以慕課和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的智能車輛課程混合式教學(xué)實(shí)踐

熊光明，龔建偉，陳慧巖，郝浩倩

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

《中國(guó)制造 2025》[1]對(duì)智能車輛技術(shù)這一新興領(lǐng)域給予了高度關(guān)注。本課程組對(duì)于如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識(shí)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的“智能車輛技術(shù)”人才問題進(jìn)行了研究，并從2017年開始連續(xù)開展了三屆教學(xué)實(shí)踐[2-4]。通過(guò)明星培育項(xiàng)目、精品課程建設(shè)項(xiàng)目等，我們?cè)谂囵B(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性、批判性思維等方面進(jìn)行了一些嘗試。

2020年初，國(guó)家發(fā)改委等11部委聯(lián)合發(fā)布《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》[5]，對(duì)進(jìn)一步加快“智能車輛技術(shù)”人才培養(yǎng)提出了新的要求。本課程組在以往教學(xué)實(shí)踐和一系列教改項(xiàng)目基礎(chǔ)上，針對(duì)疫情期間線上教學(xué)的實(shí)際需要，結(jié)合精心打造且已在中國(guó)大學(xué)MOOC網(wǎng)站上線的“無(wú)人駕駛車輛”慕課[6]以及MATLAB自動(dòng)駕駛工具箱[7]，提出了“3193模式”的智能車輛課程混合式教學(xué)框架，并開展了具體教學(xué)實(shí)踐。

1 “3193模式”的混合式教學(xué)框架

2020年初新冠疫情發(fā)生后，智能車輛課程組及時(shí)研究了學(xué)校關(guān)于疫情期間線上教學(xué)的要求，第一時(shí)間在樂學(xué)平臺(tái)建立了課程檔案，并提出如圖 1所示的“3193模式”的混合式教學(xué)框架。

其中的3個(gè)平臺(tái)為慕課平臺(tái)、樂學(xué)平臺(tái)和QQ平臺(tái)。2019年12月，課程組制作的“無(wú)人駕駛車輛”慕課在中國(guó)大學(xué)MOOC網(wǎng)站上線，包括各章節(jié)課件、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)驗(yàn)與作業(yè)、討論區(qū)、考試等欄目。運(yùn)用慕課方式，學(xué)習(xí)者可以自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容、自我調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)進(jìn)度[8]。

圖1 3193模式

樂學(xué)平臺(tái)使用Moodle[9]的標(biāo)準(zhǔn)軟件代碼架設(shè)，由我校網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)中心對(duì)其進(jìn)行了修改和擴(kuò)展。樂學(xué)系統(tǒng)與學(xué)校的選課管理系統(tǒng)是相關(guān)聯(lián)的，能從管理系統(tǒng)中自動(dòng)導(dǎo)入選課學(xué)生信息，極大地方便了教師對(duì)學(xué)生的管理。學(xué)生只要登錄樂學(xué)平臺(tái)，就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入上學(xué)期末所選的課程名下，看到該課程在樂學(xué)平臺(tái)建立的課程檔案及相關(guān)通知。樂學(xué)平臺(tái)的功能非常豐富，“3193模式”的框架中只用了其中一小部分，如建立檔案、發(fā)布通知、接收作業(yè)、投票問卷等。QQ平臺(tái)主要提供直播、發(fā)布通知、互動(dòng)交流等功能。

“3193模式”中的1個(gè)工具箱，是指MATLAB自動(dòng)駕駛工具箱。由于智能車輛課程涉及面廣，知識(shí)點(diǎn)偏難，必須通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的鍛煉和練習(xí)來(lái)理解和掌握基本理論與方法。目前，自動(dòng)駕駛案例大多是用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，門檻較高，學(xué)生往往需要花較多時(shí)間學(xué)習(xí)C語(yǔ)言，這反而弱化了對(duì)無(wú)人駕駛知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和理解。MATLAB上手快，學(xué)生不用花太多時(shí)間在學(xué)習(xí)MATLAB上，而是可以將更多時(shí)間用在學(xué)習(xí)無(wú)人駕駛技術(shù)上。圖1中的9個(gè)案例都是從MATLAB自動(dòng)駕駛工具箱中精選出來(lái)的，并構(gòu)成了3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的提高。

2 基于慕課的在線學(xué)習(xí)

2.1 基于ILOS設(shè)計(jì)教學(xué)策略

本課程注重理論聯(lián)系實(shí)際，以預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果[10]（intended learning outcomes，ILOS）為著力點(diǎn)，將“無(wú)人駕駛車輛”慕課知識(shí)點(diǎn)及需要達(dá)到的預(yù)期學(xué)習(xí)效果予以標(biāo)準(zhǔn)化，并以案例形式呈現(xiàn)。例如，對(duì)于多線激光雷達(dá)教學(xué)，為使學(xué)生易于理解，設(shè)計(jì)使用VREP進(jìn)行仿真模擬教學(xué)。如圖 2所示，用 VREP模擬了 64線激光雷達(dá)在遇到行人時(shí)的情形?？梢钥闯觯?4線激光雷達(dá)在垂直方向上，有比較稠密的線束，對(duì)于過(guò)馬路的行人，通過(guò)稠密的激光點(diǎn)云，行人的輪廓可以清晰地呈現(xiàn)出來(lái)。

通過(guò)三維仿真模擬教學(xué)，使學(xué)生先對(duì)知識(shí)點(diǎn)建立感性認(rèn)識(shí)，再通過(guò)教師講解及課后使用仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐操作，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐相結(jié)合，達(dá)到了熟練掌握該知識(shí)點(diǎn)的目的。

圖2 多線激光雷達(dá)仿真場(chǎng)景

2.2 慕課在線學(xué)習(xí)

根據(jù)OBE理念，課題組研究制定了無(wú)人駕駛車輛課程教學(xué)大綱，對(duì)課程教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)效果評(píng)價(jià)進(jìn)行了詳細(xì)的分類描述[11]。由于無(wú)人駕駛車輛技術(shù)還在不斷發(fā)展完善過(guò)程中，對(duì)于很多問題目前并沒有確定的解決方案。因此，通過(guò)慕課設(shè)置了很多討論題，啟發(fā)大家思考。例如，設(shè)置了這樣一道開放式討論題：以C、M、A三款車為例，分析討論它們屬于L1—L5的哪一個(gè)自動(dòng)駕駛級(jí)別。這個(gè)題目需要學(xué)生運(yùn)用所學(xué)到的自動(dòng)駕駛分級(jí)概念，考察的是學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

在慕課網(wǎng)站討論貼中，有的學(xué)生根據(jù)網(wǎng)上查到的上述三款車的介紹及所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了分析，得到的結(jié)論與網(wǎng)絡(luò)上的觀點(diǎn)比較接近。還有的學(xué)生在進(jìn)行深入分析后，認(rèn)為C屬于L1.5、M和A屬于L2，展現(xiàn)了不受網(wǎng)絡(luò)觀點(diǎn)限制、積極獨(dú)立思考的可貴之處。

2.3 同伴互評(píng)

“無(wú)人駕駛車輛”慕課在考核方面，以實(shí)踐練習(xí)題（實(shí)驗(yàn)題）為主，以客觀題為輔，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的運(yùn)用，采用同伴互評(píng)方式。互評(píng)時(shí)，學(xué)生可以看到其他學(xué)生（同伴）作業(yè)的完成情況，可以對(duì)其打分，還可以對(duì)其寫評(píng)語(yǔ)。此過(guò)程中，學(xué)生可以互相學(xué)習(xí)彼此的優(yōu)點(diǎn)，也可以了解自己在同批學(xué)習(xí)者中的水平情況。

這種方式使得在線學(xué)習(xí)者不再孤單，盡管大家分散在全國(guó)各地，但不是一個(gè)人在“戰(zhàn)斗”，自己的作業(yè)可以與同伴分享，來(lái)自同伴的肯定會(huì)使他們激發(fā)出更大的學(xué)習(xí)熱情。此外，在互評(píng)中，由于角色的變換，有利于學(xué)生從評(píng)閱者角度更深刻地理解題目所涉及的知識(shí)點(diǎn)。

3 團(tuán)隊(duì)協(xié)作—項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)教學(xué)

本課程還采用了團(tuán)隊(duì)協(xié)作—項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)[12]的翻轉(zhuǎn)模式。這種模式可以考察學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、組內(nèi)協(xié)作學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)探究學(xué)習(xí)以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決問題的情況。

通過(guò)分析 MATLAB自動(dòng)駕駛工具箱中的單項(xiàng)功能及綜合應(yīng)用程序包，從中挑選出與課程知識(shí)點(diǎn)結(jié)合較緊密的9個(gè)案例，涉及環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、車輛控制、深度學(xué)習(xí)、自主泊車等方面內(nèi)容。9個(gè)案例根據(jù)復(fù)雜程度，分成兩組，第一組3個(gè)案例，對(duì)應(yīng)項(xiàng)目1；第二組6個(gè)案例，對(duì)應(yīng)項(xiàng)目2。所有選課學(xué)生分成12個(gè)組，分檔抽取案例。項(xiàng)目1中的3個(gè)案例，每個(gè)都由4個(gè)組抽取，項(xiàng)目2中的6個(gè)案例，每個(gè)都由2個(gè)組抽取。學(xué)生除了要完成本小組抽取的項(xiàng)目外，還要對(duì)其他小組項(xiàng)目的完成情況進(jìn)行評(píng)審。

以項(xiàng)目1中的案例2為例，第5、9、10、11四個(gè)小組抽到此案例，案例內(nèi)容是基于自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)控制車輛避障。學(xué)生首先需要在慕課中認(rèn)真學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)控制[13]方法，然后需要小組協(xié)作，探究用這一方法來(lái)解決車輛避障的實(shí)際問題?；谀秸n的學(xué)習(xí)主要依靠個(gè)體的能力，而團(tuán)隊(duì)協(xié)作—項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)模式則要依靠團(tuán)隊(duì)的力量，即在每個(gè)學(xué)生把慕課中的知識(shí)點(diǎn)學(xué)懂、悟透基礎(chǔ)上，還需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作，共同完成將知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合運(yùn)用的實(shí)際任務(wù)。

這部分內(nèi)容是在慕課基礎(chǔ)上拓展出來(lái)的，使用了“3193模式”中提到的樂學(xué)平臺(tái)和QQ平臺(tái)。各小組在規(guī)定時(shí)間內(nèi)把完成的項(xiàng)目材料提交至樂學(xué)系統(tǒng)，由教師組織學(xué)生對(duì)其他小組提交的項(xiàng)目材料進(jìn)行評(píng)審，在給出書面評(píng)語(yǔ)的同時(shí)，在樂學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行評(píng)比投票。所有未抽取案例 2的學(xué)生，都可以對(duì) 5、9、10、11組的4份項(xiàng)目材料進(jìn)行評(píng)比投票。圖3是4個(gè)小組的得票對(duì)比，其中11組獲得的一份評(píng)語(yǔ)為：“對(duì)車輛控制原理進(jìn)行了介紹，引出了模型預(yù)測(cè)控制；詳細(xì)描述了如何在 MATLAB中建立自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)控制及所用的車輛模型；結(jié)合 MATLAB自動(dòng)駕駛工具箱案例給出了基于自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)控制的障礙物躲避實(shí)例。內(nèi)容完整，邏輯清晰?！?/p>

圖3 對(duì)項(xiàng)目1中案例2的評(píng)比

通過(guò)這種互動(dòng)，每個(gè)小組都能及時(shí)知道本組的項(xiàng)目完成質(zhì)量，以及在同一案例不同組間所處的水平。盡管每個(gè)小組只做了一個(gè)案例，但由于進(jìn)行了分享、討論，每個(gè)小組都能夠?qū)W習(xí)到其他小組的項(xiàng)目?jī)?nèi)容。

為了讓學(xué)生把所完成的項(xiàng)目成果展示、講解出來(lái)，設(shè)置了項(xiàng)目 3。各小組從之前完成的項(xiàng)目 1和項(xiàng)目 2中抽出一個(gè)案例，把案例完成情況錄成視頻，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)上傳到QQ群。教師組織全體學(xué)生觀看12個(gè)展示視頻，并進(jìn)行討論和寫出評(píng)審意見，再在樂學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行投票。各小組得票如圖4所示。

圖4 對(duì)項(xiàng)目3的評(píng)比

在團(tuán)隊(duì)協(xié)作—項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)教學(xué)過(guò)程中，貫穿了反饋驅(qū)動(dòng)的多輪翻轉(zhuǎn)[14]。首先全體學(xué)生需要觀看慕課視頻，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，完成第一輪翻轉(zhuǎn)。然后學(xué)生需要組隊(duì)協(xié)作完成一個(gè)具體項(xiàng)目，并提交項(xiàng)目材料到樂學(xué)系統(tǒng)，再在教師組織下進(jìn)行討論和分析，這是第二輪翻轉(zhuǎn)。在項(xiàng)目3中，每個(gè)小組需要對(duì)所完成的項(xiàng)目成果進(jìn)行展示。在制作展示材料時(shí)，允許根據(jù)在分享活動(dòng)中從其他小組學(xué)到的東西進(jìn)行修改完善，從而形成適應(yīng)學(xué)生技能訓(xùn)練、提高的學(xué)習(xí)流程。

4 課程評(píng)價(jià)

本課程綜合評(píng)價(jià)包括慕課得分（占60%）和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目得分（占 40%）。慕課是針對(duì)個(gè)體的評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目則是以小組為單位的評(píng)價(jià)。第5、9、10、11小組學(xué)生慕課平均得分（百分制）分別是87、94、91、87。從圖3可知，在項(xiàng)目1的案例評(píng)比中，得票（對(duì)應(yīng)著得分檔次）從高到低的順序依次是第 11、9、10、5小組。從第11小組可以看出，只要小組成員加強(qiáng)協(xié)作，團(tuán)結(jié)一致，即使前期的學(xué)習(xí)略有不足，也完全可以在小組協(xié)作共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的任務(wù)中勝出。

另一方面，通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作-項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)模式提供的多輪翻轉(zhuǎn)和及時(shí)反饋，小組間通過(guò)查漏補(bǔ)缺，學(xué)習(xí)其他小組的優(yōu)點(diǎn)，能夠及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。以第9小組為例，在項(xiàng)目1評(píng)價(jià)中排在第二位置，通過(guò)分享討論，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了自身的不足，及時(shí)作出改進(jìn)調(diào)整，在項(xiàng)目 2的評(píng)價(jià)中成為了第一位，并在極具挑戰(zhàn)的項(xiàng)目3中保持了第一的位置。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)疫情期間線上教學(xué)的要求，結(jié)合課程組精心打造的慕課以及 MATLAB自動(dòng)駕駛工具箱和學(xué)校的樂學(xué)平臺(tái)、QQ平臺(tái)等，提出了“3193模式”的混合式教學(xué)框架。通過(guò)慕課的在線學(xué)習(xí)方式和團(tuán)隊(duì)協(xié)作-項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)模式實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生課程學(xué)習(xí)的綜合性評(píng)價(jià)和個(gè)性化評(píng)價(jià)。