新时代智能汽车技术课程教学改革探究

张志清，谭东丽

（广西科技大学 机械与汽车工程学院，广西柳州 545006）

智能汽车技术是科技创新的重要产物，是集汽车电子信息化与智能化、集成控制、雷达、人工智能等系统研究于一体的车辆工程专业选修课程[1]。智能汽车技术所涉及的知识体系和应用范围远远超过传统汽车领域，是人工智能技术应用的重要载体及场景，同样也是“汽车+互联网+人工智能”的产物[2]。通过该课程的学习，使学生具有跨学科专业背景，并初步掌握电子信息、智能汽车环境感知、规划决策、自动控制、软件建模仿真等方面的专业知识；培养学生智能汽车技术的研究、开发、设计与应用等方面的能力，以适应未来汽车产业发展趋势。

目前，广西科技大学新增设专业选修课程——智能网联汽车技术，共32 个课时。该课程主要以理论教学为主，实践教学环节相对较薄弱。然而，智能汽车技术内容涵盖广泛，包括计算机、电子、信息、自动控制、人工智能、机械、交通、管理学等多个学科领域。相比其他课程，该课程知识点多而且复杂，理论与实践结合不够紧密，这也导致学生感觉学习内容枯燥，学习兴趣不高，课堂教学效果不明显[3]。此外，该课程较偏重算法、控制理论，数学基础薄弱的学生学习难度较大。因此，在有限的教学时间内提高学生的主观能动性，使其尽快掌握智能汽车技术知识和技能，是目前该课程需要解决的紧迫问题[4]。

1 课程建设与探索

1.1 采用线上线下混合式教学形式

2018 年10 月，教育部印发《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》（以下简称“新时代高教40 条”），制定实施“六卓越一拔尖”计划2.0[5]。相关研究表明，未来几年混合式教学模式将是高等教育教学重要发展趋势之一[6]。在线教学有很多优点，比如授课不受时空限制，学生可以随时随地用手机或者电脑打开智慧教学软件（直播平台）进行线上学习[7]。此外，学生针对课堂上未听懂的内容，课后可以多次回放教师的录播课程进行学习。然而，随着线上教学的推行也产生一些问题，如教师难以实时掌控学生的学习状态，师生有效互动效果不明显、交流少，教师很难确定学生是否一直在线认真听课等。线上线下混合式教学可以有效解决上述问题。

本课程在进行混合式教学设计时根据学生学情、学习能力等差异，设计了基本知识、实践综合运用、智能汽车发展现状、相关科学研究的热点与前沿及未来行业发展等核心内容。目前，国内外在本领域领先者为华为、特斯拉、Waymo、百度、图森未来等大企业，课程可以介绍各大企业在先进自动驾驶技术方面的特点和优势。为了克服本课程内容多、难度大、理论强、实践难的特点，以学生为中心，充分发挥教师的主导作用，引导学生主动学习，激发学生作为学习主体的主动性。同时，教师应提炼知识点，使知识模块化，提供相应的课程教学视频、教学课件以及其他类型的多媒体教学资源，以调动学生参与课堂的积极性[8]。整个教学过程紧扣课前、课中、课后三个环节，包括课前线上预习（查阅相关文献，观看相关视频，完成相应预习测试，进行难点探讨）、课中研讨（传统教授、课堂测试、翻转课堂、分组讨论汇报和总结）、课后巩固（课后作业及线上答疑）。

根据智能汽车运行逻辑：首先，驾驶员通过智能汽车的感知技术和定位技术对环境和其他汽车感知，利用无线技术反馈给驾驶员并启动决策规划技术；其次，根据实际环境确定路径规划，加速、减速等行为规划；最后，通过集成控制技术实现驱动、制动、转向等具体的控制[2]。因此，本课程线上教学将从以下4 个模块进行理论讲述，如图1 所示。

图1 经典智能汽车技术架构图

第一部分：环境感知技术。这部分内容包括感知技术和定位技术。感知技术主要介绍视觉传感器、毫米波雷达、激光雷达等各种传感器对周围环境进行数据采集与信息处理，获取本车行驶环境状况。通过分析各类传感器的优势与劣势，分析得出感知层采用多传感器融合技术为最优，有利于提升汽车环境感知系统的鲁棒性。定位技术主要介绍三种常见定位原理：一是通过网络辅助或差分增强的全球卫星定位系统（GPS）技术；二是GPS 与其他传感器进行数据融合继而形成定位系统；三是通过信标或地图匹配原理进行定位。

第二部分：决策规划技术。智能汽车的决策规划技术犹如人的大脑，是智能汽车的控制中枢。主要介绍上层——全局轨迹规划，中层——行驶行为决策，下层——局部轨迹规划三个部分。了解通过车辆的定位技术来进行全局轨迹规划，熟知通过驾驶行为来完成全局轨迹规划（一个周期一般为几十秒到几分钟），综合考虑车辆的各种性能指标（包括局部路径规划和局部速度规划，规划周期一般为秒级），决策出最优的轨迹。

第三部分：集成控制技术。这部分则根据决策规划技术对车辆的行进路径和速度跟随做出最优轨迹规划。理解控制车辆侧向运动和纵向运动的本质以实现期望轨迹（决策出的最优轨迹）与实际轨迹相差尽可能小。利用车辆动力学控制、力优化控制分配和执行器优化控制分配，实现智能汽车的驱动控制、制动控制和转向控制。介绍两种常见控制技术：最优预瞄的轨迹跟随控制结束、基于模型预测控制理论的轨迹跟随控制技术。

第四部分：测试评价技术。了解测试评价技术对智能汽车技术提高的重要性，及其在现实中的应用。了解传统汽车测试评价与智能汽车测试评价的差异，比如评价对象的改变，由传统的人、车二元独立系统转变为智能汽车的人—车—环境—任务强耦合系统。一般测试内容包括模型在环测试、软件在环测试、驾驶模拟器测试、硬件在环测试、车辆在环测试、封闭试验场测试和公共道路测试等。随着测试任务与场景的不同，评价维度各不相同。一般有数字仿真测试评价、硬件在环测试评价、车辆在环测试评价、封闭试验场测试评价和公共道路测试评价等。

1.2 智能汽车技术课程思政元素的融入

使专业课程与课程思政同向而行，才能更好地实现协同育人效应，达到立德树人的目的[9]。高校肩负着为社会主义建设培养理想坚定、专业技术过硬的高层次人才的重担，应深化该课程的教学目标、内容、模式等方面的改革，融合专业教育与思政教育，促进学生全面发展[10]。因此，高校教师在传授专业知识的同时还需引导学生树立正确的“三观”，不断挖掘专业教学过程中的课程思政元素，以实现“润物细无声”的教育效果。专业课程的思政教育需建立在专业知识的基础上，学生通过线上、线下的方式进行学习。

针对线上教学，课题组将收集的优秀课程思政案例或者录制的视频等上传腾讯课堂、雨课堂等线上网络平台，供学生学习。如伟大的科学家钱学森、“中国通信界元勋” 张煦院士等优秀人物事迹；又如华为5G网络技术的发展、比亚迪的成长、中国北斗导航系统的建设等，都可以上传网络学习平台[11]，学生可以随时随地开展学习。线下学习主要讨论知识中的重点和难点。教师通过课堂讲授、组织实地参观、视频资料播放等多种形式相结合将思政元素融入智能汽车技术课程的教学过程。课题组结合智能化汽车技术的知识点模块，分析提炼该课程知识点的思政元素。思政案例的教学主要采用小组讨论的形式进行，教师根据小组讨论的情况和学生撰写的思政心得体会进行考核，考核结果计入总评成绩。

因此，混合式教学模式可以很好地解决课程单一、地域限制、课时较少等问题，并充分以视频、动画或图片等多种形式展示思政内容中的典型人物事迹或工程案例。

1.3 智能汽车自动驾驶数字仿真教学平台

在授课过程中，由于注重智能汽车技术的理论教学，内容较多，实践环节较为缺乏，教师即使在教室授课时举例，也往往停留于介绍层面[12]。因此，如果在实践教学环节增加数字仿真平台的教学设计，就可以有效解决上述问题。广西科技大学现已建设了一款以物理模型为基础的教学平台，该教学平台可以对汽车ADAS 自动驾驶进行仿真，主要基于摄像头、激光雷达、毫米波雷达、GPS 等多种传感器开展自动驾驶性能设计、开发及仿真测试软件；还可以根据需要搭建路网模型模拟驾驶环境（环境、天气、交通、道路）、交通参照物（行人、车辆、障碍物等）、环境传感（雷达、无线通信、GPS、摄像机等）和行驶工况（碰撞、自动泊车、ACC 等）。此外，还支持与Matlab/Simulink 联合无缝仿真，即以拖拽方式添加传感器，设置内外参数进行建模，并通过Matlab/Simulink 来加载算法。

在教学过程中，学生可以在平台自主构建和设计实车模型，并设置他车、行人、障碍物等，开展模拟仿真训练。这样学生不仅可以身临其境般地体验智能汽车的自动导航性能，而且可以更好地熟悉智能汽车规避障碍的工作原理和理解智能汽车技术的决策层面与控制层面的工作原理。同时，在教学过程中教师可以搭建智能汽车自动驾驶传感器实验模块，并指导学生对采集的数据进行处理和分析，有利于加深学生对GPS、毫米波雷达、激光雷达等多传感器工作原理的理解。综上所述，数字仿真模拟平台可以创造实训环境，学生可以利用人机交互技术建立的实训系统快速地熟悉智能汽车的驾驶技术。同时，虚拟系统可以避免在现实环境中操作失误产生的不利后果，不仅节省了财力和物力，而且提高了学生的学习效率。

1.4 融合智能汽车大赛与大学生创新创业项目

2022 年9 月，在第十七届全国大学生智能汽车竞赛全国总决赛中，广西科技大学取得较好成绩，“腿长蹬三轮”队荣获全国多车编队组二等奖。目前广西科技大学有叶燕帅、徐光香、郑特等一批优秀的指导教师。全国大学生智能汽车竞赛体现了参赛学校专业培养的质量[13]。因此，建议将竞赛内容融入车辆工程本科生的智能汽车技术课程的课堂教学，让该专业所有本科生都能接触到大赛内容，并因此受益。在教学设计时可考虑把技能竞赛的标准及内容融入教学过程，赛教融合，以赛促教、促学、促评。

此外，在课外，建议融合大学生创新创业项目、科研训练等内容，以线上学习为主导，引导车辆专业的学生利用本课程所学知识和有关智能汽车技术的设想，积极参与申报智能汽车技术方面的科研项目、专业社会实践等活动。通过申报和实施大学生创新创业项目，不仅有利于锻炼学生的科学研究思维，也有利于提升学生的创新创业实践能力。

2 结语

本文通过对智能汽车技术课程特点和该课程在教学过程中所存在的难题进行剖析，提出了线上线下混合教学”、融入课程思政、搭建智能汽车自动驾驶数字仿真教学平台、融合智能汽车大赛与大学生创新创业项目等改革措施，以提高教学质量和教学效果，充分贯彻“以学生为中心”的教学理念，让学生在有限课时内获得更全面的智能汽车技术知识与实践能力。该教学改革不仅提升了学生收集、阅读与处理文献的能力，也激发了学生的学习兴趣，培养了学生的科研思维、创新思维及意识等，符合当前新时代课程教学改革的要求。