智能汽車(chē)新工科人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系探索

朱 冰， 趙 健， 高振海， 鄧偉文

（吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130022）

0 引 言

智能汽車(chē)是新一輪科技革命背景下的新興產(chǎn)業(yè)，集中運(yùn)用了車(chē)輛工程、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息與通信、神經(jīng)與認(rèn)知科學(xué)、數(shù)學(xué)和人工智能等技術(shù)，是典型的復(fù)合型新工科專(zhuān)業(yè)，同時(shí)也是未來(lái)所有汽車(chē)新技術(shù)集成的載體，代表著未來(lái)汽車(chē)技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，對(duì)促進(jìn)國(guó)家科技、經(jīng)濟(jì)、安全以及綜合國(guó)力有著重大的意義，已經(jīng)成為各國(guó)科技創(chuàng)新的必爭(zhēng)之地［1-3］。

隨著新技術(shù)井噴式爆發(fā)，智能汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和人才匱乏之間的矛盾日益突出，培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力、產(chǎn)業(yè)視角和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的智能汽車(chē)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新型人才迫在眉睫［4］。為此，世界各國(guó)的高等教育機(jī)構(gòu)均大力進(jìn)行智能汽車(chē)新工科專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)［5-6］；我國(guó)先后發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》《智能汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》等一系列政策文件中，均將完善智能汽車(chē)相關(guān)領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系作為了重要工作內(nèi)容。但是，我國(guó)智能汽車(chē)人才培養(yǎng)體系尚未完善，特別是當(dāng)前工程教育依然深受科學(xué)范式與技術(shù)范式的影響，學(xué)生培養(yǎng)過(guò)于注重理論教學(xué)，而智能汽車(chē)存在概念抽象、專(zhuān)業(yè)理論強(qiáng)、難以理解等基本特征，其人才培養(yǎng)模式一定要兼顧創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，因此，實(shí)踐教學(xué)是智能汽車(chē)人才培養(yǎng)的核心［7-8］。探索新的教學(xué)手段和課程模式，建立智能汽車(chē)新工科人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系，推動(dòng)多學(xué)科交叉復(fù)合型新工科專(zhuān)業(yè)建設(shè)已成為現(xiàn)階段汽車(chē)專(zhuān)業(yè)高等教育的迫切需求［9-10］。

本文充分利用學(xué)校汽車(chē)工程學(xué)院、汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已有的教學(xué)、科研成果，設(shè)計(jì)智能汽車(chē)數(shù)字仿真教學(xué)平臺(tái)、硬件在環(huán)教學(xué)平臺(tái)以及實(shí)車(chē)教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建智能汽車(chē)新工科人才培養(yǎng)“一心兩翼三平臺(tái)”實(shí)踐教學(xué)體系，以期探索形成卓越人才培養(yǎng)范式和最佳實(shí)踐。

1 “一心兩翼三平臺(tái)”實(shí)踐教學(xué)體系理念

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革不斷深化，智能汽車(chē)已成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，而人才缺口已成為制約其發(fā)展的瓶頸。有別于傳統(tǒng)工科教學(xué)，智能汽車(chē)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)具有如下新的特征：

（1）智能汽車(chē)是人工智能時(shí)代的產(chǎn)物，其人才培養(yǎng)要注重超越人工智能、體現(xiàn)人類(lèi)特點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)涵和學(xué)習(xí)方式，要兼顧創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的協(xié)同發(fā)展，要從灌輸式教學(xué)向主動(dòng)探究式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，更要著重強(qiáng)調(diào)知識(shí)、技術(shù)與道德修養(yǎng)和性格品質(zhì)的聯(lián)合培養(yǎng)［11］。

（2）智能汽車(chē)是典型的高新技術(shù)集合體，其組成包括相機(jī)、雷達(dá)等種類(lèi)繁多的傳感感知模塊以及決策規(guī)劃、集成控制、網(wǎng)聯(lián)通信等模塊，涉及機(jī)械、電子、控制、通信、計(jì)算機(jī)、人工智能等眾多學(xué)科，各組成部分特性各異，教學(xué)重點(diǎn)、方法均不盡相同，因此，學(xué)科交叉融合的模塊化教學(xué)體系已成為發(fā)展的必經(jīng)之路［12］。

（3）智能汽車(chē)是典型的人-車(chē)-環(huán)境-任務(wù)強(qiáng)耦合系統(tǒng)，其行駛環(huán)境具有高度不確定性和不可窮盡性等特征，其駕駛?cè)蝿?wù)和行駛狀態(tài)也動(dòng)態(tài)多變、具有極強(qiáng)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)性，傳統(tǒng)的實(shí)車(chē)試驗(yàn)方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足智能汽車(chē)開(kāi)發(fā)測(cè)試需求，因此，數(shù)字仿真、硬件在環(huán)等虛擬仿真技術(shù)已成為智能汽車(chē)研發(fā)不可或缺的手段，這就要求智能汽車(chē)教學(xué)過(guò)程中也要融入相關(guān)的內(nèi)容［13］。

基于以上特征分析，以學(xué)校首門(mén)智能汽車(chē)專(zhuān)業(yè)課程汽車(chē)智能化技術(shù)為載體，深入探索了新工科背景下復(fù)合人才培養(yǎng)模式，結(jié)合最新的科研前沿和學(xué)術(shù)成果，構(gòu)建了智能汽車(chē)新工科人才培養(yǎng)“一心兩翼三平臺(tái)”實(shí)踐教學(xué)體系，如圖1所示。其中，“一心”是以培養(yǎng)智能汽車(chē)領(lǐng)域創(chuàng)新型人才為中心；“兩翼”是指培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞闹悄芷?chē)新工科人才應(yīng)具備的硬實(shí)力和軟技能，“硬實(shí)力”是智能汽車(chē)?yán)碚搶W(xué)習(xí)、工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用實(shí)踐等技術(shù)實(shí)力，“軟技能”是堅(jiān)定的理想信念、高尚的道德修養(yǎng)、健康的人格品質(zhì)以及團(tuán)隊(duì)合作、跨學(xué)科思維、創(chuàng)新意識(shí)等職業(yè)素養(yǎng)；“三平臺(tái)”是指構(gòu)建了智能汽車(chē)實(shí)踐教學(xué)所需的數(shù)字仿真教學(xué)平臺(tái)、硬件在環(huán)教學(xué)平臺(tái)以及實(shí)車(chē)教學(xué)平臺(tái)。“一心”是智能汽車(chē)新工科建設(shè)的根本目的，“兩翼”是指導(dǎo)方向，而“三平臺(tái)”則是核心手段和主要建設(shè)對(duì)象。

圖1 “一心兩翼三平臺(tái)”實(shí)踐教學(xué)體系

“一心兩翼三平臺(tái)”實(shí)踐教學(xué)體系采用前沿技術(shù)引領(lǐng)的模塊化教學(xué)方式，可以有效地打破課堂與實(shí)踐的邊界，使工科教育回到以設(shè)計(jì)、實(shí)踐及綜合為核心的正確軌道上來(lái)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的協(xié)同發(fā)展，形成德才兼?zhèn)洹⑸疃葘W(xué)科交叉的多層次人才全過(guò)程培養(yǎng)機(jī)制。

2 智能汽車(chē)新工科實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

利用學(xué)校汽車(chē)工程學(xué)院、汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已有的教學(xué)、科研成果，分別構(gòu)建用于智能汽車(chē)實(shí)踐教學(xué)的數(shù)字仿真教學(xué)平臺(tái)、硬件在環(huán)教學(xué)平臺(tái)以及實(shí)車(chē)教學(xué)平臺(tái)，將理論課程和實(shí)踐課程有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，增強(qiáng)課程模塊的整體性和系統(tǒng)性，形成智能汽車(chē)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)體系。

2.1 數(shù)字仿真教學(xué)平臺(tái)

數(shù)字仿真教學(xué)平臺(tái)能夠顯著增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)沉浸感、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣［14］。團(tuán)隊(duì)面向智能汽車(chē)專(zhuān)業(yè)教學(xué)需求，探索高效、高逼真度人-車(chē)-環(huán)境系統(tǒng)建模機(jī)理，創(chuàng)建了智能汽車(chē)數(shù)字仿真教學(xué)平臺(tái)，如圖2所示。數(shù)字仿真教學(xué)平臺(tái)包括車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、靜態(tài)環(huán)境模型、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模型、毫米波雷達(dá)模型、激光雷達(dá)模型、相機(jī)模型、GPS模型以及典型自動(dòng)駕駛算法模型，能夠進(jìn)行虛擬環(huán)境下的智能汽車(chē)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與測(cè)試。

圖2 智能汽車(chē)數(shù)字仿真教學(xué)平臺(tái)

典型數(shù)字仿真設(shè)計(jì)實(shí)例如圖3所示，數(shù)字仿真試驗(yàn)場(chǎng)景配置靈活、試驗(yàn)重復(fù)性好、操作便捷，可以方便地利用數(shù)字仿真平臺(tái)培養(yǎng)智能汽車(chē)專(zhuān)業(yè)人才的理論應(yīng)用能力［15］。

圖3 數(shù)字仿真設(shè)計(jì)實(shí)例

2.2 硬件在環(huán)教學(xué)平臺(tái)

硬件在環(huán)教學(xué)平臺(tái)是一種相對(duì)比較直觀、容易操作的新型教學(xué)工具，教學(xué)環(huán)節(jié)引入硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以有效提高學(xué)生的積極性以及教學(xué)質(zhì)量［16］。團(tuán)隊(duì)依托已有的科研成果，自主搭建了相機(jī)在環(huán)、雷達(dá)在環(huán)、控制執(zhí)行系統(tǒng)在環(huán)和駕駛模擬器等完整的智能汽車(chē)硬件在環(huán)教學(xué)平臺(tái)體系，如圖4所示。硬件在環(huán)教學(xué)平臺(tái)支持學(xué)生自主開(kāi)展智能汽車(chē)課程實(shí)踐，在安全的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)智能汽車(chē)接近服役狀態(tài)的算法設(shè)計(jì)和功能測(cè)試，虛實(shí)結(jié)合完成課程的實(shí)踐教學(xué)，以點(diǎn)帶面，促進(jìn)智能汽車(chē)新工科學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力與理論水平的綜合提升。

圖4 硬件在環(huán)教學(xué)平臺(tái)

2.3 實(shí)車(chē)教學(xué)平臺(tái)

實(shí)車(chē)教學(xué)平臺(tái)對(duì)于學(xué)生理解和掌握智能汽車(chē)?yán)碚撝R(shí)至關(guān)重要，是連接智能汽車(chē)?yán)碚撆c實(shí)踐的關(guān)鍵。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，如果能夠親身體驗(yàn)智能汽車(chē)實(shí)物并親自動(dòng)手設(shè)計(jì)智能汽車(chē)，可以顯著提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。團(tuán)隊(duì)除了利用已有的智能汽車(chē)試驗(yàn)平臺(tái)，還與百度公司簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，引入百度Apollo自動(dòng)駕駛開(kāi)發(fā)套件，建立了自動(dòng)駕駛實(shí)車(chē)教學(xué)平臺(tái)體系，如圖5所示。該平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便，學(xué)生可以零距離接觸全球最先進(jìn)的人工智能科技，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自動(dòng)駕駛程序算法，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

圖5 實(shí)車(chē)教學(xué)平臺(tái)

3 實(shí)踐教學(xué)體系應(yīng)用與成效

實(shí)踐教學(xué)是智能汽車(chē)新工科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，利用建立的實(shí)踐教學(xué)體系，汽車(chē)智能化技術(shù)課程改變傳統(tǒng)滿(mǎn)堂灌的知識(shí)傳授方式，形成了以學(xué)生為主體的啟發(fā)式、探究式、研究式教學(xué)方法，建立了“2＋1＋1”課程模式，即2個(gè)月的理論學(xué)習(xí)，此階段充分依托理論教學(xué)與數(shù)字仿真平臺(tái)展開(kāi)，培訓(xùn)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)、能力強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系；1個(gè)月的半實(shí)踐內(nèi)容學(xué)習(xí)，此階段依托硬件在環(huán)教學(xué)平臺(tái)展開(kāi)，在培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系的同時(shí)也引導(dǎo)學(xué)生對(duì)硬件在環(huán)平臺(tái)的使用；1個(gè)月的實(shí)踐內(nèi)容學(xué)習(xí)，此階段充分依托實(shí)車(chē)教學(xué)平臺(tái)展開(kāi)，學(xué)生將應(yīng)用前期的理論學(xué)習(xí)成果開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)，自主設(shè)計(jì)智能汽車(chē)，將理論通過(guò)實(shí)車(chē)平臺(tái)進(jìn)行“落地”。

經(jīng)過(guò)智能汽車(chē)新工科實(shí)踐教學(xué)體系的培養(yǎng)，學(xué)生們基于數(shù)字仿真教學(xué)平臺(tái)、硬件在環(huán)教學(xué)平臺(tái)以及實(shí)車(chē)教學(xué)平臺(tái)積極開(kāi)展理論、實(shí)踐學(xué)習(xí)，自身的理論學(xué)習(xí)、工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用實(shí)踐等“硬實(shí)力”以及團(tuán)隊(duì)合作、跨學(xué)科思維、創(chuàng)新意識(shí)等“軟技能”得到了顯著提升。

圍繞智能汽車(chē)新工科實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)體系建設(shè)，團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)各級(jí)教改項(xiàng)目6項(xiàng)；教學(xué)改革試驗(yàn)課程汽車(chē)智能化技術(shù)開(kāi)設(shè)7年以來(lái)，受益學(xué)生1 000余人；先后孵化大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目40余項(xiàng)，培育“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽項(xiàng)目30余項(xiàng)；本科生申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利60余項(xiàng)，獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)；榮獲國(guó)家級(jí)二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省級(jí)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

智能汽車(chē)新工科人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大共性需求，是發(fā)展工程教育供給側(cè)改革的綜合體現(xiàn)。以我校首門(mén)智能汽車(chē)專(zhuān)業(yè)課程汽車(chē)智能化技術(shù)為載體，提出了“一心兩翼三平臺(tái)”智能汽車(chē)新工科人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系，自主建立了數(shù)字仿真、硬件在環(huán)和實(shí)車(chē)教學(xué)平臺(tái)，探索了“2＋1＋1”智能汽車(chē)人才培養(yǎng)模式，并取得了良好的實(shí)踐效果。