新工科建設背景下無人駕駛開放創新實踐教學模式研究

摘 要 無人駕駛作為跨學科的代表性領域之一，對于培養符合新工科要求的人才具有重要意義。基于穿透式學習理論，構建競賽驅動的層次化無人駕駛開放創新實踐課程體系。該體系通過拆解無人駕駛相關競賽中的獲獎案例，反向設計創新實踐教學內容，發掘實踐教學資源，以高階性、創新性和挑戰度為課程建設標準，采用開放式教學，培養學生的自主學習能力、創新思維和解決復雜工程問題的能力，實現知識向能力的轉化。實踐表明，層次化開放創新實踐教學模式具有良好的教學效果。

關鍵詞 新工科；無人駕駛；以賽促學；穿透式學習；競賽；實踐教學；創新能力

中圖分類號：G642.44 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）18-0153-04

0 引言

無人駕駛涉及傳感器技術、控制理論、人工智能等多學科的前沿知識，具有較高的復雜性和挑戰性[1-2]。在新工科建設背景下，無人駕駛實踐教學成為培養學生實踐能力和創新能力的有效手段。

目前，部分高校已經開展了無人駕駛實踐課程教學，取得了較好的教學效果。例如：黃瑞等[3]以無人駕駛為教學載體開展車輛工程專業課程設計與實踐教學，加深學生對前置專業理論課程的理解；周浩然等[4]開發無人駕駛教學實驗平臺，將蘭州大學的無人駕駛課程從仿真教學改為仿真和實物結合的教學模式，開展人工智能學科等多學科交叉的教學實踐；王雨蒙等[5]開發ROS智能車并設計ROS智能車實驗課程，依托智能汽車專業課程汽車智能化技術開展實驗教學，助力智能汽車人才培養。

上述基于無人駕駛的實踐課程具有一定的創新性和實用性，但大都是為汽車專業人才培養作支撐。工程訓練中心作為全校各專業學生的實踐實訓和創新創業基地[6]，無學科和專業屬性，依托工程訓練中心開發無人駕駛開放創新實踐課程，更有利于跨學院、跨學科的交叉復合型人才培養，契合新工科人才培養的要求。

1 “以賽促學”的層次化無人駕駛開放創 新實踐教學設計

隨著人工智能理論與技術超乎的迅猛發展，智能化時代已然到來[7]。在智能化時代，學生獲取知識的途徑豐富多樣，因此，教學不應該只是傳授理論知識和實踐技能，更要注重新工科人才培養要求，構建將基本技能與主流技術結合、理論知識與實際項目結合的課程框架，引導學生主動思考和自主學習，使人才培養模式從知識傳授向能力培養轉變[8-9]。穿透式學習是一種基于學習科學理論的高效率學習方式，要求先從實干世界走出來尋求知識和技能，然后再回到實干世界使用，其核心目的是掌握實際技能和提供產出，將所學知識轉化成能力，形成知識體系[10]。

基于國家創新驅動發展戰略，針對產業前沿領域和社會發展對工程人才創新能力的需求，教育部相應的指導委員會設計了多樣化的競賽項目[11]，貼合生活實際，能夠激發學生的學習興趣。同時，學科競賽有評價、診斷、反饋、激勵等多種功能，可以促進課程教學、檢驗課程教學質量。本文基于穿透式學習理論，構建競賽驅動的層次化無人駕駛開放創新實踐教學體系，以培養符合新工科要求的復合創新型人才，如圖1所示。通過拆解實干世界的競賽獲獎案例，深入挖掘實踐教學資源，反向設計基礎實踐、進階實踐和創新實踐的層次化教學內容，幫助學生掌握相關知識和技能，最后以競賽成果作為人才培養的外在可觀測結果，助力新工科人才培養質量的提高。

2 基礎實踐課程設計

2.1 實驗項目

無人駕駛開放創新實踐課程以興趣為導向，面向全校各專業開設。為適應學生專業差異大、學科知識跨度大的狀況，基礎實驗項目以搭建自主循跡車為教學載體。學生通過制作自主循跡車，完成對道路黑線軌跡的識別并實現在整個路況下的行駛。可以開設的基礎實驗項目如表1所示。學生可以了解無人駕駛智能車的運行原理，掌握單片機、循跡傳感器、電機控制、機械結構設計、算法設計等基礎知識。

2.2 授課方式

基礎實踐采用課堂案例式教學方式，通過高年級學生參加全國大學生智能汽車競賽的經驗和收獲導入，激發學生興趣。教師將循跡智能車按照功能和模塊拆解成機械、硬件和軟件三個子模塊，介紹每個功能模塊的常用技術、方法和學習方法，為學生提供模型車底盤、電機、鋰電池和傳感器、單片機等開源零部件，學生需要自行組裝智能車模、編程，使小車準確執行下發的控制指令，實現從無到有的自主循跡車的搭建、設計與開發。在整個過程中教師引導學生自主學習，讓學生對無人駕駛車機械結構、傳感技術、電子技術和控制理論等多學科知識進行有效關聯，了解自動循跡車的整體框架和嵌入式技術要點。基礎實踐課程旨在幫助學生鞏固基本知識、強化實踐技能，并充分了解穿透式學習的方法，提高自主學習能力。

2.3 考核方式

基礎實踐課程從知識、能力和素質等方面進行多元化的考核。考核方式由課堂提問、成果展示和提交研究報告三部分組成，分別占比20%、60%和20%。課堂提問主要考查學生對相關知識點的掌握程度。成果展示的形式為循跡競賽，競賽結果直觀有效，對學生而言，既是完成考核任務，也是研究成果展示，更是實現自我挑戰與超越，激發學習興趣。研究報告主要內容為各模塊的設計方案和個人收獲總結。

3 進階實踐課程安排

3.1 實驗項目

進階實驗項目面向已完成基礎實踐訓練的學生，以基礎實踐課程搭建的無人駕駛車為載體，添加車載電腦、顯示屏、攝像頭，利用卷積神經網絡構建攝像頭數據和小車拐彎角度之間的關系，進而控制小車沿著車道線行進，并利用YOLO目標檢測架構，對紅綠燈、障礙物、車速標志牌等進行檢測，控制小車應對道路上的各種問題，進行自動駕駛。無人駕駛沙盤和無人駕駛車如圖2所示。進階實踐課程主要針對無人駕駛技術中的車輛控制技術和系統決策機制，以及控制、感知、深度學習等技術的交叉融合，形成銜接緊密的知識體系。

3.2 授課方式

進階實踐課程依托無人駕駛沙盤平臺進行開放式教學，采用“教師引入—學生組隊—自主學習—彈性指導”的授課方式。教師對系統的功能、組成進行介紹，說明設計要求。學生自行組隊，要求每個團隊必須包含來自不同專業的學生，采用穿透式學習方法進行自主學習。學生對實驗項目要求的任務進行拆解，拆解后的子任務包括傳感器、感知與定位、深度學習的設計與應用、路徑規劃算法及控制優化等，自主查閱資料研究無人駕駛各模塊技術原理并完成相關功能開發，實現相關知識的關聯。通過該實驗，學生可以學會拆解并協調整合各個子任務，提高分析復雜問題的能力和自主學習能力。

3.3 考核方式

進階實踐課程從知識、能力和素質等方面進行多元化考核。考核方式由分組答辯、成果展示和提交研究報告三部分組成，分別占比20%、60%和20%。分組答辯時要求學生對無人駕駛車的結構組成、功能、運行原理、控制算法進行講解匯報，并在無人駕駛沙盤系統上進行成果展示，完成自主循跡、車道線識別、紅綠燈識別、交通避障等規定功能。成果具有創新性的可以獲得額外加分，這促使學生積極探索、主動學習，不斷挑戰自我，取得更好的學習成果。研究報告主要內容為無人駕駛車的國內外研究現狀、無人駕駛車設計方案和個人收獲總結。

4 創新實踐課程設計

4.1 實驗項目

創新實踐課程為設計性實驗，面向有一定基礎的學生。以學科競賽為引領，以社團輔助管理為保障，以實驗室開放為支撐，教師對學生進行彈性指導，鼓勵并引導不同專業的學生組成團隊，參加全國大學生智能汽車競賽、中國大學生工程實踐與創新能力大賽等高水平科創競賽，將競賽作為課程教學的重要一環，激發學生的創新熱情和潛能，培養學生的團隊合作精神，讓學生直面挫折和挑戰，提高在實踐中掌握新知識、應用新知識的能力，提高創新思維能力和解決復雜工程問題的能力。

4.2 授課方式

創新實踐課程采用開放式教學，學生組成創新團隊自主完成。教師團隊分析解讀中國高等教育學會每年發布的全國普通高校大學生競賽排行榜，學生團隊選擇感興趣的賽事，自主查閱文獻資料、設計創新項目方案并進行展示，師生討論優化后立項，由學生團隊主導實施。圖3為學生參加中國大學生工程實踐與創新能力大賽和全國大學生智能汽車競賽的作品。教師在該實踐教學階段的功能定位是保障實踐條件和實踐安全，引導學生堅持正確的研究方向，對學生研究中遇到的問題提供解決思路，鼓勵學生運用新思路、新技術實現研究任務，指導學生撰寫論文、申報專利，培養學生的創新思維和知識產權保護意識，觀察并記錄學生在實踐過程中的綜合表現，做好開放實踐的統籌管理工作。

4.3 考核方式

創新實踐課程將實踐過程記錄和競賽成果作為學生創新意識和自主學習能力的重要表征。通過參與競賽，學生能夠將所學理論知識與實踐技能相結合，運用穿透式學習方法解決實際問題。在競賽過程中，學生需要圍繞大賽主題進行深入研究和探索，完成總體方案設計、機械結構設計與制造、程序代碼編寫、視覺圖像處理、傳感器應用、優化調試、撰寫技術報告等一系列任務，在大賽中展示項目成果，接受評委的評審，答辯，與其他參賽隊伍進行交流和分享。通過該實驗項目，培養學生的創新思維和實踐能力，提高學生解決復雜工程問題的能力和團隊協作能力。

5 結束語

針對無人駕駛開放創新實踐教學模式進行研究與探索，踐行以學生為中心的教學理念，改變“先知識后能力”的人才培養邏輯，將其轉變為“先能力后知識”，推動學生不斷鍛煉思維，增強對新知識的接納能力和想象力。基于穿透式學習理論，構建競賽驅動的層次化無人駕駛開放創新實踐教學體系，層層遞進、難易結合，實現不同學科知識的有效關聯，培養具有自主學習能力、創新思維和解決復雜工程問題能力的新工科復合型人才。從近三年的實施效果來看，經過該課程培訓的學生參加學科競賽，獲得全國大學生智能汽車競賽一等獎10項、二等獎8項，獲得中國大學生工程實踐與創新能力大賽金獎3項、銀獎2項。該教學體系在實踐中獲得良好的效果，契合新工科人才培養的要求。

6 參考文獻

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