新增審批的全國首個智能車輛領域的新工科專業。截止到2022年，教育部新增備案開設智能車輛工程專業的高校達到30所，如表1所示。

2021年5月，《智能網聯汽車產業人才需求預測報告》[7]出版，報告分析了我國智能網聯汽車產業人才現狀及需求，智能網聯汽車產業環境感知重要崗位需求分布如表2所示。預測到2025年智能網聯汽車產業人才需求為9.2萬～11.6萬人，智能網聯汽車產業的研發人員缺口約為1.3萬～3.7萬人。總之，從業人員數量供給不足、質量不能滿足行業需求。智能車輛環境感知技術是哈工大（威海）智能車輛工程專業核心課程之一，已經完成2019級和2020級智能車輛工程專業122名學生授課，教學過程中仍存在諸多問題，教學內容和教學效果不能滿足培養智能車輛工程專業創新拔尖型人才的需求。

2022年1月，教育部、財政部、國家發展改革委關于深入推進世界一流大學和一流學科建設的若干意見[8]中，指出“完善大學創新體系，深化科教融合育人”，加強高校、科研院所、企業等主體協同創新，建立協同組織、系統集成的高端研發平臺，推動產學研用深度融合，促進科技成果轉化，推進教育鏈、人才鏈、創新鏈與產業鏈有機銜接。

本文分析了智能網聯汽車環境感知方向的人才需求和智能車輛工程專業人才培養方案，針對新工科背景下智能車輛環境感知技術教學現狀和課程改革進行了探討。以培養新時代的智能網聯汽車產業杰出人才為目標，從教學目標、教學設計、課程團隊、教材開發等方面入手，對智能車輛環境感知技術課程改革提出了具體的措施和建議[9]。

2 智能車輛工程專業培養方案

2.1 培養目標

哈爾濱工業大學（威海）智能車輛工程專業人才培養目標：

1）德才兼備、治學嚴謹，能夠解決相關領域重大科學問題的學術大師；

2）本領過硬、精益求精，在打造國之重器中發揮核心作用的工程巨匠；

3）勤勉修身、遠見卓識，具有優良科學素養和卓越領導力的治國棟梁；

4）眼界開闊、格局宏大，致力帶動技術、經濟及社會創新的業界領袖。

畢業生在畢業5-10年預期達到以下目標：

肩負中華民族的歷史責任，成為愛黨愛國、品學兼優、志存高遠、知博識卓的時代精英。具備良好的溝通協作、認知融合及終身學習能力。擁有國際視野、創新精神，以及優良的科學素養，高度的社會責任感。具有多元知識結構和解決復雜智能制造系統的科學與研究、設計與發展、生產與管理問題的能力。在智能車輛工程及相關領域，培養敢為天下先的新時代杰出人才。

2.2 課程體系

智能車輛工程專業課程體系，分為四大板塊，即公共基礎課、大類平臺課、專業方向課及自主發展課。大類平臺課程包括：專業集群基礎課程（智能車輛專業導論、工程制圖基礎、C語言程序設計）和大類專業基礎課程（智能車輛仿真技術、電路與電子學、理論力學、機械原理、機械設計、機械制造技術基礎，信號處理基礎、數據結構與算法設計、單片機原理及實踐、軟件設計與開發實踐、人工智能入門、自動控制原理、嵌入式系統原理等）。專業方向課程：核心課程（智能車輛環境感知技術、智能車輛規劃與決策、智能車輛控制、智能網聯汽車技術、電動汽車理論、智能車原型制作與開發、智能車輛平臺設計開發等），專業方向選修課包括（智能交通系統、汽車無人駕駛技術、車載網絡技術、新能源汽車概論等）。智能車輛環境感知技術是通過對智能汽車關鍵技術、人工智能與神經網絡、目標識別與場景理解、多傳感器融合等知識的講授，培養學生掌握智能車輛環境感知技術的基本知識、標定和目標識別及神經網絡設計的基本能力，為學習后續專業課程、感知系統設計以及科學研究打下必要的基礎。

3 智能車輛環境感知技術教學現狀分析

智能車輛環境感知技術（32學時2學分），2021年秋季學期首次開課，已完成2個年級授課。通過課程跟蹤、專家聽課和學生評教發現教學目標單一、教學內容寬泛，學生學習的積極性和主動性不高，缺少配套的專業教材、師資力量薄弱、實驗平臺建設滯后等問題，是新工科背景下智能車輛環境感知技術教學過程中需要重點解決的問題。具體而言：

（1）教學目標單一，教學設計不足。智能車輛環境感知技術課程具有知識點多、覆蓋面廣、理論難懂、實踐性強的特點。授課沿襲傳統車輛工程專業課程的教學方法，側重講解各類傳感器的工作原理、技術參數、感知算法及應用場景，內容寬泛且枯燥抽象，學生課堂抬頭率不高。同時，教師課外作業布置較多，學生容易產生抵觸情緒，導致教學效果不佳，忽視了對學生團隊精神、終身學習能力及科學素養的培養。

（2）調查發現，目前智能車輛環境感知技術相關教材主要有以下幾類：面向職業等級技能證書類教材，內容寬泛，難度低；學術專著類教材，理論性強、實踐案例少，學生學習困難；校企合作開發類教材，介紹典型算法及應用案例，高度依賴企業平臺；自動駕駛技術類教材，環境感知技術僅有一章，篇幅過小，無法展開。教學過程需要統籌兼顧課程體系的廣度和深度，從課程培養目標和學時限制等方面分析，上述教材無法與本課程配套。

（3）智能車輛工程專業成立時間短，師資力量相對薄弱，課程團隊建設滯后。目前，本課程有任課教師1人、助教1人。任課教師是由車輛工程專業轉移至智能車輛工程專業，缺少人工智能、計算機及自動化等專業背景，既要承擔車輛工程專業的授課，同時又要面臨在新工科專業開設新課的壓力，面對教學設計、教案制作、教學研究和課程思政等各項任務，需要投入大量的時間和精力，缺少課程團隊支持，容易顧此失彼，影響授課的整體效果。

（4）智能車輛工程專業課程體系仍不完善，理論教學與實驗教學脫節，缺少自動駕駛專業仿真軟件、實驗平臺以及實驗指導手冊和項目案例，學生動手實踐機會少，導致在自動駕駛感知的模型訓練、算法開發和智能小車實操方面經驗不足。專業核心課程與課程設計、畢業設計等環節尚未完全打通。缺乏成本更低、技術更成熟的一體化解決方案用于快速構建智能車輛工程專業的課程體系。

4 智能車輛環境感知技術教學改革與實踐探索

4.1 明確知識、能力、素質三方面的教學目標

（1）知識層面：了解智能車輛產業發展趨勢及關鍵技術的應用前景；了解智能車輛環境感知的目的、環境感知的對象以及環境感知的方法；了解現階段智能車輛環境感知系統的優缺點和科技前沿的發展方向；熟悉車載環境感知系統的構成及工作原理；熟悉環境感知的圖像處理算法、機器學習算法及自動駕駛數據集等。掌握車載傳感器數據預處理方法與目標識別技術；掌握深度學習方法的基本理論和神經網絡的基本結構；掌握python或C++語言編程并能夠搭建簡單的神經網絡模型。

（2）能力層面：根據新工科專業學生的特點，為學生提供優質的課程資源和一體化的實驗平臺，發揮學生學習的積極性和主動性。利用虛擬仿真平臺的傳感器模型，學習和驗證經典的感知算法。通過實車實驗，掌握不同傳感器的安裝方法、標定方法，能夠獲取和存儲數據，完成感知實驗任務；將混合式教學與項目驅動相結合，提高學生自主學習、獨立探究、創新實踐的能力，培養學生終身學習的意識，積極應對智能網聯汽車產業帶來的挑戰。

（3）素質層面：以習近平總書記致哈工大建校100周年賀信精神為引領，將思政元素有機融入到教學設計中，介紹哈工大為黨和人民打造一大批國之重器、培養一大批杰出人才的典型案例，學生們的愛國熱情空前高漲，努力學習和貫徹習近平新時代中國特色社會主義思想，堅定了踐行社會主義核心價值觀的決心。教師在授課結束后，向學生發放調查問卷，檢驗課程思政建設的成效，結果表明學生們的家國情懷、科學素質均有較大的提升[10]。

4.2 從理論、實驗兩方面優化教學設計

（1）理論教學：課前導學階段，教師通過布置自動駕駛感知技術慕課課程，讓學生提前預習知識點，教師設置若干討論題，啟發學生思考。課中探學階段，課堂上組織學生分組討論，教師設問、學生探究，教師引導、學生提供解決方案，培養學生獨立思考、自我探索的能力。鼓勵學生提出問題和解決思路，由教師點評和解答疑難問題，學生課堂抬頭率明顯提高。課后拓學階段，增加課后任務難度，給各組布置自動駕駛感知模塊的不同任務，鼓勵學生研讀感知算法原文，下載開源代碼，進行算法復現，各組在下次課堂上展示研究成果，組間互評，多人翻轉，各組通過分享和討論，學生學習的積極性和主動性明顯提高[11]。

（2）實驗教學：在教育部產學合作協同育人項目的大力支持下，構建了騰訊TAD Sim教育版和百度Apollo虛擬仿真教學雙平臺，設計了以“學”為中心“問題導向-獨立思考-團隊合作-深入探索-教師點評-歸納總結-動態反饋”式的實驗流程。以學生動手實踐為主，教師現場指導為輔，學生掌握了自動駕駛仿真系統安裝、調試、仿真等工具的使用；熟悉了自動駕駛高精度地圖、定位、感知、預測、規劃與控制等模塊的運行機制、代碼架構等知識，激發了學生“學”的熱情和主動性，改善了“教”與“學”的效率和效果，學生的工程思維能力、解決復雜問題的能力以及綜合素質都得到了顯著提高。

4.3 多種舉措并舉，打造一流課程團隊

（1）組建虛擬教研室，構建“教師+企業工程師”多學科知識體系的雙師型師資隊伍，定期組織自動駕駛仿真軟件培訓、項目研討、技術講座、教學研究等活動。鼓勵教師深入自動駕駛汽車企業開展交流和學習，提升工程實踐能力，促進課程教學與產業應用有機融合。

（2）積極引進具有人工智能、自動化、計算機等專業背景的青年教師，補齊課程團隊專業短板，學院出臺主講教師資格認定辦法，建立青年教師課堂準入和教學能力提升制度，例如，要求青年教師參加教學基本功大賽、教研室以老帶新、助教助課等。

（3）建立校內外多部門、多學科協同的師資隊伍共享機制和校外兼職導師評聘機制，通過聘請國內外知名大學客座教授和自動駕駛企業的技術專家作為兼職導師，共同指導課程教學、課程設計和畢業設計。

（4）開展智能車輛工程系和自動駕駛企業雙方黨支部的聯建共建，以“共建、共享、共培、共研、共創”為途徑，推進“產、學、研、用”深度融合，打造一流課程團隊，著力形成特色黨建聯建體，資源交流、科研共享、引領企業產業和學校人才培養升級，實現共贏。

4.4 開發數字教材，加快推廣應用

（1）新工科教材具有時代性、前沿性、融合性、開放性、體系化等特征[12]。智能車輛工程專業培養方案經歷了二次修訂，對教學內容和課程體系建設提出了新的要求，迫切需要開發專業教材。依托哈工大（威海）未來技術學院“智能環境感知技術”課程和百度Apollo星火計劃2.0課程，開發《智能網聯汽車環境感知技術》的數字教材。

（2）當培養方案發生變化、課程大綱需要調整時，可以快速優化課程體系和教學資源，適應教學環境變化。當課程教學內容穩定、知識體系完備后，出版新形態教材，通過二維碼、數字課程作為教材配套資源，增強教材的可讀性，引入實驗平臺、技術前沿、拓展資料等資源，與大學慕課進行一體化設計，為學生提供個性化的學習方案。

（3）教材開發過程中，通過教學立項、技術年會、課程研討和師資培訓等形式，課程團隊與新工科聯盟、中國智能網聯汽車產業創新聯盟、行業學會和行業協會、出版社及兄弟院校建立起了廣泛聯系，提高新工科教材編寫質量，加快在相關院校的推廣應用。

5 結語

當前我國智能網聯汽車產業迅猛發展，智能車輛專業技術人才供需的結構性矛盾突出。同時，智能車輛工程專業成立時間短，專業課程教學內容和課程體系改革仍處于探索階段。本文以智能車輛環境感知技術課程為例，分析了教學過程中存在的突出問題，基于成果導向的理念，從知識、能力、素質三方面細化了教學目標，從理論和實踐兩方面優化了教學設計，提出了理論教學“課前導學、課中探學、課后拓學”三階段任務，構建了騰訊TAD Sim和百度Apollo虛擬仿真教學雙平臺，設計了以“學”為中心的實驗流程，解決了缺少自動駕駛仿真平臺的難點、打通了理論教學和實驗教學之間的堵點、消除了智能車輛工程專業人才培養的痛點。另外，在課程團隊建設和開發數字教材方面提出了若干建議，希望能為相關院校智能車輛工程專業的課程改革提供借鑒。

基金項目：2022年教育部產學合作協同育人項目：“基于TAD Sim教育版的智能車輛環境感知技術課程體系改革與應用實踐”（編號：220500006274827），“基于百度Apollo的《智能網聯汽車感知技術》教材開發”（編號：220600001300838），“智能汽車決策與控制虛擬仿真實踐基地建設”（編號：220506707315854）；2022年山東省本科教學改革研究項目“面向汽車類專業的四育人模式研究與實踐”（編號：M2022232）；哈爾濱工業大學教育教學改革研究項目“基于‘Ⅰ+Ⅳ導師制的新工科智能車輛工程學生創新能力培養模式研究”（編號：XJG2021017）。

參考文獻：

[1]學習宣傳貫徹黨的二十大精神，新華網，http：//www.xinhuanet.com.

[2]中華人民共和國發展與改革委員會，關于印發《智能汽車創新發展戰略》的通知，https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/202002/t20200224_1221077.html.

[3]“把民族汽車品牌搞上去”——從中國一汽創建70年看中國汽車工業發展，http：//www.xinhuanet.com/politics/2023-07/14/c_1129749148.htm.

[4]中國汽車工程學會主編，節能與新能源汽車技術路線圖2.0[M].機械工業出版社，2021.1.

[5]徐曉飛，沈毅，鐘詩勝，等.新工科模式和創新人才培養探索與實踐——哈爾濱工業大學“新工科‘π型方案”[J].高等工程教育研究，2020，（2）：18-24.

[6]中華人民共和國教育部，https：//www.moe.gov.cn/.

[7]中國汽車工程學會主編，智能網聯汽車產業人才需求預測報告[M].北京理工大學出版社，2021.5.

[8]教育部財政部國家發展改革委關于深入推進世界一流大學和一流學科建設的若干意見，https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-02/14/content_5673489.htm.

[9]夏利紅，楊智宇，陳亞華. 智能車輛新工科背景下專業英語課程改革探索[J]，時代汽車，2022（10）：61-63.

[10]王權，馬琮淦，李衛華等，賀信精神融入新工科課程思政教學設計——以“智能車輛環境感知技術”為例，哈工大貫徹落實習近平總書記賀信精神教育教學成果研討會，2022.5.

[11]Apollo開發者社區，師者|一次拔尖人才培養方式的有益探索，https：//apollo.baidu.com/community/article/1035.

[12]時陽，產學合作視角下新工科專業教材建設初探[J]，計算機教育，2020（9）：183-186.