基于“雨課堂”的智能車(chē)輛課程課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

熊光明，陳慧巖，龔建偉，呂 超，吳紹斌

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081）

我校機(jī)械工程 2016版研究生培養(yǎng)方案，在全國(guó)率先開(kāi)設(shè)了“智能車(chē)輛基礎(chǔ)”課程[1]。2017年上半年開(kāi)展了課程的首次教學(xué)實(shí)踐，2017年下半年該課程立項(xiàng)為我?！懊餍恰闭n程培育項(xiàng)目。通過(guò)該項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)了構(gòu)成智能車(chē)輛系統(tǒng)“機(jī)械、傳感、規(guī)劃、控制、執(zhí)行”等方面的有機(jī)聯(lián)系過(guò)程的動(dòng)態(tài)多媒體課程軟件，設(shè)計(jì)了智能移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)[2-3]。通過(guò)仿真平臺(tái)與實(shí)車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)相結(jié)合的智能移動(dòng)教學(xué)平臺(tái)，在強(qiáng)化學(xué)生對(duì)智能車(chē)輛認(rèn)知的同時(shí)，還提高了他們的創(chuàng)新能力和動(dòng)手操作能力。

我校研究生院根據(jù)學(xué)?！半p一流”建設(shè)規(guī)劃、學(xué)科評(píng)估目標(biāo)、2019年工作部署等，開(kāi)展2019年精品課程建設(shè)立項(xiàng)工作，要求學(xué)科專(zhuān)業(yè)核心課注重價(jià)值塑造、前沿知識(shí)、創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)，以學(xué)生為中心，開(kāi)展教學(xué)模式改革。2019年 3月，研究生院邀請(qǐng)學(xué)堂在線“雨課堂”資深培訓(xùn)師來(lái)學(xué)校介紹基于“雨課堂”的智能教學(xué)實(shí)踐探索。在此背景下，課程組提交了研究生精品課程建設(shè)立項(xiàng)申報(bào)書(shū)，嘗試運(yùn)用“雨課堂”這一智慧教學(xué)手段，開(kāi)展智能車(chē)輛專(zhuān)業(yè)核心課的教學(xué)實(shí)踐探索。

下面介紹基于“雨課堂”的智能車(chē)輛研究生課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐。

1 基于雨課堂的學(xué)習(xí)者分析

雨課堂是在互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的背景下，由學(xué)堂在線與清華大學(xué)在線教育共同研發(fā)、推廣的智慧教學(xué)工具[4-6]，其目的是將前沿教學(xué)理念與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，全面提升課堂教學(xué)體驗(yàn)[7]。雨課堂具有簡(jiǎn)單易用、互動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[8]，教師和學(xué)生不需要進(jìn)行復(fù)雜的學(xué)習(xí)，即可使用 PPT、微信等直接上手[9]，還可進(jìn)行實(shí)時(shí)問(wèn)答互動(dòng)，使教與學(xué)更加簡(jiǎn)單明了。

通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)者的分析，教師可以有針對(duì)性地采用能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)良好學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)能力，提高邏輯思維能力、解決問(wèn)題能力、實(shí)際操作技能的教學(xué)方式[10]。

智能車(chē)輛研究生課程是面向機(jī)械工程學(xué)科（包括6個(gè)二級(jí)學(xué)科方向）碩士生、博士生的課程，機(jī)械與運(yùn)載學(xué)部其他一級(jí)學(xué)科專(zhuān)業(yè)也可以選修。在2019年上半年課程開(kāi)課第一節(jié)課上，課程組首先運(yùn)用“雨課堂”這一智慧教學(xué)工具對(duì)選課學(xué)生進(jìn)行摸底分析。課程組設(shè)計(jì)了一系列問(wèn)卷問(wèn)題，通過(guò)雨課堂工具在課堂上呈現(xiàn)出來(lái)：

（1）你第一次聽(tīng)說(shuō)智能車(chē)是什么時(shí)候？

（2）你對(duì)智能車(chē)了解到什么程度？

（3）你對(duì)智能車(chē)的哪部分最感興趣？

（4）你最熟悉智能車(chē)上哪個(gè)傳感器？

（5）特斯拉無(wú)人車(chē)與谷歌無(wú)人車(chē)，技術(shù)上有哪些區(qū)別？

（6）你的課題方向與智能車(chē)相關(guān)嗎？

（7）這門(mén)課會(huì)涉及大量實(shí)踐操作，需要投入的時(shí)間可能會(huì)比較多，你對(duì)此怎么看？

（8）你最熟悉下面哪種編程語(yǔ)言？

（9）學(xué)完整個(gè)課程后，你希望有什么樣的收獲？

圖1是問(wèn)題5的“雨課堂”統(tǒng)計(jì)結(jié)果在教室投影的顯示。特斯拉無(wú)人車(chē)與谷歌無(wú)人車(chē)體現(xiàn)了智能車(chē)輛技術(shù)發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的兩個(gè)不同技術(shù)方案，通過(guò)此問(wèn)題了解學(xué)生對(duì)智能車(chē)輛技術(shù)的了解程度。作答的 41名學(xué)生中，有22名學(xué)生不了解，有12名學(xué)生大概了解一些，有3名學(xué)生比較了解，另有4名學(xué)生希望用投稿功能進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖2是問(wèn)題6的統(tǒng)計(jì)結(jié)果在手機(jī)上的同步顯示。參與投票的41名學(xué)生中，有18名學(xué)生的課題方向與智能車(chē)相關(guān)，有14名學(xué)生的課題方向與智能車(chē)有點(diǎn)關(guān)系，有6名學(xué)生的課題方向與智能車(chē)一點(diǎn)也不相關(guān)，另有3名學(xué)生的課題方向尚不確定。

可以看到，“雨課堂”工具可以非常方便地進(jìn)行實(shí)時(shí)問(wèn)答互動(dòng)、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并在手機(jī)和教室投影屏幕上同步顯示。通過(guò)問(wèn)卷及“雨課程”智慧教學(xué)工具，可以對(duì)選修智能車(chē)輛課程的對(duì)象或?qū)W習(xí)者在智能車(chē)輛技術(shù)背景方面的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而對(duì)選課的學(xué)生做到心里有數(shù)。

圖1 問(wèn)題5的“雨課堂”統(tǒng)計(jì)結(jié)果的投影顯示

圖2 問(wèn)題6的“雨課堂”統(tǒng)計(jì)結(jié)果的手機(jī)顯示

2 智能車(chē)輛課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

智能車(chē)輛課程是面向機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的學(xué)科專(zhuān)業(yè)核心課，要求學(xué)生具有比較扎實(shí)的控制理論、車(chē)輛理論、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、數(shù)學(xué)知識(shí)和編程操作能力。課程內(nèi)容涉及面廣，知識(shí)點(diǎn)偏難，且注重編程操作，如果僅依靠理論教學(xué)而不通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的鍛煉和練習(xí)，則無(wú)法掌握智能車(chē)輛理論與方法，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)提高的有效途徑[11]。

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)安排在課堂教學(xué)過(guò)程中，其目的是為理論教學(xué)服務(wù)[12]，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)共同組成課堂教學(xué)實(shí)施方案，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以促進(jìn)學(xué)生更好地理解、吸收和使用理論知識(shí)。教師通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，不僅可以幫助學(xué)生理解和掌握理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，也有助于他們根據(jù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況持續(xù)改進(jìn)理論教學(xué)方案。

結(jié)合智能車(chē)輛研究生課程特點(diǎn)，并針對(duì)選課學(xué)生情況，課程組設(shè)計(jì)了9個(gè)方面的智能車(chē)輛課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，其與教學(xué)大綱知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)大綱知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

考慮選課學(xué)生的實(shí)際情況，在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，更強(qiáng)調(diào)智能車(chē)輛基礎(chǔ)知識(shí)的掌握和應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)1-6分別對(duì)應(yīng)教學(xué)大綱中一、兩講的內(nèi)容，而實(shí)驗(yàn)7-9則要綜合考慮教學(xué)大綱全部16講的內(nèi)容。

3 基于“雨課堂”的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

3.1 基于“雨課堂”的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)分組

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用分組完成方式。目前，“雨課堂”提供了“系統(tǒng)隨機(jī)分組”“學(xué)生自由分組”“教師指定分組”三種方式。由前述對(duì)學(xué)習(xí)者的分析結(jié)果可知，選課學(xué)生對(duì)智能車(chē)的了解程度和編程基礎(chǔ)參差不齊，如果采用“學(xué)生自由分組”方式，很可能會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致組與組之間能力水平的巨大差異，不利于教學(xué)的開(kāi)展?！敖處熤付ǚ纸M”方式，雖然可通過(guò)強(qiáng)弱結(jié)合，在一定程度上避免這種情況，但由于是人為分組，做到完全公平公正是有難度的，所以最為大家接受的方式是“系統(tǒng)隨機(jī)分組”。本次教學(xué)實(shí)踐采用了“雨課堂”提供的“系統(tǒng)隨機(jī)分組”功能，把選課學(xué)生分成了9組。

如果要求各組都要全部完成9項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，工作量太大不現(xiàn)實(shí)。因此，把9個(gè)方面的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)分成3檔，實(shí)驗(yàn)1-3、實(shí)驗(yàn)4-6和實(shí)驗(yàn)7-9分別屬于3個(gè)檔次，同檔的3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)具有相同的難度系數(shù)。通過(guò)抽簽，每個(gè)小組分別從每檔的3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中抽出1項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，共3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，作為實(shí)驗(yàn)任務(wù)。每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)共有3個(gè)小組分別完成，形成一定程度的競(jìng)爭(zhēng)，有利于各小組爭(zhēng)相高質(zhì)量地完成同一實(shí)驗(yàn)，同時(shí)又由于各小組實(shí)驗(yàn)任務(wù)的難度系數(shù)大致相同，從而確保各小組實(shí)驗(yàn)任務(wù)的分值是大致相同的。

3.2 基于“雨課堂”與翻轉(zhuǎn)課堂的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)

本課程是面向碩士研究生、博士研究生的課程，需要考查學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、組內(nèi)協(xié)作學(xué)習(xí)及團(tuán)隊(duì)探究學(xué)習(xí)能力，還要考查團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決問(wèn)題能力。為此，在本次課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，借鑒了翻轉(zhuǎn)課堂的方式。

翻轉(zhuǎn)課堂就是教師與學(xué)生角色互換，或者說(shuō)傳統(tǒng)課上內(nèi)容與課下內(nèi)容互換[13]。在本次教學(xué)實(shí)踐中，要求學(xué)生在指定時(shí)間內(nèi)完成9項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，并在課堂上向全體學(xué)生展示，且所有展示都安排在教師正式講解對(duì)應(yīng)的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)之前。這就要求學(xué)生借助教師提供的材料或者自行查找其他材料，對(duì)課堂上尚未講解的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，并通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成指定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。下面以實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)6為例進(jìn)行闡述。

實(shí)驗(yàn)2要求對(duì)給定的汽車(chē)三維模型，計(jì)算只安裝一個(gè)64線激光雷達(dá)和前后各安裝1個(gè)32線激光雷達(dá)時(shí)，該車(chē)輛對(duì)凸障礙物和凹障礙物的最大檢測(cè)范圍。通過(guò)課堂展示發(fā)現(xiàn)，各小組學(xué)生都能夠根據(jù)32線激光雷達(dá)、64線激光雷達(dá)垂直視場(chǎng)角、激光線束垂直方向夾角等關(guān)鍵參數(shù)，以及車(chē)輛實(shí)際外形尺寸，并結(jié)合凸障礙物和凹障礙物的不同特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。

實(shí)驗(yàn)6來(lái)自于一個(gè)真實(shí)的實(shí)際問(wèn)題，要求在越野環(huán)境中檢測(cè)凹障礙。傳統(tǒng)方法是在實(shí)驗(yàn)2的基礎(chǔ)上，運(yùn)用幾何知識(shí)及閾值法進(jìn)行判斷，但這種方法容易出現(xiàn)誤檢。實(shí)驗(yàn)6要求采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，并讓3組學(xué)生分別用邏輯回歸、支撐矢量機(jī)、隨機(jī)森林三種方法進(jìn)行分析。通過(guò)雨課堂的同步，即使坐在后排的學(xué)生，也能在自己的微信中清楚地看到與教室投影相同的內(nèi)容，還可利用“雨課堂”工具與進(jìn)行展示的小組進(jìn)行線上線下互動(dòng)。

3.3 基于“雨課堂”的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

在各小組進(jìn)行課堂展示的同時(shí)，由學(xué)生進(jìn)行投票評(píng)分。第5小組學(xué)生抽到的題目是第1檔的第1題、第2檔的第5題和第3檔的第8題，與同檔同題的其他小組相比獲得了最高分。說(shuō)明該小組對(duì)相機(jī)標(biāo)定、智能車(chē)控制、智能車(chē)設(shè)計(jì)等問(wèn)題的分析與解決，都有較優(yōu)異的表現(xiàn)。

第1組學(xué)生的第1檔第3題和第3檔第9題，與同檔同題的其他小組相比獲得了最高分。說(shuō)明該小組在激光雷達(dá)的仿真模擬、智能車(chē)綜合測(cè)試等問(wèn)題的分析上，有較好的表現(xiàn)。

4 教學(xué)反饋

2019年6月底結(jié)課時(shí)，再次運(yùn)用“雨課堂”工具進(jìn)行了結(jié)課問(wèn)卷調(diào)查。

（1）本學(xué)期用“雨課堂”上課，給你印象最深的是什么？

（2）你認(rèn)為本課程最大的特點(diǎn)是什么？

（3）與你上過(guò)的其他課相比，在本門(mén)課上，你的課堂參與感有什么變化？

（4）與你上過(guò)的其他課相比，在本門(mén)課上，你的課堂收獲感有什么變化？

（5）對(duì)于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)工作量的設(shè)置，你有何評(píng)價(jià)？

（6）對(duì)于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置，你有何看法？

（7）本課程是研究生精品課程建設(shè)項(xiàng)目，你通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，最大的收獲是什么？

（8）本課程在精品課程持續(xù)建設(shè)過(guò)程中，你有何好的建議和意見(jiàn)？

對(duì)于問(wèn)題3，在作答的52名學(xué)生中，有17名認(rèn)為在形式多樣、內(nèi)容豐富的教學(xué)方式吸引下，參與感明顯上升；有18名認(rèn)為在授課教師的持續(xù)鼓勵(lì)下，能主動(dòng)參與到課堂中來(lái)；有13名認(rèn)為通過(guò)雨課堂提供的在線投稿方式，慢慢地敢于參與進(jìn)來(lái)。對(duì)于問(wèn)題 7，在作答的47名學(xué)生中，有25名認(rèn)為在創(chuàng)新性思維方面得到了鍛煉與提高；有14名認(rèn)為在批判性思維方面得到了鍛煉與提高；有4名認(rèn)為在顛覆性思維方面得到了鍛煉與提高。

5 結(jié)語(yǔ)

在研究生專(zhuān)業(yè)核心課程中引入智能車(chē)輛車(chē)載相機(jī)標(biāo)定、激光雷達(dá)安裝計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)凹障礙檢測(cè)、智能車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制等實(shí)際問(wèn)題，以學(xué)生為中心，把課堂還給學(xué)生。學(xué)生以小組為單位，通過(guò)自主學(xué)習(xí)、組內(nèi)協(xié)作學(xué)習(xí)及團(tuán)隊(duì)探究學(xué)習(xí)，在課堂上展示自己的研究成果和團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)了獨(dú)立的思考能力、創(chuàng)新性思維和批判性思維。