智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化研究

馬彬 童亮

摘? 要 針對(duì)目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車課程內(nèi)容較多、關(guān)注問題較全面及開設(shè)的課程課時(shí)限制問題，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合研究。以O(shè)BE理念為基礎(chǔ)，結(jié)合智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能感知、決策和控制三個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)整合、控制理論基礎(chǔ)算法基本原理、智能車輛先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)、基于MATLAB的編程能力培養(yǎng)等內(nèi)容進(jìn)行梳理整合，同時(shí)給出建議教學(xué)學(xué)時(shí)。優(yōu)化后的課程知識(shí)結(jié)構(gòu)更加合理，覆蓋面更廣，符合新工科建設(shè)及一流本科專業(yè)建設(shè)的需求。

關(guān)鍵詞 OBE理念;車輛工程專業(yè);智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù);MATLAB

中圖分類號(hào)：G642.0? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）24-0072-04

Optimization of Teaching Content in Intelligent Networked Ve-hicle Technology//MA Bin， TONG Liang

Abstract The teaching content is studied and optimized pointing to the more course content， comprehensive concerns and the limitation of course hours in the course of Intelligent Networked Vehicle. Based

on the idea of OBE， four parts are sorted out， integrated and some suggestions are given in teaching hours according to the three domi-

nate contents of intelligent perception， decision-making and control，

including the integration of intelligent networked vehicle technology，

the basic principle of control theory algorithm， the advanced driving assistance system of intelligent vehicle， and the programming ability training based on MATLAB. The optimized knowledge structure of the course is more reasonable and had a wider range， which meets the needs of new engineering construction and classic specialty con-struction.

Key words idea of OBE; vehicle engineering; intelligent networked vehicle technology; MATLAB

0? 概述

智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)是智能車、自動(dòng)駕駛車輛方向的重要課程之一，是集復(fù)雜傳感器感知技術(shù)、現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、導(dǎo)航與定位、車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)、現(xiàn)代智能決策與控制理論為一體的綜合性多學(xué)科交叉課程，也是理論聯(lián)系實(shí)際的課程[1-3]。課程目標(biāo)是為學(xué)生從事智能車輛開發(fā)等工作提供一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，提升學(xué)生的專業(yè)理論水平和實(shí)踐能力，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。目前，隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的快速發(fā)展，對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)技術(shù)及服務(wù)人員的需要出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，而培養(yǎng)體系過多注重新能源汽車相關(guān)技術(shù)的培養(yǎng)，缺乏系統(tǒng)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)技術(shù)知識(shí)。根據(jù)工程教育認(rèn)證和一流本科專業(yè)建設(shè)要求，車輛工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃需要順應(yīng)國(guó)家和行業(yè)的需求，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車融合入車輛工程專業(yè)建設(shè)當(dāng)中，從而適應(yīng)社會(huì)對(duì)相關(guān)人才的需求。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是指通過車載環(huán)境感知系統(tǒng)（典型如激光雷達(dá)、深度攝像頭、組合導(dǎo)航等先進(jìn)車載傳感設(shè)備）和通信信息終端實(shí)現(xiàn)與車、路、人等的信息交換，具備智能決策和協(xié)同控制的新一代汽車，能夠替代人來做駕駛決策及操作。其中，智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)包含車輛智能感知、決策和控制三個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容，各內(nèi)容之間既存在緊密聯(lián)系，又存在較大差異，是一個(gè)有機(jī)的整體[4-6]?？梢钥闯?，智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)包含較多教學(xué)內(nèi)容，而受限于課時(shí)缺乏，如何在有限的課時(shí)安排下使智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)教學(xué)達(dá)到相應(yīng)的效果，是當(dāng)前尚未解決的關(guān)鍵問題。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)車輛工程專業(yè)智能汽車與新能源汽車技術(shù)方向主要培養(yǎng)具備智能汽車與新能源汽車技術(shù)等專業(yè)知識(shí)和工程技術(shù)能力，能從事汽車設(shè)計(jì)、研發(fā)與服務(wù)等方面工作的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)和管理人才。北京信息科技大學(xué)需要根據(jù)目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車開發(fā)要點(diǎn)、技術(shù)需求現(xiàn)狀和智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源進(jìn)行優(yōu)化，整合及新增智能算法基礎(chǔ)、優(yōu)化算法與典型控制算法，從而構(gòu)建面向首都的融傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)于一體的具有自身特色的智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)課程。

1? 智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)課程內(nèi)容現(xiàn)狀分析

1.1? 教學(xué)內(nèi)容向多學(xué)科融合方向發(fā)展

隨著新能源、人工智能、新一代通信等技術(shù)與道路交通的深度融合，智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境成為未來道路交通的重要形態(tài)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車是交通、車輛、新一代通信技術(shù)、現(xiàn)代控制理論與智能算法的結(jié)合體，內(nèi)容涉及智能汽車先進(jìn)傳感器技術(shù)、環(huán)境感知技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)及先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)及其控制等，可歸納為感知、決策和控制三個(gè)方面的關(guān)鍵內(nèi)容。然而，如何將先進(jìn)的感知系統(tǒng)、決策過程和控制方法等關(guān)鍵核心技術(shù)融入智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)課程中，成為教學(xué)人員需要解決的一個(gè)重要問題。

1.2? 學(xué)生通信、控制方法基礎(chǔ)薄弱

目前，車輛工程專業(yè)課程設(shè)置主要針對(duì)汽車設(shè)計(jì)和構(gòu)造、新能源汽車技術(shù)等開展相關(guān)課程的教學(xué)?；A(chǔ)課程包括汽車?yán)碚摗⑵囋O(shè)計(jì)、汽車構(gòu)造、發(fā)動(dòng)機(jī)原理等;控制理論基礎(chǔ)方面，只對(duì)經(jīng)典控制理論中的機(jī)械控制工程進(jìn)行學(xué)習(xí);通信及程序編譯方面，課程設(shè)置為C語言程序設(shè)計(jì)B、數(shù)值計(jì)算方法與應(yīng)用、電子技術(shù)基礎(chǔ)、電工技術(shù)基礎(chǔ)等。

由課程結(jié)構(gòu)可以看出，目前車輛工程專業(yè)的教學(xué)多針對(duì)傳統(tǒng)課程教學(xué)，目標(biāo)是使學(xué)生掌握一些基礎(chǔ)編程和電工電子技術(shù)，但是在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中廣泛使用的現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)方程建模及求解[7-8]、智能網(wǎng)聯(lián)汽車所需通信及控制策略的編譯等存在一定的不足。因此，開設(shè)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)還應(yīng)考慮學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備問題，才能培養(yǎng)能從事汽車設(shè)計(jì)與研發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)與管理、產(chǎn)品營(yíng)銷與服務(wù)等方面工作的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)和管理人才。

1.3? 課程內(nèi)容豐富，學(xué)時(shí)受限

同時(shí)增加實(shí)踐類內(nèi)容的比重，從而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和“雙創(chuàng)”能力。然而，在實(shí)際教學(xué)過程中留給智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的理論教學(xué)學(xué)時(shí)較少，學(xué)時(shí)問題一直是未能解決的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)行智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)類課程主要分為智能汽車感知與導(dǎo)航技術(shù)、智能汽車網(wǎng)聯(lián)技術(shù)和無人駕駛車輛技術(shù)基礎(chǔ)等，一般通過2～3門課程對(duì)智能車輛感知、決策和控制分別進(jìn)行詳細(xì)闡述。雖然現(xiàn)有教材能夠充分展現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)中新能源汽車的關(guān)鍵內(nèi)容，但對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的整合程度較低，當(dāng)前學(xué)時(shí)要求不能保證學(xué)生選擇所有課程。因此，這就需要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)整合課程資源和課程體系，使學(xué)生掌握智能網(wǎng)聯(lián)汽車關(guān)鍵技術(shù)，為教學(xué)目標(biāo)達(dá)成和就業(yè)提供必備的理論基礎(chǔ)。

2? 基于OBE理念的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

所謂OBE理念，是指“以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)教育的結(jié)構(gòu)模式，是以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)目標(biāo)與畢業(yè)要求為導(dǎo)向，通過課程體系等支撐畢業(yè)要求，進(jìn)而支撐培養(yǎng)目標(biāo)，實(shí)施內(nèi)外部評(píng)價(jià)反饋的持續(xù)改進(jìn)體系”。這就要求以培養(yǎng)目標(biāo)為基礎(chǔ)，反推教學(xué)過程中的課程設(shè)計(jì)、實(shí)踐課程設(shè)計(jì)等，以具有明確學(xué)習(xí)目標(biāo)的形式來規(guī)劃課程和實(shí)踐內(nèi)容，需要從教學(xué)和實(shí)踐的多種角度來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，增強(qiáng)教學(xué)效果。

一方面，結(jié)合當(dāng)前智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)課程內(nèi)容缺陷和在教學(xué)計(jì)劃中所承擔(dān)的具體任務(wù)，需要在對(duì)現(xiàn)有內(nèi)容進(jìn)行整合梳理的基礎(chǔ)上，適當(dāng)添加控制理論基礎(chǔ)中與智能汽車關(guān)聯(lián)性最大的基礎(chǔ)內(nèi)容，適當(dāng)增加機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能基礎(chǔ)內(nèi)容部分，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)開發(fā)提供必要的理論基礎(chǔ)。

另一方面，針對(duì)課程中動(dòng)力學(xué)方程建模、狀態(tài)方程求解、最有估計(jì)及軌跡規(guī)劃過程中需要具備的計(jì)算機(jī)求解和控制程序編輯的需要，以O(shè)BE為目標(biāo)添加MALTAB課程內(nèi)容并開設(shè)課內(nèi)實(shí)踐環(huán)節(jié)。根據(jù)不同的編輯內(nèi)容和特點(diǎn)，靈活運(yùn)用多種教學(xué)方法，充分利用多媒體、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，并輔以多媒體技術(shù)課件、網(wǎng)上自主式學(xué)習(xí)等多種教學(xué)手段和形式開展教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)算法編譯能力的提高[9]。通過這種混合教學(xué)模式，使學(xué)生具備從事智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)開發(fā)的計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和“雙創(chuàng)”能力。

2.1? 現(xiàn)有智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)整合

按需進(jìn)行教材整合和內(nèi)容調(diào)整，同時(shí)強(qiáng)化教材整體性，加強(qiáng)立體化教學(xué)內(nèi)容建設(shè)。在現(xiàn)有課程資源的基礎(chǔ)上，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車內(nèi)容主要分為車輛建?；A(chǔ)、控制原理和智能系統(tǒng)三部分關(guān)鍵內(nèi)容。首先，對(duì)車輛建?；A(chǔ)進(jìn)行完善和優(yōu)化，以原理的形式進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，從而解決學(xué)生通信基礎(chǔ)知識(shí)不足的問題。其次，控制原理部分適當(dāng)?shù)卦黾觾?yōu)化控制的內(nèi)容，并通過車輛智能決策過程的介紹來實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)化控制的補(bǔ)充，以實(shí)例開發(fā)的形式進(jìn)行理論內(nèi)容的加深和理解;最后，在車輛智能系統(tǒng)部分介紹無人駕駛車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制技術(shù)、路徑規(guī)劃及路徑跟蹤技術(shù)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能防撞技術(shù)、車輛智能檢測(cè)技術(shù)、智能汽車車道保持技術(shù)、智能汽車自適應(yīng)巡航技術(shù)及智能網(wǎng)聯(lián)汽車車路協(xié)同控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提高理論的實(shí)用性。

2.2? 控制理論基礎(chǔ)算法基本原理

控制是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的核心內(nèi)容，也是智能網(wǎng)聯(lián)汽車教學(xué)的關(guān)鍵。根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車關(guān)鍵系統(tǒng)的開發(fā)需求，在對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車進(jìn)行建模的過程中，需要大量的矩陣運(yùn)算和代數(shù)方程求解以及深厚的數(shù)學(xué)功底才能夠掌握。依據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)課程設(shè)置現(xiàn)狀，提取現(xiàn)代控制理論中與智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)的基礎(chǔ)內(nèi)容，將控制理論基礎(chǔ)算法及流程開發(fā)、最優(yōu)控制基本原理、智能決策基本原理、控制方法等內(nèi)容補(bǔ)充進(jìn)入智能網(wǎng)聯(lián)汽車中。此外，針對(duì)智能車輛多傳感器特征，通過傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)是智能車輛中不可或缺的關(guān)鍵內(nèi)容，因此，通過添加卡爾曼濾波這一經(jīng)典最優(yōu)估計(jì)算法，填補(bǔ)學(xué)生在這一塊兒的空白。通過整合，內(nèi)容基本包含智能網(wǎng)聯(lián)汽車的最優(yōu)估計(jì)和控制基本理論，使教學(xué)內(nèi)容更加貼合OBE理念，更好地支撐培養(yǎng)目標(biāo)，也為外部評(píng)價(jià)反饋的持續(xù)改進(jìn)提供基礎(chǔ)。

2.3? 智能車輛先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)

使學(xué)生具備智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)開發(fā)等技術(shù)基礎(chǔ)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車培養(yǎng)人才的另一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，因此需要對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)進(jìn)行具體介紹，也是車輛建模、決策和控制等相關(guān)內(nèi)容的實(shí)際工程應(yīng)用。針對(duì)自適應(yīng)巡航控制和智能網(wǎng)聯(lián)汽車車路協(xié)同控制技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容，對(duì)自動(dòng)駕駛車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制、路徑規(guī)劃/跟蹤、車道保持技術(shù)、自適應(yīng)巡航控制等控制技術(shù)進(jìn)行整理。針對(duì)這些控制策略的基本控制過程，以及當(dāng)中所涉及的感知信息獲取與處理、動(dòng)力學(xué)建模及仿真要求、控制策略建模及求解、控制變量的選取和所施加控制需要的建模、規(guī)劃及控制的理論和實(shí)際應(yīng)用內(nèi)容進(jìn)行歸納和整理，形成智能車輛先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)新章節(jié)。

2.4? 基于MATLAB的編程能力培養(yǎng)

控制策略開發(fā)分為控制算法仿真部分和硬件系統(tǒng)仿真部分。智能網(wǎng)聯(lián)汽車重點(diǎn)突出車輛的控制，對(duì)學(xué)生的代碼書寫能力要求較高，即便當(dāng)前出現(xiàn)代碼生成、硬件在環(huán)仿真等控制策略驗(yàn)證方法，控制策略開發(fā)過程中的MATLAB代碼讀寫仍然是不可或缺的關(guān)鍵內(nèi)容。因此，在對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)課程內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要強(qiáng)調(diào)理論控制策略的控制過程和控制原理，還應(yīng)從代碼讀寫方面進(jìn)行內(nèi)容的調(diào)整。這樣一方面能夠?qū)碚摻虒W(xué)進(jìn)行進(jìn)一步的強(qiáng)化，使學(xué)生在實(shí)際編譯過程中能夠理論聯(lián)系實(shí)際，加深理論應(yīng)用;另一方面能夠提高學(xué)生的思維能力，同時(shí)培養(yǎng)從實(shí)際過程中解決實(shí)際問題的能力。在對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)添加MATLAB的卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)、MATLAB的矩陣最優(yōu)求解、基于MATLAB的軌跡規(guī)劃技術(shù)等智能網(wǎng)聯(lián)汽車關(guān)鍵內(nèi)容的MATLAB編程和代碼實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)過調(diào)整后的智能網(wǎng)聯(lián)汽車主要教學(xué)內(nèi)容如圖1所示，教學(xué)內(nèi)容如表1所列，建議學(xué)時(shí)如表2所列。

3? 結(jié)論

以智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能感知、決策和控制三個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容為依據(jù)，針對(duì)課程內(nèi)容較多、關(guān)注問題較全面及開設(shè)的課程課時(shí)限制問題，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理整改，梳理整合智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)整合、控制理論基礎(chǔ)算法基本原理、智能車輛先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)、基于MATLAB的編程能力培養(yǎng)等內(nèi)容，并列出建議教學(xué)學(xué)時(shí)。通過課程內(nèi)容優(yōu)化，使課程涵蓋面更廣，知識(shí)結(jié)構(gòu)更加合理，課程體系和教學(xué)內(nèi)容更加符合新工科建設(shè)及一流本科專業(yè)建設(shè)目標(biāo)的需求。優(yōu)化后的教學(xué)內(nèi)容有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，確保教學(xué)質(zhì)量的提高和培養(yǎng)的人才能夠更好地服務(wù)社會(huì)，適應(yīng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的發(fā)展和需求。■

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