朱 冰， 趙 健， 高振海， 鄧偉文

（吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130022）

0 引 言

智能汽車是新一輪科技革命背景下的新興產(chǎn)業(yè)，集中運用了車輛工程、計算機、自動控制、信息與通信、神經(jīng)與認知科學(xué)、數(shù)學(xué)和人工智能等技術(shù)，是典型的復(fù)合型新工科專業(yè)，同時也是未來所有汽車新技術(shù)集成的載體，代表著未來汽車技術(shù)的戰(zhàn)略制高點，對促進國家科技、經(jīng)濟、安全以及綜合國力有著重大的意義，已經(jīng)成為各國科技創(chuàng)新的必爭之地［1-3］。

隨著新技術(shù)井噴式爆發(fā)，智能汽車產(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)視角和實踐經(jīng)驗的智能汽車專業(yè)創(chuàng)新型人才迫在眉睫［4］。為此，世界各國的高等教育機構(gòu)均大力進行智能汽車新工科專業(yè)人才培養(yǎng)［5-6］；我國先后發(fā)布的《關(guān)于推進新工科研究與實踐項目的通知》《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》《智能汽車創(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，我國智能汽車人才培養(yǎng)體系尚未完善，特別是當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)過于注重理論教學(xué)，而智能汽車存在概念抽象、專業(yè)理論強、難以理解等基本特征，其人才培養(yǎng)模式一定要兼顧創(chuàng)新思維和實踐能力，因此，實踐教學(xué)是智能汽車人才培養(yǎng)的核心［7-8］。探索新的教學(xué)手段和課程模式，建立智能汽車新工科人才培養(yǎng)實踐教學(xué)體系，推動多學(xué)科交叉復(fù)合型新工科專業(yè)建設(shè)已成為現(xiàn)階段汽車專業(yè)高等教育的迫切需求［9-10］。

本文充分利用學(xué)校汽車工程學(xué)院、汽車仿真與控制國家重點實驗室已有的教學(xué)、科研成果，設(shè)計智能汽車數(shù)字仿真教學(xué)平臺、硬件在環(huán)教學(xué)平臺以及實車教學(xué)平臺，構(gòu)建智能汽車新工科人才培養(yǎng)“一心兩翼三平臺”實踐教學(xué)體系，以期探索形成卓越人才培養(yǎng)范式和最佳實踐。

1 “一心兩翼三平臺”實踐教學(xué)體系理念

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革不斷深化，智能汽車已成為汽車產(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)，智能汽車專業(yè)人才培養(yǎng)具有如下新的特征：

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

（2）智能汽車是典型的高新技術(shù)集合體，其組成包括相機、雷達等種類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，涉及機械、電子、控制、通信、計算機、人工智能等眾多學(xué)科，各組成部分特性各異，教學(xué)重點、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）智能汽車是典型的人-車-環(huán)境-任務(wù)強耦合系統(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)也動態(tài)多變、具有極強的動態(tài)隨機性，傳統(tǒng)的實車試驗方法已經(jīng)無法滿足智能汽車開發(fā)測試需求，因此，數(shù)字仿真、硬件在環(huán)等虛擬仿真技術(shù)已成為智能汽車研發(fā)不可或缺的手段，這就要求智能汽車教學(xué)過程中也要融入相關(guān)的內(nèi)容［13］。

基于以上特征分析，以學(xué)校首門智能汽車專業(yè)課程汽車智能化技術(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)建了智能汽車新工科人才培養(yǎng)“一心兩翼三平臺”實踐教學(xué)體系，如圖1所示。其中，“一心”是以培養(yǎng)智能汽車領(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囆鹿た迫瞬艖?yīng)具備的硬實力和軟技能，“硬實力”是智能汽車理論學(xué)習(xí)、工程設(shè)計、應(yīng)用實踐等技術(shù)實力，“軟技能”是堅定的理想信念、高尚的道德修養(yǎng)、健康的人格品質(zhì)以及團隊合作、跨學(xué)科思維、創(chuàng)新意識等職業(yè)素養(yǎng)；“三平臺”是指構(gòu)建了智能汽車實踐教學(xué)所需的數(shù)字仿真教學(xué)平臺、硬件在環(huán)教學(xué)平臺以及實車教學(xué)平臺。“一心”是智能汽車新工科建設(shè)的根本目的，“兩翼”是指導(dǎo)方向，而“三平臺”則是核心手段和主要建設(shè)對象。

圖1 “一心兩翼三平臺”實踐教學(xué)體系

“一心兩翼三平臺”實踐教學(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踐的邊界，使工科教育回到以設(shè)計、實踐及綜合為核心的正確軌道上來，實現(xiàn)創(chuàng)新思維和實踐能力的協(xié)同發(fā)展，形成德才兼?zhèn)?、深度學(xué)科交叉的多層次人才全過程培養(yǎng)機制。

2 智能汽車新工科實踐教學(xué)平臺構(gòu)建

利用學(xué)校汽車工程學(xué)院、汽車仿真與控制國家重點實驗室已有的教學(xué)、科研成果，分別構(gòu)建用于智能汽車實踐教學(xué)的數(shù)字仿真教學(xué)平臺、硬件在環(huán)教學(xué)平臺以及實車教學(xué)平臺，將理論課程和實踐課程有機地聯(lián)系起來，增強課程模塊的整體性和系統(tǒng)性，形成智能汽車實踐教學(xué)平臺體系。

2.1 數(shù)字仿真教學(xué)平臺

數(shù)字仿真教學(xué)平臺能夠顯著增強學(xué)生的學(xué)習(xí)沉浸感、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣［14］。團隊面向智能汽車專業(yè)教學(xué)需求，探索高效、高逼真度人-車-環(huán)境系統(tǒng)建模機理，創(chuàng)建了智能汽車數(shù)字仿真教學(xué)平臺，如圖2所示。數(shù)字仿真教學(xué)平臺包括車輛動力學(xué)模型、靜態(tài)環(huán)境模型、動態(tài)場景模型、毫米波雷達模型、激光雷達模型、相機模型、GPS模型以及典型自動駕駛算法模型，能夠進行虛擬環(huán)境下的智能汽車設(shè)計、開發(fā)與測試。

圖2 智能汽車數(shù)字仿真教學(xué)平臺

典型數(shù)字仿真設(shè)計實例如圖3所示，數(shù)字仿真試驗場景配置靈活、試驗重復(fù)性好、操作便捷，可以方便地利用數(shù)字仿真平臺培養(yǎng)智能汽車專業(yè)人才的理論應(yīng)用能力［15］。

圖3 數(shù)字仿真設(shè)計實例

2.2 硬件在環(huán)教學(xué)平臺

硬件在環(huán)教學(xué)平臺是一種相對比較直觀、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)實驗平臺可以有效提高學(xué)生的積極性以及教學(xué)質(zhì)量［16］。團隊依托已有的科研成果，自主搭建了相機在環(huán)、雷達在環(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硬件在環(huán)教學(xué)平臺體系，如圖4所示。硬件在環(huán)教學(xué)平臺支持學(xué)生自主開展智能汽車課程實踐，在安全的環(huán)境下實現(xiàn)智能汽車接近服役狀態(tài)的算法設(shè)計和功能測試，虛實結(jié)合完成課程的實踐教學(xué)，以點帶面，促進智能汽車新工科學(xué)生創(chuàng)新實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

2.3 實車教學(xué)平臺

實車教學(xué)平臺對于學(xué)生理解和掌握智能汽車理論知識至關(guān)重要，是連接智能汽車理論與實踐的關(guān)鍵。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，如果能夠親身體驗智能汽車實物并親自動手設(shè)計智能汽車，可以顯著提高學(xué)生的工程實踐能力。團隊除了利用已有的智能汽車試驗平臺，還與百度公司簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，引入百度Apollo自動駕駛開發(fā)套件，建立了自動駕駛實車教學(xué)平臺體系，如圖5所示。該平臺結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便，學(xué)生可以零距離接觸全球最先進的人工智能科技，自主設(shè)計開發(fā)自動駕駛程序算法，并在此基礎(chǔ)上，進行創(chuàng)新設(shè)計。

圖5 實車教學(xué)平臺

3 實踐教學(xué)體系應(yīng)用與成效

實踐教學(xué)是智能汽車新工科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，利用建立的實踐教學(xué)體系，汽車智能化技術(shù)課程改變傳統(tǒng)滿堂灌的知識傳授方式，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)字仿真平臺展開，培訓(xùn)學(xué)生基礎(chǔ)實、能力強的專業(yè)知識體系；1個月的半實踐內(nèi)容學(xué)習(xí)，此階段依托硬件在環(huán)教學(xué)平臺展開，在培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識體系的同時也引導(dǎo)學(xué)生對硬件在環(huán)平臺的使用；1個月的實踐內(nèi)容學(xué)習(xí)，此階段充分依托實車教學(xué)平臺展開，學(xué)生將應(yīng)用前期的理論學(xué)習(xí)成果開展實踐活動，自主設(shè)計智能汽車，將理論通過實車平臺進行“落地”。

經(jīng)過智能汽車新工科實踐教學(xué)體系的培養(yǎng)，學(xué)生們基于數(shù)字仿真教學(xué)平臺、硬件在環(huán)教學(xué)平臺以及實車教學(xué)平臺積極開展理論、實踐學(xué)習(xí)，自身的理論學(xué)習(xí)、工程設(shè)計、應(yīng)用實踐等“硬實力”以及團隊合作、跨學(xué)科思維、創(chuàng)新意識等“軟技能”得到了顯著提升。

圍繞智能汽車新工科實踐教學(xué)培養(yǎng)體系建設(shè)，團隊先后承擔各級教改項目6項；教學(xué)改革試驗課程汽車智能化技術(shù)開設(shè)7年以來，受益學(xué)生1 000余人；先后孵化大學(xué)生創(chuàng)新項目40余項，培育“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽項目30余項；本科生申請發(fā)明專利60余項，獲授權(quán)發(fā)明專利30余項；榮獲國家級二等獎3項、三等獎1項，省級特等獎1項、一等獎3項。

4 結(jié) 語

智能汽車新工科人才培養(yǎng)實踐教學(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)。以我校首門智能汽車專業(yè)課程汽車智能化技術(shù)為載體，提出了“一心兩翼三平臺”智能汽車新工科人才培養(yǎng)實踐教學(xué)體系，自主建立了數(shù)字仿真、硬件在環(huán)和實車教學(xué)平臺，探索了“2＋1＋1”智能汽車人才培養(yǎng)模式，并取得了良好的實踐效果。