智能網(wǎng)聯(lián)汽車課程教學(xué)的數(shù)字化資源建設(shè)方案研究

胡源　高獻(xiàn)坤　王慶朋　李德峰　周開塬

摘 要：智能網(wǎng)聯(lián)汽車正在深刻改變汽車制造和交通運輸領(lǐng)域，成為新科技革命的代表，全球各國積極推動其發(fā)展。然而，國內(nèi)高校智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域課程建設(shè)尚處于初探和開發(fā)階段，需加強(qiáng)實踐教學(xué)和資源建設(shè)，以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用所學(xué)知識。本文提出了智能網(wǎng)聯(lián)汽車課程資源建設(shè)的方案，包括資源整合與體系的建設(shè)思路、農(nóng)業(yè)院校的特色創(chuàng)新和以數(shù)字化資源為依托的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式以及多元化學(xué)習(xí)質(zhì)量評價，最后以無人小車制作項目展示了資源庫中工程化項目教學(xué)的實踐案例。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車 數(shù)字化教學(xué)資源 農(nóng)業(yè)院校

智能網(wǎng)聯(lián)汽車綜合了多學(xué)科知識，正深刻地改變傳統(tǒng)汽車制造和交通運輸領(lǐng)域，成為新科技革命的代表。全球各國通過國家戰(zhàn)略，政策、技術(shù)研發(fā)等手段，積極推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，中國也在人才儲備和產(chǎn)業(yè)生態(tài)方面制定相應(yīng)政策，助力行業(yè)蓬勃發(fā)展。盡管如此，國內(nèi)高校在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域的課程建設(shè)尚處于初探和開發(fā)階段，主要集中在理論教學(xué)，但缺乏實際操作，學(xué)生的應(yīng)用能力有所不足。因此，需要改進(jìn)教學(xué)方法，注重實踐教學(xué)，以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用所學(xué)知識，同時針對課程特點，制定教學(xué)資源建設(shè)方案至關(guān)重要。

鑒于智能網(wǎng)聯(lián)汽車尚未廣泛應(yīng)用，學(xué)生對其了解有限，資源建設(shè)需更加強(qiáng)調(diào)幫助學(xué)生理解關(guān)鍵問題，并在有限的教學(xué)時間內(nèi)將核心技術(shù)融入課程實踐。本文提出了智能網(wǎng)聯(lián)汽車課程的線上線下資源建設(shè)方案，以供學(xué)生獲取符合社會的高質(zhì)量教育資源，以滿足其多元化學(xué)習(xí)需求。為了解決初期資源庫建設(shè)遇到的問題和挑戰(zhàn)，本文介紹了如何通過資源整合和在線學(xué)習(xí)方式激發(fā)學(xué)生的興趣，如何采用微課程教學(xué)，借助現(xiàn)代信息技術(shù)為主要呈現(xiàn)方式，協(xié)助學(xué)生更深刻地理解和運用所學(xué)知識。此外，本文還呈現(xiàn)了資源庫中基于工程化項目教學(xué)的實踐案例，通過積極探索和實踐，實際的教學(xué)成果表明基于該智能網(wǎng)聯(lián)汽車資源庫的應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式能顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

1 建設(shè)思路與特色創(chuàng)新

課程資源開發(fā)的目標(biāo)是全面培養(yǎng)學(xué)生，其路徑多元。首先，通過深入研究學(xué)科前沿，構(gòu)建多元化教材資源并設(shè)定課程設(shè)計項目，確保學(xué)生全面掌握智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域核心理論與分析方法。前期調(diào)研工作至關(guān)重要，包括對雙一流院校汽車專業(yè)教師和智能網(wǎng)聯(lián)汽車企業(yè)員工的廣泛調(diào)查，以全面了解教育和行業(yè)需求。其次，以企業(yè)典型工作任務(wù)與職業(yè)能力分析為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)綜合能力，構(gòu)建真實工作任務(wù)為基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容。這一過程貫穿職業(yè)素養(yǎng)于知識和技能教學(xué)全過程中，全面提升學(xué)生綜合素質(zhì)與實際操作能力。

此外，課程資源設(shè)計應(yīng)基于OBE（Outcome-Based Education）教育理念，從培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，反推理論知識和實踐內(nèi)容，確保學(xué)生全面達(dá)到明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。一方面，整合現(xiàn)有知識，適度引入與智能汽車密切相關(guān)的基礎(chǔ)知識，如控制理論、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)開發(fā)提供理論支持。另一方面，針對每個教學(xué)項目，構(gòu)建完整教學(xué)資源庫，包括線下教材、實訓(xùn)指導(dǎo)、任務(wù)單，以及線上資源如微課、課件、習(xí)題庫。采用混合教學(xué)模式、“浸入式”和“探究式”等先進(jìn)教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)算法編程能力提高，提升“雙創(chuàng)”能力。

在課程資源的特色與創(chuàng)新方面，將專業(yè)知識與耕讀教育結(jié)合，推出農(nóng)業(yè)無人載運設(shè)備設(shè)計訓(xùn)練，實踐“知農(nóng)愛農(nóng)”教育，提高學(xué)生知識框架，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力，使學(xué)生了解傳統(tǒng)農(nóng)耕文化，掌握基本農(nóng)事技能，培養(yǎng)“識農(nóng)、尊農(nóng)、愛農(nóng)”意識。以“新農(nóng)科”教育為背景，優(yōu)化授課內(nèi)容，融合人工智能、大數(shù)據(jù)、車聯(lián)網(wǎng)等新興交叉學(xué)科，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型、專業(yè)能力強(qiáng)的一流學(xué)生。建立智能網(wǎng)聯(lián)汽車虛擬仿真實訓(xùn)平臺，開展“教、學(xué)、做”理實一體化教學(xué)模式，培養(yǎng)科研興趣，夯實知識基礎(chǔ)，提高學(xué)生智能網(wǎng)聯(lián)汽車專業(yè)創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)懂技術(shù)、懂農(nóng)事、懂經(jīng)營的復(fù)合型人才提供新模式和理念。

2 實施路徑與效果評價

2.1 全面提升授課效果

為提升課程講授效果，使學(xué)生能夠在開放、自主、交互的環(huán)境中進(jìn)行高效學(xué)習(xí)和實踐，首要路徑是構(gòu)建信息化教學(xué)資源。特別是針對一些復(fù)雜綜合性工藝技術(shù)講解，采用虛擬仿真實驗教學(xué)演示不僅顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)思想，還提高了學(xué)生的動手能力和工程意識。基于混合式學(xué)習(xí)理念，數(shù)字化課程資源涵蓋了預(yù)習(xí)、隨堂和課后三個環(huán)節(jié)。

為提高學(xué)生預(yù)習(xí)的積極性，多媒體課件制作要求較高。這些課件必須覆蓋主要內(nèi)容、符合教學(xué)大綱要求，保證內(nèi)容的完整性和系統(tǒng)性。此外，課件需要具有形式多樣、交互性強(qiáng)、趣味性十足的特點，以吸引學(xué)生的關(guān)注，激發(fā)他們的好奇心，并幫助他們樹立學(xué)習(xí)課程的自信心。因此，多媒體課件的制作需要同時滿足教學(xué)目標(biāo)和吸引力的要求，根據(jù)不同情況選擇合適的展示形式，如圖表、視頻動畫等。在面授階段，教師借助學(xué)生已具備的智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)專業(yè)知識，介紹了該行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)講解了相關(guān)原理和功能。同時，通過動畫演示真實案例，為學(xué)生提供了優(yōu)化設(shè)計的機(jī)會，例如在虛擬仿真實驗平臺中搭建虛擬場景并測試，以增加課堂教學(xué)的實踐性和互動性。最后，在課后聯(lián)系環(huán)節(jié)，相應(yīng)資源內(nèi)容包含知識總結(jié)、知識擴(kuò)展、測試、實際應(yīng)用和反饋，構(gòu)建了一體化的數(shù)字課程框架。課后資源還根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容、應(yīng)用對象和使用技術(shù)的不同情況，進(jìn)一步劃分為特色子課程和資源庫，為學(xué)生提供全面的學(xué)習(xí)資源和支持。

2.2 精心組織實驗內(nèi)容

實驗教學(xué)內(nèi)容的精心編排是提升學(xué)生實踐經(jīng)驗的主要基礎(chǔ)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)不斷更新，新理論和技術(shù)層出不窮。教材通常滯后，無法充分激發(fā)學(xué)生的好奇心。為解決這個問題，課程資源收集了智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的前沿資料用于實驗教學(xué)，例如，百度的無人駕駛開源平臺案例。實驗課程涵蓋了主流智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，包括實車模型的安裝和操控模塊。線下實驗為學(xué)生提供了四輪實車模型，控制層包括主控板，感知層包括激光雷達(dá)、可見光攝像頭、灰度傳感器等裝置，執(zhí)行層包括電機(jī)驅(qū)動模塊。學(xué)生需要自行組裝控制主板和電機(jī)，并連接傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。此外，他們需要解決平臺搭建和調(diào)試過程中的問題，從而提高實際動手和問題解決的能力。操控模塊是控制小車在實驗室自主導(dǎo)航和避障，并實現(xiàn)一系列實驗，如路徑規(guī)劃、跟蹤、汽車/行人/物體檢測、交通信號檢測、加速/制動/轉(zhuǎn)向控制、交通燈識別、車道檢測等，以深化學(xué)生對智能網(wǎng)聯(lián)汽車的理解。在實施過程中，教師根據(jù)不同內(nèi)容采用不同教學(xué)手段，例如，通過實車演練、啟發(fā)引導(dǎo)式方法、課堂討論和角色互換教學(xué)，將學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃铀伎己蛯W(xué)習(xí)，提高他們的參與度，同時培養(yǎng)他們的語言組織和口頭表達(dá)能力。

2.3 完善數(shù)字化考核評價

課程資源不僅包含教學(xué)核心內(nèi)容的數(shù)字課程授課視頻，還涵蓋了用于評估學(xué)生掌握程度的線上試題庫等考核評價機(jī)制。學(xué)生的學(xué)習(xí)效果通過綜合評價方式得以展現(xiàn)，其中包括平時考核和期末考核。平時考核側(cè)重于定期評估學(xué)生在各個教學(xué)項目中對理論知識點的掌握情況以及實際實踐效果。而在期末考核中，學(xué)生以小組為單位展示他們所創(chuàng)作的作品并進(jìn)行答辯，主要內(nèi)容包括：（1）演示自制小車的具體功能；（2）闡述小車所采用的核心控制算法和原理；（3）分享在設(shè)計和調(diào)試過程中所面臨的挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決方法。

經(jīng)過一個學(xué)期的考核評價，可以明顯看出學(xué)生在資料收集整理、團(tuán)隊協(xié)作和創(chuàng)新實踐方面的能力有了顯著提升。對于表現(xiàn)出色、具備高素質(zhì)的學(xué)生，鼓勵他們積極參與學(xué)科競賽，并將所學(xué)知識和關(guān)于智能汽車的創(chuàng)新思維轉(zhuǎn)化為可行的解決方案，從而進(jìn)一步培養(yǎng)他們的創(chuàng)新實踐能力，為未來在智能汽車技術(shù)領(lǐng)域嶄露頭角奠定堅實基礎(chǔ)。

3 教學(xué)資源-項目案例

3.1 無人小車的制作及其導(dǎo)航控制方法

3.1.1 無人小車的設(shè)計

無人小車由底盤、電路板、傳感器、電機(jī)等核心部件組成，具有動力強(qiáng)勁、抓地力強(qiáng)、剛性足以及重心低等優(yōu)勢。四輪小車底盤尺寸為29×18×9.8cm，輪胎尺寸為29×60mm，通過填充海綿對輪胎進(jìn)行適當(dāng)?shù)能浕幚?，使小車具有較好的減震性，可以提供更大的摩擦力。

小車的電路板包括主板和驅(qū)動板。根據(jù)電路板的設(shè)計和小車的整體布局考慮，分別將主板、驅(qū)動板置于底盤中前方和后方。從成本方面考慮，選用數(shù)字?jǐn)z像頭作為小車配置的主要傳感器，其能夠?qū)D像的灰度值以數(shù)組的形式傳輸給主板芯片，具備較好的動態(tài)性能。對于攝像頭的選擇，主要考慮分辨率，動態(tài)特性，F(xiàn)PS，自動曝光等參數(shù)。

小車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計采用雙后輪驅(qū)動，前輪舵機(jī)做轉(zhuǎn)向控制：驅(qū)動電機(jī)為RS-380，額定電壓7.2V，最大功率可達(dá)20 W，額定功率0.016kW，空載電流<630mA，額定轉(zhuǎn)速16200rpm，額定轉(zhuǎn)矩可達(dá)10.9N×m，外形儲存29.2×37.8mm；舵機(jī)型號為S3010，6V電壓時扭力可達(dá)6.5kg×cm，動作速度為0.16±0.02sec/60°。表1為無人小車所用電子組件和配置說明。

3.1.2 無人小車的組裝

（1）傳感器安裝。

對無人小車來說，道路信息的識別和速度檢測等都少不了傳感器的幫助。因此，傳感器的安裝和固定需要對機(jī)械裝置有整體的把控。小車配置的傳感器主要包括攝像頭、編碼器和陀螺儀。

（2）舵機(jī)安裝。

舵機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在小車的行駛中是及其重要的部分，其安裝位置和左右橫拉桿的長度極大地影響著舵機(jī)的靈敏度。為了使舵機(jī)轉(zhuǎn)向順滑，選擇架高舵機(jī)，即在其兩側(cè)加裝銅柱，架高并起兩側(cè)加固作用；將舵機(jī)上下部位用鐵坐螺絲固定，以此起到舵機(jī)垂直固定作用。其中需要注意的是，為保證舵機(jī)轉(zhuǎn)向精度，在兩側(cè)固定、打孔時，要注意左右的對稱性。同時，為了提高舵機(jī)的反應(yīng)靈敏度且使其在相同轉(zhuǎn)角下有盡可能大的線行程，選擇縮短舵機(jī)的左右橫拉桿。但在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，舵機(jī)的左右橫拉桿不能太短，在相同的轉(zhuǎn)矩下這反而會影響其反應(yīng)靈敏度，因此需要通過多次試驗，將其縮短至相對平行的狀態(tài)，在最大程度上減少了舵機(jī)轉(zhuǎn)向時因左右橫拉桿太長而損耗的時間。

3.1.3 無人小車的移動控制

在傳感器模塊中，使用攝像頭獲取道路圖像信息，再通過設(shè)計的算法識別環(huán)境元素。編碼器傳感器對電機(jī)速度進(jìn)行檢測，而加速度陀螺儀傳感器即姿態(tài)傳感器則用于檢測是否遇到坡道。

控制系統(tǒng)包括速度控制和方向控制兩部分。速度控制主要通過控制機(jī)器人的后輪驅(qū)動電機(jī)完成；轉(zhuǎn)向控制需要舵機(jī)與后輪差速器的相互協(xié)同配合，結(jié)合算法最終完成對小車的速度和方向控制。

（1）方向控制。

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。

在舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊中，以模糊PID方式對舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行反饋控制。通過將誤差進(jìn)行比例放大，積分誤差補(bǔ)償，微分阻尼，將輸出反饋回輸入，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）速度控制。

在電機(jī)驅(qū)動模塊中，采用增量式PID算法完成對車速的閉環(huán)控制，通過PWM控制驅(qū)動電路調(diào)整電機(jī)功率。具體來說，無人小車對提取出來的道路信息進(jìn)行分析，計算出當(dāng)前道路情況下對應(yīng)的理想速度，然后再運用PID算法根據(jù)理想速度來計算輸出到電機(jī)的PWM波的占空比大小，從而達(dá)到對速度進(jìn)行控制的效果。

在小車移動速度較快時，需要轉(zhuǎn)向響應(yīng)很靈敏，但這樣行進(jìn)中就容易產(chǎn)生超調(diào)震蕩導(dǎo)致直行來回震蕩搖擺。針對這種現(xiàn)象，使用了航向角陀螺儀數(shù)據(jù)計算實際需要的轉(zhuǎn)向控制參數(shù)，抑制不必要的高頻變動。

以上為教學(xué)資源中選取展示的項目案例2的內(nèi)容。

4 結(jié)語

智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域正通過多學(xué)科的交叉融合，深刻改變著傳統(tǒng)汽車制造和交通運輸行業(yè)。本文結(jié)合河南農(nóng)業(yè)大學(xué)交通運輸專業(yè)本科課程，引入人工智能和傳感器等技術(shù)，設(shè)計并實踐了智能網(wǎng)聯(lián)汽車實踐課程的教學(xué)資源建設(shè)方案。該方案不僅構(gòu)建了技術(shù)知識和實驗操作的雙向互動架構(gòu)，還基于OBE模式開發(fā)了智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)課程項目，從而深化學(xué)生對所學(xué)知識的理解，通過課程考核和項目完成情況的綜合評價，提高了學(xué)生對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)認(rèn)知水平。為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和問題解決能力，在實施過程中還提出了一系列措施，如項目化教學(xué)模式、多媒體教學(xué)改進(jìn)、現(xiàn)代教育理念融入、教學(xué)內(nèi)容的精心組織、以及課程考核方式的完善。綜上，數(shù)字化課程資源的建設(shè)不僅優(yōu)化了智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)專業(yè)課程的實踐內(nèi)容，還大幅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)新實踐能力，這些探索和努力將有助于培養(yǎng)更多優(yōu)秀的智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域人才。

基金項目：2023年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究與實踐項目“‘1+1+1+n導(dǎo)師制產(chǎn)教融合人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新與實踐”（2023XJGLX038）；2022年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“智能網(wǎng)聯(lián)汽車教學(xué)和實踐方法”（220500378303804）；2023年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究與實踐項目“協(xié)同融通互動—《汽車構(gòu)造》課程‘魚漁域欲教學(xué)模式的創(chuàng)新與實踐”（2023XJGLX065）；2022 年校級大學(xué)生校外實踐教育基地（22XM0167）；2023年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)實踐教學(xué)基地建設(shè)項目（2023SJJD14）。

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