《智能座舱应用技术》课程实操实训教学方法探究

摘 要：文章从国内中高职、本科院校“新能源汽车技术”专业、“汽车智能技术”专业、“智能网联汽车技术专业”、“智能车辆工程技术”专业等各类汽车专业，在开设《智能座舱应用技术》课程时，课程实操实训环节普遍遇到的缺乏实训设备的现实问题出发，重点探讨了根据课程教学目标和知识核心，利用电脑编程来实现对本课程核心知识的实操实训，完成本课程核心章节理论知识和实操实训的有效统一，为后续各大汽车院校类似课程实操实训提供了有价值的参考。

关键词：课程 实操实训 教学方法

Exploration of Teaching Methods for Practical Operations and Training during the Course of “Intelligent Cockpit Application Technology”

Liu Jie

Abstract：The paper is based on the practical problem of lacking practical training equipment during the experimental and practical training courses of “intelligent cockpit application technology” and similar curriculums， which are opened by the major in “New Energy Vehicle Technology”， “Automotive Intelligent Technology”， “Intelligent Connected Vehicle Technology”， “Intelligent Vehicle Engineering Technology” etc. offered by the domestic vocational and undergraduate colleges. This paper focuses on exploring the practical training of using computer programming to simulate the core knowledge of this course， and complete the effective integration of theoretical knowledge and practical training in the core knowledge section of this course; At last this article provides a valuable reference to design the practical operations and training for the colleges and universities.

Key words：courses， practical training， teaching methods

1 引言

1.1 《智能座舱应用技术》课程开设的现实意义

教育要面向现代化，面向世界，面向未来。现代汽车向着电动化、网联化、智能化的方向发展，客观上要求我国中高职及本科汽车专业的人才教育要从电动化进一步向智能化方向转型升级。目前，汽车的智能化向着智能驾驶和智能座舱两个方向发展，而智能座舱技术上是较智能驾驶更成熟，应用也更广泛，也是近期国内外众多车厂纷纷布局的重点领域。毕马威中国发布的《2023聚焦电动化下半场智能座舱白皮书》表明，智能座舱已经成为中国消费者购车的关键考虑因素，其中88%的中国用户在购车时将智能座舱配置纳入考量中，61%以上的用户对智能座舱内的增值功能有付费意向。从整体市场规模来看，2019-2022年，中国智能座舱渗透率直线上升，2021年智能座舱渗透率已超50%。ICVTank数据显示，我国智能座舱市场规模呈现逐年平稳递增的趋势。

在教育教学上，由于学生对《智能座舱应用技术》课程涉及到的技术并不陌生，比如课程核心知识的智能座舱的人机交互系统在平时生活中经常接触，就非常容易理解。根据知识的迁移性原理，该课程很适合做广大中高职院校传统汽车专业及新能源汽车专业的智能网联的启蒙教学；通过对课程涉及知识背后的原理进行挖掘深入，也非常适配智能汽车的相关专业的专业教学。

1.2 国内中高职本科院校开设《智能座舱应用技术》课程需求现状

《智能座舱应用技术》课程采是智能汽车专业方向的基础课程，也是必修课程。智能汽车专业方向主要包括两个专业：“智能网联汽车技术”及“汽车智能技术”。全国职业院校专业设置管理与公共信息服务平台公布了2023年高等职业学校拟招生专业设置的备案结果，其中开设“智能网联汽车技术”专业的高校共有210所，较2022年增加66所；2022年较2021年又新增加93个专业点，新增加专业数量由2021年的第15位跃居到第2位，可见该专业方向的增长势头之猛。智能网联汽车专业方向近4年发展趋势详见表1。

《智能座舱应用技术》课程也是“汽车检测与维修技术”、“汽车技术服务与营销”、“汽车电子技术”和“新能源汽车检测与维修技术”专业，为培养学生面向智能汽车增量市场而开设的专业拓展课程。截止到2023年，开设“汽车检测与维修技术”专业高等院校有701所，开设“汽车技术服务与营销”324所，“汽车电子技术”专业135所，开设“新能源汽车技术专业”132所。近4年各个专业开设院校数量详见表2（数据来源于：全国职业院校专业设置管理与公共信息服务平台）。

从表1和表2可以得出，传统汽车专业的招生院校在逐步萎缩，而新能源汽车专业在稳步增长，“智能网联汽车技术”专业的开设院校在爆发式增长，这说明各大汽车招生院校在积极调整招生专业，以适应就业市场的快速变化。

2 课程实操实训教学遇到的问题

在职业教育中，实操实训占据在教学环节中重要的地位，是培养学生实践能力和创新竞赛的重要手段，是提高学生综合素质的关键环节[1]。2019年6月18日，在教育部网站公布的《关于职业院校专业人才培养方案制订与实施工作的指导意见》中，明确规定“实践性教学学时原则上占总学时数50%以上”；2021年1月29日，在教育部办公厅印发《本科层次职业教育专业设置管理办法（试行）》中，明确规定实践教学课时占总课时的比例不低于50%。目前《智能座舱应用技术》课程在实际实操实训教学环节中遇到的主要问题有：

2.1 师资力量相对薄弱

《智能座舱应用技术》课程是随着智能汽车专业发展而诞生的一门新兴课程，全国开课院校的授课时间在两年左右。具备智能座舱知识储备能够进行授课的师资人员非常稀缺，课程配套实操实训教师就更稀缺了，因此授课教师一般兼任实操实训教师。随着汽车专业的高校向着智能汽车方向的转型，越来越多的高校授课教师需要接受继续教育，进行智能座舱知识的专业培训才能上岗。

2.2 实训指导教材的缺乏及实操实训设备的缺乏

《智能座舱应用技术》课程教学资源稀缺，市场上适合教学的教材非常少，其中涉及到实操实训的教材仅有机械出版社的《智能网联汽车智能座舱系统测试装调》。该书的实操环节是建立在智能座舱实训小车平台的基础上。而现实问题是，绝大多数开设该课程的汽车院校，因为经费问题，并未采购该教学实操实训设备；因此该教材所涉及到的实操实训环节在实际教学中不能实现。众多高校建立智能座舱实操实训基地和采购实训设备尚需时日。因此，对于众多汽车高校，如何在现有硬件设施的条件下，有效保障该课程实操实训的开展是一个非常棘手的问题。

2.3 没有合适的校外实践教学基地

因《智能座舱应用技术》课程是一门新兴课程，各大高校校外实践教学基地的开展工作也是刚刚起步，具备该课程实操实训条件的课外实践教学基地全国范围内屈指可数，且多是收费较为高昂的教育服务机构。校外实践教学基地的拓展任重而道远。

3 课程实操实训教学方法对策探究

3.1 课程教学内容核心

智能驾驶舱的核心是人机交互界面，这个界面可以将车辆周围的信息以图形化和可视化的方式呈现给驾驶员，包括路况、车速、车辆位置等信息。这些信息可以通过语音识别、手势识别、眼动追踪等方式来获取。通过这种方式，驾驶员可以更加方便地控制车辆，同时也可以更加安全地行驶[2]。《智能座舱应用技术》课程教学课程教学的核心是人机交互系统（HMI，Human Machine Interaction），包括车载语音交互系统、手势交互系统、触控交互系统、人脸识别（FR，Face Recognition）、驾驶员监控系统（DMS，Driver Monitor System的缩写）、全息交互系统、多模态人机交互系统、抬头显示系统（HUD）等。

其中该课程涉及到实操实训的环节主要是人机交互系统，包括车载语音交互系统、手势交互系统、触控交互系统、驾驶员监控系统、抬头显示系统。

3.2 人机交互系统的技术背景

智能驾驶舱人机交互系统的语音交互、手势识别、触摸操控、视觉分析等多模态交互技术本质上依赖于深度学习算法。智能座舱关联到的算法基本上囊括了机器学习、计算机视觉及语音等各个方面。以计算机视觉为例，检测、分类、分割、人脸关键点、人体骨架、人脸识别、行为识别、3D视觉等相关领域均有涉及[3]。智能座舱人机交互是在依托各类传感器（包括摄像头）、计算芯片、屏幕等硬件基础上，在座舱操作系统基础上嵌入人机交互算法来实现各种交互技术。

3.3 借助电脑上位机编程进行实操实训

根据3.2所述中人机交互技术背景，本课程的实操实训环节完全可以借助多媒体教室的电脑来实现。电脑屏幕相当于智能座舱的车载大屏；电脑芯片相当于智能座舱算法计算芯片；在电脑上安装车载操作系统来模拟实车操作系统，比如可以安装Ubuntu操作系统；而智能座舱核心算法的实现可以通过借助Python编程软件来实现。因各大中职、高职及本科院校都具备在多媒体教室开展实训仿真的条件，因此通过对现有教学硬件设备稍微的软件升级改装，就可以进行本课程的实操实训教学，让学生在本质上理解智能座舱背后的深层原理和逻辑。

3.4 基于Python编程+Mediapipe深度学习算法实现对智能座舱车载手势交互系统的实操实训案例

驾驶者在操作中控屏幕或者按钮容易发生事故，手势识别可有效降低驾驶潜在风险，提高人机交互体验；同时手势控制可以令驾驶者使用手势组合，从而让车主更加快捷地实现各种操作，比传统的汽车中控按键更便捷。手势识别技术是通过车载摄像机将手掌、手指各关节的方位、角度等信息输入车载芯片经过算法分析转化为机器可理解的语言，实现了人机交互。

手势识别算法流程是首先通过摄像头获取RGB（红、绿、蓝）原始图像，然后在获取到的图像中进行手势分割，得到手部区域。接着在此基础上进行手势分析，分析手势特征，最后通过识别算法实现手势识别。在此流程中，手势分割（图1）以及手势识别是关键技术。

MediaPipe手势模块框架由3个模型组成的，包括：手掌识别模型BlazePalm（用于识别手的整体框架和方向）、Landmark模型（识别立体手部节点）、手势识别模型（将识别到的节点分类成一系列手势），具体可通过构建21个关键点的3D坐标来完成手势跟踪检测，如图2和3所示。

3.5 其他人机交互系统实操实训

与手势交互系统类似，车载语音交互系统、触控交互系统、人脸识别、驾驶员监控系统等课程内容的实操实训都可以借助Python编程+相应的深度学习算法来实现。例如Python编程+OpenCV算法可以实现人脸识别交互技术；借助OpenCV+Mediapipe算法可实现驾驶员监控系统实操实训等；借助python 的语音识别应用程序接口（API：Application Program Interface）可调用相关应用程序来实现语音识别等。

4 结语

本文从《智能座舱应用技术》课程对于我国各大汽车院校向智能网联化转型升级中扮演的重要角色出发，指出了该课程在实操实训教学环节中目前遇到的客观问题，并探讨了具体的可实施的对策。该对策立足于各大汽车院校教学实际条件，通过转变教学思路来解决问题，为我国智能网联汽车专业课程实操实训环节设计提供了一个有意义的参考。

基金项目：中山职业技术学院校级精品在线开放课程（项目立项名称：汽车智能座舱系统与应用）。

参考文献：

[1]蒋继平.《实践教学在高职教育中的重要作用》[J].职业教育（月刊）.2007年第5期下半月

[2]《智能驾驶舱的核心是人机交互界面》[N].北斗资讯平台.2023年6月21日．

[3]杨聪.《智能座舱开发与实践》[M].北京：机械工业出版社.2022年2月.第165页.