新工科背景下智能汽車實踐教學研究

張鵬

摘 要：智能汽車是跨學科交叉融合新工科，其學科建設與人才培養(yǎng)面臨巨大機遇和挑戰(zhàn)。智能汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展與高素質(zhì)專業(yè)人才急需短缺之間矛盾日益突出，建立新工科智能汽車人才培養(yǎng)實踐教學亟待解決。以地方應用型本科為載體，建立以項目案例為主導的智能汽車實踐教學框架體系，包含虛擬仿真實踐教學和智能小車實踐教學相互融合，積極探索“1+1>2”的新工科人才培養(yǎng)模式。

關鍵詞：新工科 智能汽車 虛擬仿真 智能小車 實踐教學

1 引言

智能汽車是新一輪科技革命背景下的新興產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和人才匱乏之間的矛盾日益突出[1]。智能汽車交叉融合了傳統(tǒng)汽車、計算機、自動控制、信息與通信、數(shù)學和人工智能等技術，是典型的復合型新工科專業(yè)。新工科課程建設以工程教育為核心，結(jié)合新理念、新模式、新內(nèi)容、新質(zhì)量、新方法作為教學內(nèi)容。在現(xiàn)有專業(yè)基礎上，實時革新教育方法與內(nèi)容以滿足新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟、新發(fā)展、新未來的高素質(zhì)人才需求。新工科專業(yè)人才培養(yǎng)，增強學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)具有較強行業(yè)背景、工程實踐能力、勝任行業(yè)發(fā)展所需的應用型和技能型高素質(zhì)人才。

2 智能汽車實踐教學的背景分析

2.1智能汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

智能汽車是指車輛搭載先進傳感器，高算力車載電腦，結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等多種新興技術，具有自動駕駛功能，是全球汽車產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展方向。智能汽車的發(fā)展是汽車產(chǎn)業(yè)未來核心競爭力體現(xiàn)，多元競爭加速產(chǎn)業(yè)發(fā)展。自十四五規(guī)劃以來，隨著新能源汽車蓬勃發(fā)展，智能汽車是新能源汽車的核心競爭力更是未來汽車的重要轉(zhuǎn)型。智能汽車在市場份額方面，預計2025年突破五千億產(chǎn)業(yè)規(guī)模。據(jù)工業(yè)和信息化部數(shù)據(jù)顯示，2022年國內(nèi)搭載輔助駕駛的智能汽車銷售七百萬輛，國內(nèi)主流車企已實現(xiàn)乘用車L2級別智能駕駛大規(guī)模商業(yè)落地。從技術層面看，智能汽車已經(jīng)實現(xiàn)L2高級輔助駕駛層級，并且正在突破技術瓶頸，實現(xiàn)L3-L4級別智能自動駕駛。大力支持智能汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有利于增強國內(nèi)產(chǎn)業(yè)市場競爭力，有利于促進國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)從汽車大國轉(zhuǎn)型汽車強國[2]。

我國智能汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的戰(zhàn)略優(yōu)勢根源于中國特色社會主義國家政府管理體系，可以集中力量攻關難題。智能汽車產(chǎn)業(yè)是傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)與人工智能、信息通信、計算機芯片、大數(shù)據(jù)等相關產(chǎn)業(yè)深度融合。在頂層規(guī)劃方面，支持智能汽車發(fā)展是國家和地方汽車產(chǎn)業(yè)重要發(fā)展方向。國家發(fā)改委發(fā)布的《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，部署重大戰(zhàn)略大力推進智能汽車發(fā)展，爭取到2030年實現(xiàn)L4級別智能汽車大批量商業(yè)落地。智能汽車的發(fā)展離不開智慧道路的建設，2023年11月7日，國家四部委共同發(fā)文《關于開展智能網(wǎng)聯(lián)汽車準入和上路通行試點工作的通知》，標志我國智能汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展即將邁入新階段。

2.2 智能汽車產(chǎn)業(yè)人才需求

智能汽車產(chǎn)業(yè)正在向萬億級產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展，產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型的瓶頸在于相關專業(yè)人才的匱乏。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的升級轉(zhuǎn)型，汽車行業(yè)人才需求也發(fā)生了巨大變革。汽車行業(yè)人才需求從傳統(tǒng)的機械工業(yè)轉(zhuǎn)向汽車、計算機、人工智能、軟件開發(fā)等跨學科復合型人才。根據(jù)最新發(fā)布的《智能網(wǎng)聯(lián)汽車大學生人才現(xiàn)狀研究》顯示，預計到2025年國內(nèi)智能汽車人才缺口2.37萬人，同一年國內(nèi)智能汽車相關專業(yè)高校本科生規(guī)模預估7300人，智能汽車相關專業(yè)高校畢業(yè)生人才缺口大。

智能汽車人才市場需求體量浩大，汽車專業(yè)相關人才面積巨大的機遇和挑戰(zhàn)。智能汽車是新興技術密集型產(chǎn)業(yè)，人才需求跨多學科交叉復合。智能汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，導致急劇增長的產(chǎn)業(yè)需求。智能汽車在開發(fā)和測試過程中需要大量高素質(zhì)應用型人才，其中包括虛擬仿真開發(fā)和測試、硬件嵌入式開發(fā)和測試。應用型本科高校人才培養(yǎng)，需要密切關注產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和產(chǎn)業(yè)人才需求。

3 虛實結(jié)合實踐教學平臺設計

基于“虛實結(jié)合”的智能汽車實踐教學主要由“一體兩翼雙平臺”組成。其中“一體”是指以培養(yǎng)智能汽車專業(yè)創(chuàng)新人才為主體，“兩翼”分別是指掌握充分扎實的理論知識和熟悉創(chuàng)新實踐應用，“雙平臺”分別是指搭建智能汽車虛擬仿真實踐平臺和智能網(wǎng)聯(lián)汽車實車驗證實踐平臺。

由于智能網(wǎng)聯(lián)汽車知識體系相對復雜，如果采用傳統(tǒng)的“教師從上到下”的教學方式，學生很容易產(chǎn)生畏難情緒。虛擬仿真實踐教學平臺，采用“線上-線下”結(jié)合的混合式教學。通過案例教學，任務教學以及自由探索式教學，以學生為中心開展仿真實踐教學。通過仿真平臺學生可以更好的理解智能汽車的工作原理，可以從易到難逐步引導學生參與學習。虛擬仿真實踐平臺可以自由設定反復試錯，通過仿真動畫可以更直觀的看到智能車輛的運動邏輯。通過虛擬仿真平臺，將智能汽車的“環(huán)境感知、算法決策、運動控制”等相關理論知識與工程實踐應用有效融合。通過“從易到難的闖關式”教學模式，可以有效激發(fā)學生的學習積極性，也會大大提高學生的自信心。通過虛擬仿真平臺可以讓學生們直觀的接觸到實際工程應用案例，培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力[3]。虛擬仿真實踐平臺應用范圍廣、使用成本低，重復試錯提高學生學習興趣。智能小車實踐平臺更加直觀的反映學習成果，提高動手實踐能力。虛實結(jié)合的智能汽車實踐教學方法，可以培養(yǎng)出智能汽車行業(yè)發(fā)展所需的高素質(zhì)專業(yè)人才。

3.1 虛擬仿真實踐教學平臺

虛擬仿真實踐教學平臺圍繞智能汽車的關鍵技術建立了三大組成模塊，環(huán)境感知仿真實踐，規(guī)劃決策仿真實踐，車輛運動控制仿真實踐。虛擬仿真實踐平臺建立一個可視化操作界面，可以有效減少同學們對于智能汽車開發(fā)測試的畏難情緒。為了充分調(diào)動同學們的參與興趣，設計出“線上線下混合式”，“小組探究式”，“項目主導式”等積極主動的教學方法。該虛擬仿真實踐平臺可以促進同學們“做中學”，為新工科背景下的汽車相關專業(yè)人才培養(yǎng)提供新的模式和理念。

智能汽車虛擬仿真實踐平臺框架如圖1所示，該平臺主要由開發(fā)工具Matlab/Simulink和汽車仿真軟件Prescan聯(lián)合組成。虛擬仿真實踐教學平臺，分為智能汽車導論、環(huán)境感知仿真實踐、規(guī)劃決策仿真實踐、車輛運動控制仿真實踐。以具體工程案例為教學情境，主要包括自動泊車、車道保持、自適應巡航、緊急制動等智能汽車常見場景。通過虛擬仿真實踐教學平臺，加強學生多學科交叉融合的動手實踐能力，拓展創(chuàng)新思維。

3.2 智能車輛實踐教學

通過虛擬仿真實踐平臺可以系統(tǒng)的掌握智能汽車整體技術框架和技術要點。為了進一步加深學生對相關理論知識的直觀理解，提高學生的研究興趣培養(yǎng)動手實踐能力，需要將虛擬仿真內(nèi)容應用到實際智能小車上。在智能汽車的工程實際應用中也會采用模型設計方法將仿真模型直接轉(zhuǎn)譯成C/C++或者Python等主流編譯語言，從而降低了智能汽車開發(fā)學校的復雜度。本項目研究的智能小車實踐平臺符合車輛運動學結(jié)構(gòu)滿足阿克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu)的等比例仿真車輛底盤。

設計智能小車時車輛底盤選擇仿真車模型，可以更加真實的模擬車輛運動狀態(tài)。通過車載傳感器的標定，可以使車輛獲得環(huán)境位置信息。智能小車的控制算法使用Matlab/Simulink轉(zhuǎn)化成c語言或python語言，其模塊化編程可以降低設計者對計算機編程語言的要求，可以讓學生直觀的學習并且設計智能汽車輔助駕駛控制算法[4]。智能小車的硬件控制部分采用樹莓派（Raspberry Pi）微型電腦控制，Matlab/Simulink與樹莓派微型電腦具有良好的兼容性，學生可以將自主設計的智能小車運動控制算法移植到樹莓派微型電腦上，通過對轉(zhuǎn)向舵機與驅(qū)動電機的控制實現(xiàn)智能小車的運動控制[5]。

4 智能汽車實踐教學評價體系

應用型本科高校培養(yǎng)社會迫切需求的專業(yè)人才，助力產(chǎn)城融合共同發(fā)展。新工科背景下智能汽車實踐教學，體現(xiàn)應用型高素質(zhì)人才培養(yǎng)要求，注重學生動手實踐能力與創(chuàng)新探索能力的培養(yǎng)。

4.1 傳統(tǒng)汽車實踐教學評價體系

應用型本科院校汽車專業(yè)人才培養(yǎng)方案中，專業(yè)核心課程包括《汽車構(gòu)造》、《汽車理論》、《汽車電器設備》、《汽車電子控制技術》等。汽車實踐課程教學強調(diào)理論聯(lián)系實踐，配合相應理論課程相關知識內(nèi)容開展教學。實踐教學過程是應用型本科高校人才培養(yǎng)至關重要的環(huán)節(jié)，教學評價主要包括學生考勤、實踐報告、期末測評組成。傳統(tǒng)實踐教學評價體系存在單一性和遲滯性，在教學的過程中主要由教師單向性傳輸學習內(nèi)容，對學生的學習評價無法及時反饋到教學過程中。由于教學評價的遲滯性，不利于達到預定的培養(yǎng)目標和教學目標。

4.2 以項目為主導的實踐教學體系

實踐教學根本目的是為了服務理論教學，提高學生動手實踐能力。智能汽車多學科交叉融合，存在概念抽象、專業(yè)理論強、知識跨度大等難題。智能汽車人才培養(yǎng)重視理論教學的同時加強實踐教學，兼顧學生的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。智能汽車技術與時俱進更新迭代周期短，需要探索新的實踐教學手段和教學評價體系。

以項目為主導的實踐教學評價體系主要分為兩部分，一方面包括對實踐教師的教學目標、教學重點、教學過程進行閉環(huán)反饋，另一方面包括對學生學習成果的具體化評價。實踐教學具體項目案例以工程實踐為基礎，包含學科前沿技術。教學目標和教學重點緊跟學科發(fā)展方向與產(chǎn)業(yè)需求，培養(yǎng)智能汽車產(chǎn)業(yè)急需的高素質(zhì)應用型人才。在教學過程中，學生以小組團隊的形式參與制定好的項目案例。通過虛擬仿真實踐教學部分，讓學生團隊完成項目案例的仿真演練，可以有效提高教學效率和教學成本。在智能小車實車驗證部分，可以鍛煉學生的動手實踐能力。通過智能汽車的實車驗證，可以直觀的激發(fā)學生的學習興趣，可以將仿真內(nèi)容實踐落地。在整個教學過程中，對學生的考核主要包括學習態(tài)度、學習方法、學習進度、學習效果四大部分。教學評價及時反饋到實踐教學中，實現(xiàn)“做中學”與“學中做”充分融合。

5 總結(jié)

智能汽車實踐教學是新工科專業(yè)人才培養(yǎng)至關重要環(huán)節(jié)，通過“虛實結(jié)合”的實踐教學過程，理論知識與工程案例相互結(jié)合，培養(yǎng)高素質(zhì)應用人才的工程素養(yǎng)。在實踐教學過程評價中，要充分注重學習過程考核評價，促使達到一個良好的教學成果。結(jié)合實際工程案例，以小組團隊協(xié)作的方式完成相關學習內(nèi)容，分階段匯報展示學習成果。實踐指導教師分小組指導，可以即時關注到小組學生的學習進度和學習狀態(tài)并加以記錄。在期末考核評價中分為學生互評、教師點評，小組同學相互為團隊成員點評，指導教師結(jié)合學習過程和期末考核對小組同學進行點評。通過多維度教學評價體系，促進學生學習積極性，端正學習態(tài)度，學習結(jié)果與學習過程相互兼重。綜上所述，“虛實結(jié)合”的智能汽車實踐教學，是新工科背景下應用型本科高校專業(yè)人才培養(yǎng)的一種積極探索。以項目為主導，融入前沿工程案例，培養(yǎng)學生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新思維。

項目基金：寧波工程學院高教研究立項課題“新工科背景下智能汽車虛擬仿真實踐教學研究”（項目編號：2023NGGJA03）。

參考文獻：

[1]朱冰，趙健，高振海，等.智能汽車新工科人才培養(yǎng)實踐教學體系探索[J].實驗室研究索，2021，40（06）：172-175.

[2]胡翼，侯獻軍，袁曉紅.面向新工科的汽車虛擬仿真實驗中心探索與實踐[J].黑龍江教育：理論與實踐， 2022（10）：90-92.

[3]劉振峰，郭為忠.虛擬仿真實驗教學課程資源設計及教學過程的改革與探索——以上海交通大學“設計與制造Ⅱ”課程為例[J].教育理論與實踐， 2022， 42（9）：4.

[4]夏利紅，楊智宇，王旭東.智能車輛專業(yè)虛擬仿真實訓平臺的探索與思考[J].科技與創(chuàng)新， 2022（1）：1-3.

[5]周辰華.基于核心素養(yǎng)的“四維結(jié)構(gòu)”課堂教學模型的實踐研究[J].教育理論與實踐，2023，43（29）：61-64.