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面臨巨大機遇和挑戰。智能汽車產業快速發展與高素質專業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業，其產業快速發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汽車、計算機、自動控制、信息與通信、數學和人工智能等技術，是典型的復合型新工科專業。新工科課程建設以工程教育為核心，結合新理念、新模式、新內容、新質量、新方法作為教學內容。在現有專業基礎上，實時革新教育方法與內容以滿足新產業、新經濟、新發展、新未來的高素質人才需求。新工科專業人才培養，增強學生的創新創業能力，培養具有較強行業背景、工程實踐能力、勝任行業發展所需的應用型和技能型高素質人才。

2 智能汽車實踐教學的背景分析

2.1智能汽車產業化發展

智能汽車是指車輛搭載先進傳感器，高算力車載電腦，結合人工智能、物聯網、大數據等多種新興技術，具有自動駕駛功能，是全球汽車產業戰略發展方向。智能汽車的發展是汽車產業未來核心競爭力體現，多元競爭加速產業發展。自十四五規劃以來，隨著新能源汽車蓬勃發展，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型。智能汽車在市場份額方面，預計2025年突破五千億產業規模。據工業和信息化部數據顯示，2022年國內搭載輔助駕駛的智能汽車銷售七百萬輛，國內主流車企已實現乘用車L2級別智能駕駛大規模商業落地。從技術層面看，智能汽車已經實現L2高級輔助駕駛層級，并且正在突破技術瓶頸，實現L3-L4級別智能自動駕駛。大力支持智能汽車產業發展，有利于增強國內產業市場競爭力，有利于促進國內汽車產業升級轉型，實現從汽車大國轉型汽車強國[2]。

我國智能汽車產業快速發展的戰略優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。智能汽車產業是傳統汽車產業與人工智能、信息通信、計算機芯片、大數據等相關產業深度融合。在頂層規劃方面，支持智能汽車發展是國家和地方汽車產業重要發展方向。國家發改委發布的《智能汽車創新發展戰略》，部署重大戰略大力推進智能汽車發展，爭取到2030年實現L4級別智能汽車大批量商業落地。智能汽車的發展離不開智慧道路的建設，2023年11月7日，國家四部委共同發文《關于開展智能網聯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業發展即將邁入新階段。

2.2 智能汽車產業人才需求

智能汽車產業正在向萬億級產業規模發展，產業升級轉型的瓶頸在于相關專業人才的匱乏。隨著汽車產業的升級轉型，汽車行業人才需求也發生了巨大變革。汽車行業人才需求從傳統的機械工業轉向汽車、計算機、人工智能、軟件開發等跨學科復合型人才。根據最新發布的《智能網聯汽車大學生人才現狀研究》顯示，預計到2025年國內智能汽車人才缺口2.37萬人，同一年國內智能汽車相關專業高校本科生規模預估7300人，智能汽車相關專業高校畢業生人才缺口大。

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

3 虛實結合實踐教學平臺設計

基于“虛實結合”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”是指以培養智能汽車專業創新人才為主體，“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聯汽車實車驗證實踐平臺。

由于智能網聯汽車知識體系相對復雜，如果采用傳統的“教師從上到下”的教學方式，學生很容易產生畏難情緒。虛擬仿真實踐教學平臺，采用“線上-線下”結合的混合式教學。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，培養學生的工程素養和創新能力[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。虛實結合的智能汽車實踐教學方法，可以培養出智能汽車行業發展所需的高素質專業人才。

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，環境感知仿真實踐，規劃決策仿真實踐，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測試的畏難情緒。為了充分調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人才培養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，該平臺主要由開發工具Matlab/Simulink和汽車仿真軟件Prescan聯合組成。虛擬仿真實踐教學平臺，分為智能汽車導論、環境感知仿真實踐、規劃決策仿真實踐、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動手實踐能力，需要將虛擬仿真內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構滿足阿克曼轉向機構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。通過車載傳感器的標定，可以使車輛獲得環境位置信息。智能小車的控制算法使用Matlab/Simulink轉化成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，通過對轉向舵機與驅動電機的控制實現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社會迫切需求的專業人才，助力產城融合共同發展。新工科背景下智能汽車實踐教學，體現應用型高素質人才培養要求，注重學生動手實踐能力與創新探索能力的培養。

4.1 傳統汽車實踐教學評價體系

應用型本科院校汽車專業人才培養方案中，專業核心課程包括《汽車構造》、《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理論聯系實踐，配合相應理論課程相關知識內容開展教學。實踐教學過程是應用型本科高校人才培養至關重要的環節，教學評價主要包括學生考勤、實踐報告、期末測評組成。傳統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、專業理論強、知識跨度大等難題。智能汽車人才培養重視理論教學的同時加強實踐教學，兼顧學生的創新實踐能力培養。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展方向與產業需求，培養智能汽車產業急需的高素質應用型人才。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，可以直觀的激發學生的學習興趣，可以將仿真內容實踐落地。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“做中學”與“學中做”充分融合。

5 總結

智能汽車實踐教學是新工科專業人才培養至關重要環節，通過“虛實結合”的實踐教學過程，理論知識與工程案例相互結合，培養高素質應用人才的工程素養。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。結合實際工程案例，以小組團隊協作的方式完成相關學習內容，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，端正學習態度，學習結果與學習過程相互兼重。綜上所述，“虛實結合”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人才培養的一種積極探索。以項目為主導，融入前沿工程案例，培養學生工程素養和創新思維。

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.智能車輛專業虛擬仿真實訓平臺的探索與思考[J].科技與創新， 2022（1）：1-3.

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