新工科背景下智能汽车实践教学研究

张鹏

摘 要：智能汽车是跨学科交叉融合新工科，其学科建设与人才培养面临巨大机遇和挑战。智能汽车产业快速发展与高素质专业人才急需短缺之间矛盾日益突出，建立新工科智能汽车人才培养实践教学亟待解决。以地方应用型本科为载体，建立以项目案例为主导的智能汽车实践教学框架体系，包含虚拟仿真实践教学和智能小车实践教学相互融合，积极探索“1+1>2”的新工科人才培养模式。

关键词：新工科 智能汽车 虚拟仿真 智能小车 实践教学

1 引言

智能汽车是新一轮科技革命背景下的新兴产业，其产业快速发展和人才匮乏之间的矛盾日益突出[1]。智能汽车交叉融合了传统汽车、计算机、自动控制、信息与通信、数学和人工智能等技术，是典型的复合型新工科专业。新工科课程建设以工程教育为核心，结合新理念、新模式、新内容、新质量、新方法作为教学内容。在现有专业基础上，实时革新教育方法与内容以满足新产业、新经济、新发展、新未来的高素质人才需求。新工科专业人才培养，增强学生的创新创业能力，培养具有较强行业背景、工程实践能力、胜任行业发展所需的应用型和技能型高素质人才。

2 智能汽车实践教学的背景分析

2.1智能汽车产业化发展

智能汽车是指车辆搭载先进传感器，高算力车载电脑，结合人工智能、物联网、大数据等多种新兴技术，具有自动驾驶功能，是全球汽车产业战略发展方向。智能汽车的发展是汽车产业未来核心竞争力体现，多元竞争加速产业发展。自十四五规划以来，随着新能源汽车蓬勃发展，智能汽车是新能源汽车的核心竞争力更是未来汽车的重要转型。智能汽车在市场份额方面，预计2025年突破五千亿产业规模。据工业和信息化部数据显示，2022年国内搭载辅助驾驶的智能汽车销售七百万辆，国内主流车企已实现乘用车L2级别智能驾驶大规模商业落地。从技术层面看，智能汽车已经实现L2高级辅助驾驶层级，并且正在突破技术瓶颈，实现L3-L4级别智能自动驾驶。大力支持智能汽车产业发展，有利于增强国内产业市场竞争力，有利于促進国内汽车产业升级转型，实现从汽车大国转型汽车强国[2]。

我国智能汽车产业快速发展的战略优势根源于中国特色社会主义国家政府管理体系，可以集中力量攻关难题。智能汽车产业是传统汽车产业与人工智能、信息通信、计算机芯片、大数据等相关产业深度融合。在顶层规划方面，支持智能汽车发展是国家和地方汽车产业重要发展方向。国家发改委发布的《智能汽车创新发展战略》，部署重大战略大力推进智能汽车发展，争取到2030年实现L4级别智能汽车大批量商业落地。智能汽车的发展离不开智慧道路的建设，2023年11月7日，国家四部委共同发文《关于开展智能网联汽车准入和上路通行试点工作的通知》，标志我国智能汽车产业发展即将迈入新阶段。

2.2 智能汽车产业人才需求

智能汽车产业正在向万亿级产业规模发展，产业升级转型的瓶颈在于相关专业人才的匮乏。随着汽车产业的升级转型，汽车行业人才需求也发生了巨大变革。汽车行业人才需求从传统的机械工业转向汽车、计算机、人工智能、软件开发等跨学科复合型人才。根据最新发布的《智能网联汽车大学生人才现状研究》显示，预计到2025年国内智能汽车人才缺口2.37万人，同一年国内智能汽车相关专业高校本科生规模预估7300人，智能汽车相关专业高校毕业生人才缺口大。

智能汽车人才市场需求体量浩大，汽车专业相关人才面积巨大的机遇和挑战。智能汽车是新兴技术密集型产业，人才需求跨多学科交叉复合。智能汽车产业的快速发展，导致急剧增长的产业需求。智能汽车在开发和测试过程中需要大量高素质应用型人才，其中包括虚拟仿真开发和测试、硬件嵌入式开发和测试。应用型本科高校人才培养，需要密切关注产业发展方向和产业人才需求。

3 虚实结合实践教学平台设计

基于“虚实结合”的智能汽车实践教学主要由“一体两翼双平台”组成。其中“一体”是指以培养智能汽车专业创新人才为主体，“两翼”分别是指掌握充分扎实的理论知识和熟悉创新实践应用，“双平台”分别是指搭建智能汽车虚拟仿真实践平台和智能网联汽车实车验证实践平台。

由于智能网联汽车知识体系相对复杂，如果采用传统的“教师从上到下”的教学方式，学生很容易产生畏难情绪。虚拟仿真实践教学平台，采用“线上-线下”结合的混合式教学。通过案例教学，任务教学以及自由探索式教学，以学生为中心开展仿真实践教学。通过仿真平台学生可以更好的理解智能汽车的工作原理，可以从易到难逐步引导学生参与学习。虚拟仿真实践平台可以自由设定反复试错，通过仿真动画可以更直观的看到智能车辆的运动逻辑。通过虚拟仿真平台，将智能汽车的“环境感知、算法决策、运动控制”等相关理论知识与工程实践应用有效融合。通过“从易到难的闯关式”教学模式，可以有效激发学生的学习积极性，也会大大提高学生的自信心。通过虚拟仿真平台可以让学生们直观的接触到实际工程应用案例，培养学生的工程素养和创新能力[3]。虚拟仿真实践平台应用范围广、使用成本低，重复试错提高学生学习兴趣。智能小车实践平台更加直观的反映学习成果，提高动手实践能力。虚实结合的智能汽车实践教学方法，可以培养出智能汽车行业发展所需的高素质专业人才。

3.1 虚拟仿真实践教学平台

虚拟仿真实践教学平台围绕智能汽车的关键技术建立了三大组成模块，环境感知仿真实践，规划决策仿真实践，车辆运动控制仿真实践。虚拟仿真实践平台建立一个可视化操作界面，可以有效减少同学们对于智能汽车开发测试的畏难情绪。为了充分调动同学们的参与兴趣，设计出“线上线下混合式”，“小组探究式”，“项目主导式”等积极主动的教学方法。该虚拟仿真实践平台可以促进同学们“做中学”，为新工科背景下的汽车相关专业人才培养提供新的模式和理念。

智能汽车虚拟仿真实践平台框架如图1所示，该平台主要由开发工具Matlab/Simulink和汽车仿真软件Prescan联合组成。虚拟仿真实践教学平台，分为智能汽车导论、环境感知仿真实践、规划决策仿真实践、车辆运动控制仿真实践。以具体工程案例为教学情境，主要包括自动泊车、车道保持、自适应巡航、紧急制动等智能汽车常见场景。通过虚拟仿真实践教学平台，加强学生多学科交叉融合的动手实践能力，拓展创新思维。

3.2 智能车辆实践教学

通过虚拟仿真实践平台可以系统的掌握智能汽车整体技术框架和技术要点。为了进一步加深学生对相关理论知识的直观理解，提高学生的研究兴趣培养动手实践能力，需要将虚拟仿真内容应用到实际智能小车上。在智能汽车的工程实际应用中也会采用模型设计方法将仿真模型直接转译成C/C++或者Python等主流编译语言，从而降低了智能汽车开发学校的复杂度。本项目研究的智能小车实践平台符合车辆运动学结构满足阿克曼转向机构的等比例仿真车辆底盘。

设计智能小车时车辆底盘选择仿真车模型，可以更加真实的模拟车辆运动状态。通过车载传感器的标定，可以使车辆获得环境位置信息。智能小车的控制算法使用Matlab/Simulink转化成c语言或python语言，其模块化编程可以降低设计者对计算机编程语言的要求，可以让学生直观的学习并且设计智能汽车辅助驾驶控制算法[4]。智能小车的硬件控制部分采用树莓派（Raspberry Pi）微型电脑控制，Matlab/Simulink与树莓派微型电脑具有良好的兼容性，学生可以将自主设计的智能小车运动控制算法移植到树莓派微型电脑上，通过对转向舵机与驱动电机的控制实现智能小车的运动控制[5]。

4 智能汽车实践教学评价体系

应用型本科高校培养社会迫切需求的专业人才，助力产城融合共同发展。新工科背景下智能汽车实践教学，体现应用型高素质人才培养要求，注重学生动手实践能力与创新探索能力的培养。

4.1 传统汽车实践教学评价体系

应用型本科院校汽车专业人才培养方案中，专业核心课程包括《汽车构造》、《汽车理论》、《汽车电器设备》、《汽车电子控制技术》等。汽车实践课程教学强调理论联系实践，配合相应理论课程相关知识内容开展教学。实践教学过程是应用型本科高校人才培养至关重要的环节，教学评价主要包括学生考勤、实践报告、期末测评组成。传统实践教学评价体系存在单一性和迟滞性，在教学的过程中主要由教师单向性传输学习内容，对学生的学习评价无法及时反馈到教学过程中。由于教学评价的迟滞性，不利于达到预定的培养目标和教学目标。

4.2 以项目为主导的实践教学体系

实践教学根本目的是为了服务理论教学，提高学生动手实践能力。智能汽车多学科交叉融合，存在概念抽象、专业理论强、知识跨度大等难题。智能汽车人才培养重视理论教学的同时加强实践教学，兼顾学生的创新实践能力培养。智能汽车技术与时俱进更新迭代周期短，需要探索新的实践教学手段和教学评价体系。

以项目为主导的实践教学评价体系主要分为两部分，一方面包括对实践教师的教学目标、教学重点、教学过程进行闭环反馈，另一方面包括对学生学习成果的具体化评价。实践教学具体项目案例以工程实践为基础，包含学科前沿技术。教学目标和教学重点紧跟学科发展方向与产业需求，培养智能汽车产业急需的高素质应用型人才。在教学过程中，学生以小组团队的形式参与制定好的项目案例。通过虚拟仿真实践教学部分，让学生团队完成项目案例的仿真演练，可以有效提高教学效率和教学成本。在智能小车实车验证部分，可以锻炼学生的动手实践能力。通过智能汽车的实车验证，可以直观的激发学生的学习兴趣，可以将仿真内容实践落地。在整个教学过程中，对学生的考核主要包括学习态度、学习方法、学习进度、学习效果四大部分。教学评价及时反馈到实践教学中，实现“做中学”与“学中做”充分融合。

5 总结

智能汽车实践教学是新工科专业人才培养至关重要环节，通过“虚实结合”的实践教学过程，理论知识与工程案例相互结合，培养高素质应用人才的工程素养。在实践教学过程评价中，要充分注重学习过程考核评价，促使达到一个良好的教学成果。结合实际工程案例，以小组团队协作的方式完成相关学习内容，分阶段汇报展示学习成果。实践指导教师分小组指导，可以即时关注到小组学生的学习进度和学习状态并加以记录。在期末考核评价中分为学生互评、教师点评，小组同学相互为团队成员点评，指导教师结合学习过程和期末考核对小组同学进行点评。通过多维度教学评价体系，促进学生学习积极性，端正学习态度，学习结果与学习过程相互兼重。综上所述，“虚实结合”的智能汽车实践教学，是新工科背景下应用型本科高校专业人才培养的一种积极探索。以项目为主导，融入前沿工程案例，培养学生工程素养和创新思维。

项目基金：宁波工程学院高教研究立项课题“新工科背景下智能汽车虚拟仿真实践教学研究”（项目编号：2023NGGJA03）。

参考文献：

[1]朱冰，赵健，高振海，等.智能汽车新工科人才培养实践教学体系探索[J].实验室研究索，2021，40（06）：172-175.

[2]胡翼，侯献军，袁晓红.面向新工科的汽车虚拟仿真实验中心探索与实践[J].黑龙江教育：理论与实践， 2022（10）：90-92.

[3]刘振峰，郭为忠.虚拟仿真实验教学课程资源设计及教学过程的改革与探索——以上海交通大学“设计与制造Ⅱ”课程为例[J].教育理论与实践， 2022， 42（9）：4.

[4]夏利红，杨智宇，王旭东.智能车辆专业虚拟仿真实训平台的探索与思考[J].科技与创新， 2022（1）：1-3.

[5]周辰華.基于核心素养的“四维结构”课堂教学模型的实践研究[J].教育理论与实践，2023，43（29）：61-64.