《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程實(shí)操實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法探究

摘 要：文章從國(guó)內(nèi)中高職、本科院?！靶履茉雌?chē)技術(shù)”專(zhuān)業(yè)、“汽車(chē)智能技術(shù)”專(zhuān)業(yè)、“智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)專(zhuān)業(yè)”、“智能車(chē)輛工程技術(shù)”專(zhuān)業(yè)等各類(lèi)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)，在開(kāi)設(shè)《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程時(shí)，課程實(shí)操實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)普遍遇到的缺乏實(shí)訓(xùn)設(shè)備的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題出發(fā)，重點(diǎn)探討了根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)和知識(shí)核心，利用電腦編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)本課程核心知識(shí)的實(shí)操實(shí)訓(xùn)，完成本課程核心章節(jié)理論知識(shí)和實(shí)操實(shí)訓(xùn)的有效統(tǒng)一，為后續(xù)各大汽車(chē)院校類(lèi)似課程實(shí)操實(shí)訓(xùn)提供了有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：課程 實(shí)操實(shí)訓(xùn) 教學(xué)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 《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程開(kāi)設(shè)的現(xiàn)實(shí)意義

教育要面向現(xiàn)代化，面向世界，面向未來(lái)。現(xiàn)代汽車(chē)向著電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化的方向發(fā)展，客觀上要求我國(guó)中高職及本科汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的人才教育要從電動(dòng)化進(jìn)一步向智能化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。目前，汽車(chē)的智能化向著智能駕駛和智能座艙兩個(gè)方向發(fā)展，而智能座艙技術(shù)上是較智能駕駛更成熟，應(yīng)用也更廣泛，也是近期國(guó)內(nèi)外眾多車(chē)廠紛紛布局的重點(diǎn)領(lǐng)域。畢馬威中國(guó)發(fā)布的《2023聚焦電動(dòng)化下半場(chǎng)智能座艙白皮書(shū)》表明，智能座艙已經(jīng)成為中國(guó)消費(fèi)者購(gòu)車(chē)的關(guān)鍵考慮因素，其中88%的中國(guó)用戶(hù)在購(gòu)車(chē)時(shí)將智能座艙配置納入考量中，61%以上的用戶(hù)對(duì)智能座艙內(nèi)的增值功能有付費(fèi)意向。從整體市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，2019-2022年，中國(guó)智能座艙滲透率直線(xiàn)上升，2021年智能座艙滲透率已超50%。ICVTank數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)智能座艙市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)逐年平穩(wěn)遞增的趨勢(shì)。

在教育教學(xué)上，由于學(xué)生對(duì)《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程涉及到的技術(shù)并不陌生，比如課程核心知識(shí)的智能座艙的人機(jī)交互系統(tǒng)在平時(shí)生活中經(jīng)常接觸，就非常容易理解。根據(jù)知識(shí)的遷移性原理，該課程很適合做廣大中高職院校傳統(tǒng)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)及新能源汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的智能網(wǎng)聯(lián)的啟蒙教學(xué)；通過(guò)對(duì)課程涉及知識(shí)背后的原理進(jìn)行挖掘深入，也非常適配智能汽車(chē)的相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)教學(xué)。

1.2 國(guó)內(nèi)中高職本科院校開(kāi)設(shè)《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程需求現(xiàn)狀

《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程采是智能汽車(chē)專(zhuān)業(yè)方向的基礎(chǔ)課程，也是必修課程。智能汽車(chē)專(zhuān)業(yè)方向主要包括兩個(gè)專(zhuān)業(yè)：“智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)”及“汽車(chē)智能技術(shù)”。全國(guó)職業(yè)院校專(zhuān)業(yè)設(shè)置管理與公共信息服務(wù)平臺(tái)公布了2023年高等職業(yè)學(xué)校擬招生專(zhuān)業(yè)設(shè)置的備案結(jié)果，其中開(kāi)設(shè)“智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)”專(zhuān)業(yè)的高校共有210所，較2022年增加66所；2022年較2021年又新增加93個(gè)專(zhuān)業(yè)點(diǎn)，新增加專(zhuān)業(yè)數(shù)量由2021年的第15位躍居到第2位，可見(jiàn)該專(zhuān)業(yè)方向的增長(zhǎng)勢(shì)頭之猛。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)方向近4年發(fā)展趨勢(shì)詳見(jiàn)表1。

《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程也是“汽車(chē)檢測(cè)與維修技術(shù)”、“汽車(chē)技術(shù)服務(wù)與營(yíng)銷(xiāo)”、“汽車(chē)電子技術(shù)”和“新能源汽車(chē)檢測(cè)與維修技術(shù)”專(zhuān)業(yè)，為培養(yǎng)學(xué)生面向智能汽車(chē)增量市場(chǎng)而開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)拓展課程。截止到2023年，開(kāi)設(shè)“汽車(chē)檢測(cè)與維修技術(shù)”專(zhuān)業(yè)高等院校有701所，開(kāi)設(shè)“汽車(chē)技術(shù)服務(wù)與營(yíng)銷(xiāo)”324所，“汽車(chē)電子技術(shù)”專(zhuān)業(yè)135所，開(kāi)設(shè)“新能源汽車(chē)技術(shù)專(zhuān)業(yè)”132所。近4年各個(gè)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)院校數(shù)量詳見(jiàn)表2（數(shù)據(jù)來(lái)源于：全國(guó)職業(yè)院校專(zhuān)業(yè)設(shè)置管理與公共信息服務(wù)平臺(tái)）。

從表1和表2可以得出，傳統(tǒng)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的招生院校在逐步萎縮，而新能源汽車(chē)專(zhuān)業(yè)在穩(wěn)步增長(zhǎng)，“智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)”專(zhuān)業(yè)的開(kāi)設(shè)院校在爆發(fā)式增長(zhǎng)，這說(shuō)明各大汽車(chē)招生院校在積極調(diào)整招生專(zhuān)業(yè)，以適應(yīng)就業(yè)市場(chǎng)的快速變化。

2 課程實(shí)操實(shí)訓(xùn)教學(xué)遇到的問(wèn)題

在職業(yè)教育中，實(shí)操實(shí)訓(xùn)占據(jù)在教學(xué)環(huán)節(jié)中重要的地位，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新競(jìng)賽的重要手段，是提高學(xué)生綜合素質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。2019年6月18日，在教育部網(wǎng)站公布的《關(guān)于職業(yè)院校專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案制訂與實(shí)施工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》中，明確規(guī)定“實(shí)踐性教學(xué)學(xué)時(shí)原則上占總學(xué)時(shí)數(shù)50%以上”；2021年1月29日，在教育部辦公廳印發(fā)《本科層次職業(yè)教育專(zhuān)業(yè)設(shè)置管理辦法（試行）》中，明確規(guī)定實(shí)踐教學(xué)課時(shí)占總課時(shí)的比例不低于50%。目前《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程在實(shí)際實(shí)操實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中遇到的主要問(wèn)題有：

2.1 師資力量相對(duì)薄弱

《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程是隨著智能汽車(chē)專(zhuān)業(yè)發(fā)展而誕生的一門(mén)新興課程，全國(guó)開(kāi)課院校的授課時(shí)間在兩年左右。具備智能座艙知識(shí)儲(chǔ)備能夠進(jìn)行授課的師資人員非常稀缺，課程配套實(shí)操實(shí)訓(xùn)教師就更稀缺了，因此授課教師一般兼任實(shí)操實(shí)訓(xùn)教師。隨著汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的高校向著智能汽車(chē)方向的轉(zhuǎn)型，越來(lái)越多的高校授課教師需要接受繼續(xù)教育，進(jìn)行智能座艙知識(shí)的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)才能上崗。

2.2 實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教材的缺乏及實(shí)操實(shí)訓(xùn)設(shè)備的缺乏

《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程教學(xué)資源稀缺，市場(chǎng)上適合教學(xué)的教材非常少，其中涉及到實(shí)操實(shí)訓(xùn)的教材僅有機(jī)械出版社的《智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)智能座艙系統(tǒng)測(cè)試裝調(diào)》。該書(shū)的實(shí)操環(huán)節(jié)是建立在智能座艙實(shí)訓(xùn)小車(chē)平臺(tái)的基礎(chǔ)上。而現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是，絕大多數(shù)開(kāi)設(shè)該課程的汽車(chē)院校，因?yàn)榻?jīng)費(fèi)問(wèn)題，并未采購(gòu)該教學(xué)實(shí)操實(shí)訓(xùn)設(shè)備；因此該教材所涉及到的實(shí)操實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)在實(shí)際教學(xué)中不能實(shí)現(xiàn)。眾多高校建立智能座艙實(shí)操實(shí)訓(xùn)基地和采購(gòu)實(shí)訓(xùn)設(shè)備尚需時(shí)日。因此，對(duì)于眾多汽車(chē)高校，如何在現(xiàn)有硬件設(shè)施的條件下，有效保障該課程實(shí)操實(shí)訓(xùn)的開(kāi)展是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。

2.3 沒(méi)有合適的校外實(shí)踐教學(xué)基地

因《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程是一門(mén)新興課程，各大高校校外實(shí)踐教學(xué)基地的開(kāi)展工作也是剛剛起步，具備該課程實(shí)操實(shí)訓(xùn)條件的課外實(shí)踐教學(xué)基地全國(guó)范圍內(nèi)屈指可數(shù)，且多是收費(fèi)較為高昂的教育服務(wù)機(jī)構(gòu)。校外實(shí)踐教學(xué)基地的拓展任重而道遠(yuǎn)。

3 課程實(shí)操實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法對(duì)策探究

3.1 課程教學(xué)內(nèi)容核心

智能駕駛艙的核心是人機(jī)交互界面，這個(gè)界面可以將車(chē)輛周?chē)男畔⒁詧D形化和可視化的方式呈現(xiàn)給駕駛員，包括路況、車(chē)速、車(chē)輛位置等信息。這些信息可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、眼動(dòng)追蹤等方式來(lái)獲取。通過(guò)這種方式，駕駛員可以更加方便地控制車(chē)輛，同時(shí)也可以更加安全地行駛[2]?！吨悄茏搼?yīng)用技術(shù)》課程教學(xué)課程教學(xué)的核心是人機(jī)交互系統(tǒng)（HMI，Human Machine Interaction），包括車(chē)載語(yǔ)音交互系統(tǒng)、手勢(shì)交互系統(tǒng)、觸控交互系統(tǒng)、人臉識(shí)別（FR，F(xiàn)ace Recognition）、駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS，Driver Monitor System的縮寫(xiě)）、全息交互系統(tǒng)、多模態(tài)人機(jī)交互系統(tǒng)、抬頭顯示系統(tǒng)（HUD）等。

其中該課程涉及到實(shí)操實(shí)訓(xùn)的環(huán)節(jié)主要是人機(jī)交互系統(tǒng)，包括車(chē)載語(yǔ)音交互系統(tǒng)、手勢(shì)交互系統(tǒng)、觸控交互系統(tǒng)、駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)、抬頭顯示系統(tǒng)。

3.2 人機(jī)交互系統(tǒng)的技術(shù)背景

智能駕駛艙人機(jī)交互系統(tǒng)的語(yǔ)音交互、手勢(shì)識(shí)別、觸摸操控、視覺(jué)分析等多模態(tài)交互技術(shù)本質(zhì)上依賴(lài)于深度學(xué)習(xí)算法。智能座艙關(guān)聯(lián)到的算法基本上囊括了機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)及語(yǔ)音等各個(gè)方面。以計(jì)算機(jī)視覺(jué)為例，檢測(cè)、分類(lèi)、分割、人臉關(guān)鍵點(diǎn)、人體骨架、人臉識(shí)別、行為識(shí)別、3D視覺(jué)等相關(guān)領(lǐng)域均有涉及[3]。智能座艙人機(jī)交互是在依托各類(lèi)傳感器（包括攝像頭）、計(jì)算芯片、屏幕等硬件基礎(chǔ)上，在座艙操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上嵌入人機(jī)交互算法來(lái)實(shí)現(xiàn)各種交互技術(shù)。

3.3 借助電腦上位機(jī)編程進(jìn)行實(shí)操實(shí)訓(xùn)

根據(jù)3.2所述中人機(jī)交互技術(shù)背景，本課程的實(shí)操實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)完全可以借助多媒體教室的電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)。電腦屏幕相當(dāng)于智能座艙的車(chē)載大屏；電腦芯片相當(dāng)于智能座艙算法計(jì)算芯片；在電腦上安裝車(chē)載操作系統(tǒng)來(lái)模擬實(shí)車(chē)操作系統(tǒng)，比如可以安裝Ubuntu操作系統(tǒng)；而智能座艙核心算法的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)借助Python編程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。因各大中職、高職及本科院校都具備在多媒體教室開(kāi)展實(shí)訓(xùn)仿真的條件，因此通過(guò)對(duì)現(xiàn)有教學(xué)硬件設(shè)備稍微的軟件升級(jí)改裝，就可以進(jìn)行本課程的實(shí)操實(shí)訓(xùn)教學(xué)，讓學(xué)生在本質(zhì)上理解智能座艙背后的深層原理和邏輯。

3.4 基于Python編程+Mediapipe深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)智能座艙車(chē)載手勢(shì)交互系統(tǒng)的實(shí)操實(shí)訓(xùn)案例

駕駛者在操作中控屏幕或者按鈕容易發(fā)生事故，手勢(shì)識(shí)別可有效降低駕駛潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高人機(jī)交互體驗(yàn)；同時(shí)手勢(shì)控制可以令駕駛者使用手勢(shì)組合，從而讓車(chē)主更加快捷地實(shí)現(xiàn)各種操作，比傳統(tǒng)的汽車(chē)中控按鍵更便捷。手勢(shì)識(shí)別技術(shù)是通過(guò)車(chē)載攝像機(jī)將手掌、手指各關(guān)節(jié)的方位、角度等信息輸入車(chē)載芯片經(jīng)過(guò)算法分析轉(zhuǎn)化為機(jī)器可理解的語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。

手勢(shì)識(shí)別算法流程是首先通過(guò)攝像頭獲取RGB（紅、綠、藍(lán)）原始圖像，然后在獲取到的圖像中進(jìn)行手勢(shì)分割，得到手部區(qū)域。接著在此基礎(chǔ)上進(jìn)行手勢(shì)分析，分析手勢(shì)特征，最后通過(guò)識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別。在此流程中，手勢(shì)分割（圖1）以及手勢(shì)識(shí)別是關(guān)鍵技術(shù)。

MediaPipe手勢(shì)模塊框架由3個(gè)模型組成的，包括：手掌識(shí)別模型BlazePalm（用于識(shí)別手的整體框架和方向）、Landmark模型（識(shí)別立體手部節(jié)點(diǎn)）、手勢(shì)識(shí)別模型（將識(shí)別到的節(jié)點(diǎn)分類(lèi)成一系列手勢(shì)），具體可通過(guò)構(gòu)建21個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的3D坐標(biāo)來(lái)完成手勢(shì)跟蹤檢測(cè)，如圖2和3所示。

3.5 其他人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)操實(shí)訓(xùn)

與手勢(shì)交互系統(tǒng)類(lèi)似，車(chē)載語(yǔ)音交互系統(tǒng)、觸控交互系統(tǒng)、人臉識(shí)別、駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)等課程內(nèi)容的實(shí)操實(shí)訓(xùn)都可以借助Python編程+相應(yīng)的深度學(xué)習(xí)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如Python編程+OpenCV算法可以實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別交互技術(shù)；借助OpenCV+Mediapipe算法可實(shí)現(xiàn)駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)操實(shí)訓(xùn)等；借助python 的語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用程序接口（API：Application Program Interface）可調(diào)用相關(guān)應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從《智能座艙應(yīng)用技術(shù)》課程對(duì)于我國(guó)各大汽車(chē)院校向智能網(wǎng)聯(lián)化轉(zhuǎn)型升級(jí)中扮演的重要角色出發(fā)，指出了該課程在實(shí)操實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中目前遇到的客觀問(wèn)題，并探討了具體的可實(shí)施的對(duì)策。該對(duì)策立足于各大汽車(chē)院校教學(xué)實(shí)際條件，通過(guò)轉(zhuǎn)變教學(xué)思路來(lái)解決問(wèn)題，為我國(guó)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)課程實(shí)操實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有意義的參考。

基金項(xiàng)目：中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)精品在線(xiàn)開(kāi)放課程（項(xiàng)目立項(xiàng)名稱(chēng)：汽車(chē)智能座艙系統(tǒng)與應(yīng)用）。

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