基于A—STEM的無人駕駛課程研究

葉小輝

2018年8月，廣東省深圳市龍崗區(qū)教育局印發(fā)了關(guān)于《深圳市龍崗區(qū)A-STEM課程建設(shè)的指導(dǎo)意見》（以下簡稱《意見》），強(qiáng)調(diào)人文藝術(shù)和理工科之間的深度融合，是以發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造性地解決現(xiàn)實(shí)生活問題為核心內(nèi)容的跨學(xué)科實(shí)踐課程。在這個(gè)背景下，筆者所在學(xué)校結(jié)合實(shí)際，開展了“無人駕駛汽車設(shè)計(jì)”項(xiàng)目的課程教學(xué)研究。

注重項(xiàng)目實(shí)踐

《意見》指出，A-STEM的項(xiàng)目實(shí)踐是模仿科學(xué)家和工程師的，即科學(xué)家和工程師是怎樣發(fā)現(xiàn)和解決問題，我們就讓學(xué)生去真實(shí)地經(jīng)歷怎樣發(fā)現(xiàn)和解決問題的過程。所以，項(xiàng)目實(shí)踐是直面真實(shí)情境的，而不是剝離了這些真實(shí)情境的知識(shí)學(xué)習(xí)和解題訓(xùn)練。本課程正是利用虛擬仿真技術(shù)為載體來模擬真實(shí)生活情境從而開展教學(xué)研究的。

1.問題的提出

現(xiàn)實(shí)生活中，經(jīng)常能看到各種因駕駛員操作不當(dāng)導(dǎo)致交通事故的新聞，筆者常在想，假如汽車不需要人操作就能自動(dòng)進(jìn)行安全駕駛，那人們生活的幸福指數(shù)將能進(jìn)一步提升。那如何設(shè)計(jì)無人駕駛汽車？如何實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車安全行駛？雖然中小學(xué)生對(duì)這些問題都很感興趣，但如果要實(shí)地實(shí)物進(jìn)行研究，目前對(duì)他們來說是遙不可及的，而通過虛擬仿真平臺(tái)，則給了他們另外一種途徑來研究。

2.建構(gòu)任務(wù)模型

iRobotQ 3D是一個(gè)機(jī)器人在線仿真平臺(tái)，在此平臺(tái)上，我們建立起了無人駕駛研究任務(wù)的模型：在虛擬的城市環(huán)境中，由行車道、十字路口、丁字路口、封閉路口、道路圍欄、斑馬線、道路標(biāo)線、路面干擾物以及行人、車輛等各種模擬元素構(gòu)成主要的三維任務(wù)場景。學(xué)生需要自行設(shè)計(jì)一輛機(jī)器人汽車、安裝各類傳感器并編寫相關(guān)程序，模擬實(shí)現(xiàn)無人駕駛的交通行為。任務(wù)要求機(jī)器人汽車在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)從起點(diǎn)出發(fā)，完成各類安全行車和技能挑戰(zhàn)動(dòng)作并抵達(dá)終點(diǎn)。

3.進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，教師可結(jié)合學(xué)生生活中的知識(shí)對(duì)其進(jìn)行講解，如關(guān)于重量和重心的問題，輪胎的選擇涉及的摩擦力的問題等，這樣他們能理解得更加深刻，對(duì)自己模型的選材也就更加明確了。

教學(xué)中筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生搭建的汽車基本上都是不一樣的，使用的傳感器也不盡相同，安裝的角度更是五花八門，而實(shí)際運(yùn)行中的效果更是千差萬別。眾多不一樣的設(shè)計(jì)想法，讓他們形成了思維的碰撞，從而產(chǎn)生改進(jìn)自己方案的想法，再根據(jù)仿真實(shí)踐檢測來不斷調(diào)整，不斷優(yōu)化，尋求最優(yōu)的解決問題的方案。在這個(gè)過程中，學(xué)生分析問題、解決問題的能力在不斷地提升。

4.探尋合適的算法

算法是對(duì)解決問題的計(jì)算過程的具體方法和實(shí)現(xiàn)步驟的數(shù)學(xué)化描述，在給定有限的條件下，學(xué)生既要考慮效果，又要考慮準(zhǔn)確性。怎樣把算法的本質(zhì)進(jìn)行抽象化和自動(dòng)化呢？這就涉及程序設(shè)計(jì)的問題。例如，圍繞如何讓汽車在賽道中間自動(dòng)行走這個(gè)問題，學(xué)生展開了各種嘗試，通過不斷地改進(jìn)算法，先后形成了四個(gè)版本。

學(xué)生把汽車在賽道上的位置狀態(tài)抽象成為三種情況，分別是：在賽道中央，偏離賽道左邊，偏離賽道右邊。根據(jù)這三種情況進(jìn)行分析，如下表。

根據(jù)以上分析，通過利用枚舉法的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)出算法，學(xué)生可得出結(jié)論，進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，這就有了走中間程序的第一代算法（如圖1）。

第二代的算法給汽車在中間的位置的判斷條件增加了100的容錯(cuò)值，在左右傳感器讀值相差100的范圍內(nèi)，都認(rèn)為機(jī)器人是行駛在道路中央，不需調(diào)整位置。而當(dāng)差值為500，則認(rèn)為偏離得比較遠(yuǎn)，可通過左右輪子更大的速度差來實(shí)現(xiàn)修正（如圖2）。

第三代算法則將各種條件判斷語句整合成一條數(shù)學(xué)算式。實(shí)現(xiàn)將距離傳感器的值通過除以100修正后，轉(zhuǎn)化成和速度相匹配的值（如圖3）。

前三代的算法，基本解決了車子自動(dòng)在賽道中央行駛的問題，可是，這里用的是固定的速度，實(shí)際情況是：不同的路段，路況是不一樣的。有的路段路況好，可以跑高速，有的路段路況差，有時(shí)候會(huì)撞到對(duì)向行駛而來的車，因此必須讓車子偏離在某一側(cè)行駛。這就提出了將整個(gè)賽道分成多個(gè)路段，每個(gè)路段用不同的策略行駛。

第四代算法，提出了變量，實(shí)現(xiàn)了不同路段速度可變，同時(shí)還引入了“偏轉(zhuǎn)”變量，實(shí)現(xiàn)了汽車行駛位置可變（如圖4）。

針對(duì)走中間算法的研究，進(jìn)行了四次大討論，每一次問題的解決，都讓學(xué)生嘗到了勝利的喜悅，同時(shí)又誘發(fā)了新的研究內(nèi)容。一個(gè)個(gè)新問題的出現(xiàn)，讓學(xué)生通過不斷否定自己的方法、深化對(duì)需求的理解、跳出慣性思維，養(yǎng)成對(duì)算法不斷優(yōu)化的思維方法，促進(jìn)了學(xué)生計(jì)算思維和創(chuàng)新思維的形成。

注重學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)

《意見》中明確提出，學(xué)科核心概念是基礎(chǔ)，開發(fā)A-STEM課程時(shí)要依據(jù)國家課程標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)各學(xué)科中的核心概念的學(xué)習(xí)，倡導(dǎo)學(xué)以致用，使知識(shí)活化為能力。信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“信息意識(shí)”“計(jì)算思維”“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”及“信息社會(huì)責(zé)任”四個(gè)內(nèi)容。

信息意識(shí)是指個(gè)體對(duì)信息的敏感度和對(duì)信息價(jià)值的判斷力。本課程中，需要通過紅外傳感器監(jiān)測的數(shù)值來識(shí)別是否有行人過馬路，通過距離傳感器的數(shù)值來識(shí)別車輛在道路的位置情況，學(xué)生要能夠分析判斷哪些信息是對(duì)該事件起影響作用的，哪些是不可靠的需舍棄的，還要能對(duì)信息可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行預(yù)期分析，為解決問題提供參考，同時(shí)要能夠與團(tuán)隊(duì)成員共享信息，實(shí)現(xiàn)信息的價(jià)值最大化。

計(jì)算思維是指個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。在本課程中，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，通過虛擬平臺(tái)，界定問題，抽象特征，建立結(jié)構(gòu)模型，合理組織數(shù)據(jù)，通過判斷、分析和綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案。

數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新是指個(gè)體通過評(píng)估并選用常見的數(shù)字化資源與工具，有效地管理學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)資源，創(chuàng)造性地解決問題，從而完成學(xué)習(xí)任務(wù)，形成創(chuàng)新作品的能力。本課程的學(xué)習(xí)研究都是基于3D虛擬仿真數(shù)字化平臺(tái)來開展學(xué)習(xí)研究的，學(xué)生通過開展自主學(xué)習(xí)，協(xié)同工作與知識(shí)分享，適應(yīng)數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，養(yǎng)成創(chuàng)新的習(xí)慣。

信息社會(huì)責(zé)任是指信息社會(huì)中的個(gè)體在文化修養(yǎng)、道德規(guī)范和行為自律等方面應(yīng)盡的責(zé)任。本課程想通過學(xué)習(xí)研究，使學(xué)生具有信息安全意識(shí)，能夠遵守信息法律法規(guī)，信守信息社會(huì)的道德與倫理準(zhǔn)則，在現(xiàn)實(shí)空間和虛擬空間中遵守公共規(guī)范，積極維護(hù)合法權(quán)益和公共信息安全，關(guān)注信息技術(shù)革命帶來的環(huán)境問題與人文問題。

注重跨學(xué)科融合

對(duì)于人文領(lǐng)域的跨學(xué)科概念，生活意義和正義是據(jù)以行動(dòng)的大概念，仁愛和美是據(jù)以判斷的大概念，而A-STEM提供了一整套的可以信賴的求真的方法和知識(shí)體系，與仁愛和美一起構(gòu)成了我們據(jù)以判斷的基礎(chǔ)。

筆者在“無人駕駛汽車設(shè)計(jì)”課程教學(xué)實(shí)踐中，始終把人文精神引領(lǐng)貫徹落實(shí)到課堂中，在解決問題的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生審美、創(chuàng)美能力，進(jìn)而達(dá)到以美育人的目標(biāo)。例如，設(shè)計(jì)的車輛模型必須遵循相關(guān)規(guī)定，不得超寬超長，同時(shí)，結(jié)構(gòu)還要符合美學(xué)需求，盡可能設(shè)計(jì)得美觀；無人駕駛的汽車必須在遵守交通規(guī)則的前提下行駛，必須以倫理道德為底線，以人為本，尊重生命，必須能合理禮讓行人，必須要能安全會(huì)車。筆者在課上安排了分享環(huán)節(jié)，通過學(xué)生的展示分享，既鍛煉了他們大膽地表達(dá)自己觀點(diǎn)的能力，也讓他們在欣賞別人作品的同時(shí)，能站在對(duì)方的角度去思考其設(shè)計(jì)背后的緣由，以同理心去理解他人，去認(rèn)識(shí)別人設(shè)計(jì)的長處。

在A-STEM方面，反映的是“求真”。設(shè)計(jì)怎樣的汽車結(jié)構(gòu)？如何選取結(jié)構(gòu)件？如何讓汽車在路中央行走？如何推開路上的障礙物？如何避讓行人？如何避讓相向行駛的車輛？……圍繞這些問題，學(xué)生需要在實(shí)踐中一個(gè)個(gè)去“求真”。每一個(gè)問題學(xué)生都需要融合多個(gè)學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)去解決。本課程是通過“系統(tǒng)和系統(tǒng)模型”及“結(jié)構(gòu)和功能”這兩個(gè)跨學(xué)科概念來實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科融合的。一是通過虛擬仿真技術(shù)建立起無人駕駛的城市系統(tǒng)；二是通過汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)，研究不同的結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計(jì)產(chǎn)生的不同功能。

注重多樣化評(píng)價(jià)

基于“一切皆在形成中”的評(píng)價(jià)理念，本課程通過學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)成效、創(chuàng)新指數(shù)、小組合作的貢獻(xiàn)等方面對(duì)學(xué)生加以評(píng)價(jià)。例如，解決路上障礙物的問題，有的采用叉車的結(jié)構(gòu)，有的采用三角形箭頭結(jié)構(gòu)，有的在車頭裝了高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)推開障礙物，有的選擇用程序繞開，每一種方法都值得鼓勵(lì)和肯定。又如，對(duì)小組合作的評(píng)價(jià)，更加注重學(xué)生在小組合作過程中貢獻(xiàn)的力量大小，發(fā)揮了什么作用，表達(dá)自己的觀點(diǎn)的明晰如否，與隊(duì)員溝通是否有效，是否能有效合作等，這些都是評(píng)價(jià)的依據(jù)。

本課程深受學(xué)生的喜愛，起初只是以社團(tuán)興趣小組的形式開展，經(jīng)過三個(gè)月的學(xué)習(xí)，學(xué)生陸續(xù)在各類大賽上獲得不錯(cuò)的成績，這些成績激勵(lì)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，本課程在本學(xué)期開始了大班化的教學(xué)推廣。實(shí)踐證明，通過這個(gè)課程，學(xué)生的邏輯思維能力、綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力等各方面都得到了不同程度的提高。