李煊鵬， 王 東， 秦文虎

(東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210096)

0 引言

近年來，在人工智能和大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展推動(dòng)下，各行業(yè)都面臨著重大的變革。汽車行業(yè)加快了從傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)制造向新能源智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)制造的轉(zhuǎn)型步伐，并與互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)相結(jié)合,共同推動(dòng)無人駕駛技術(shù)的發(fā)展。但是，新技術(shù)的發(fā)展面臨著人才短缺的問題，制約了其快速發(fā)展、產(chǎn)品成熟以及商業(yè)應(yīng)用落地。其原因在于：一方面，智能汽車技術(shù)是一門綜合性的工程應(yīng)用技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)、車輛工程、信息技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的交叉融合，對(duì)行業(yè)從事人員的綜合能力要求高，特別是高端人才需求量大；另一方面，雖然我國高等教育已開始了人工智能學(xué)科方向的拓展延伸，比如建立人工智能學(xué)院、開設(shè)人工智能相關(guān)課程等，但總體上仍處于起步階段，無法形成規(guī)模性領(lǐng)域人才輸出。

為了應(yīng)對(duì)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)變革、社會(huì)需求多樣化、人才需求短缺等全球高等教育新時(shí)期的新挑戰(zhàn)，我國率先提出了“新工科”概念，強(qiáng)調(diào)以多樣性、包容性、規(guī)范性為支撐的三維度結(jié)構(gòu)，注重前沿引領(lǐng)與學(xué)科交叉、校企合作與科教融合。在新工科的背景下，于本科教學(xué)階段引入“智能汽車技術(shù)”相關(guān)課程，符合新時(shí)代工科教育教學(xué)的戰(zhàn)略需求，不少學(xué)校和機(jī)構(gòu)都開設(shè)了線上、線下，且形式內(nèi)容各異的相關(guān)課程[1]。

江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院是國內(nèi)較早開設(shè)“智能汽車技術(shù)”課程的院校之一，主要在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了分組組建車隊(duì)對(duì)智能汽車進(jìn)行設(shè)計(jì)、改裝、試驗(yàn)，以及安排企業(yè)實(shí)習(xí)的方式進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)[2]。北京理工大學(xué)車輛工程專業(yè)的智能汽車工程模塊涵蓋了無人駕駛汽車、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能懸架、主動(dòng)轉(zhuǎn)向等新技術(shù)領(lǐng)域，配合其出版的系列教材進(jìn)行講授[3]。東南大學(xué)儀器科學(xué)工程學(xué)院結(jié)合學(xué)院特點(diǎn)，面向智能感知和導(dǎo)航定位方向需求，開設(shè)“智能汽車技術(shù)”本科生課程。該課程側(cè)重于車輛在復(fù)雜環(huán)境中的感知定位，同時(shí)輔以規(guī)劃控制方面的內(nèi)容講授，構(gòu)建整套智能汽車技術(shù)的課程內(nèi)容[4]。

而線上課程，如國內(nèi)深藍(lán)學(xué)院的“無人駕駛技術(shù)”課程是以專題形式邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)部專家進(jìn)行講授；眾多機(jī)構(gòu)開設(shè)了關(guān)于智能汽車概要性的在線課程資源，如汽車學(xué)堂的“智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論”、網(wǎng)易云課堂的“未來汽車大講堂”等。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠幫助學(xué)生拓展視野，了解行業(yè)內(nèi)部進(jìn)展，但是這一類在線課程存在各個(gè)模塊之間的銜接不明確，沒有完整的課程體系，缺少互動(dòng)交流的平臺(tái)等問題。國外在線課程網(wǎng)站Coursera上線了由加拿大多倫多大學(xué)制作的“自動(dòng)駕駛”課程，這是國內(nèi)外第一個(gè)系統(tǒng)的智能汽車相關(guān)技術(shù)課程，包括概要、感知、規(guī)劃、狀態(tài)估計(jì)等方面的內(nèi)容。在線課程網(wǎng)站Udacity上發(fā)布了聯(lián)合百度公司的基于Apollo體系的自動(dòng)駕駛課程，以及由奔馳、滴滴等公司聯(lián)合開設(shè)的“成為無人駕駛車輛工程師”系列課程。上述課程是較早系統(tǒng)性呈現(xiàn)智能汽車技術(shù)的相關(guān)課程，但是存在部分知識(shí)點(diǎn)未能明確、課程內(nèi)容無法定位本科教學(xué)、收費(fèi)昂貴等問題。

總體上講，由于平臺(tái)資源不同，很多高校無法開展基于實(shí)車實(shí)踐的智能汽車技術(shù)課程，而智能汽車技術(shù)綜合性強(qiáng)、偏前沿，致使采用純理論教學(xué)容易導(dǎo)致授課質(zhì)量不高；并且該課程內(nèi)容涉及知識(shí)點(diǎn)多且分散，有限的課堂時(shí)間里無法有效覆蓋多個(gè)模塊內(nèi)容。針對(duì)線上線下課程教學(xué)中存在的問題，如何利用好在線平臺(tái)進(jìn)行混合式課程教學(xué)成為了目前相關(guān)課程教學(xué)的開展方向。

1 課程現(xiàn)狀

目前，“智能汽車技術(shù)”逐漸成為“新工科”背景下具有代表性的跨專業(yè)課程，其難點(diǎn)包括以下四個(gè)方面：

1)受課程資源平臺(tái)限制，導(dǎo)致重理論少實(shí)踐

國內(nèi)智能汽車技術(shù)發(fā)展迅速，尤其以工業(yè)界為代表，但是學(xué)術(shù)科研界往往因?yàn)槿鄙僮銐虻娜肆?、物力、?cái)力的支持，大部分院校無法開展具體的實(shí)車實(shí)驗(yàn)，即使少數(shù)科研單位具備研發(fā)自動(dòng)駕駛的平臺(tái)支持，也無法真正面向教學(xué)開展廣泛的實(shí)車實(shí)驗(yàn)。導(dǎo)致目前該課程的教學(xué)過程更多局限在理論講授。

2)知識(shí)點(diǎn)繁雜且更新快，有限課時(shí)下的教學(xué)困境

“智能汽車技術(shù)”是在人工智能浪潮下面向產(chǎn)業(yè)變革而開設(shè)的緊跟研究前沿的工科課程。如果不講授車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)內(nèi)容，也應(yīng)包括感知、規(guī)劃、控制等主要模塊，涉及傳感器、機(jī)器視覺、雷達(dá)信號(hào)處理、決策規(guī)劃、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)融合等多個(gè)學(xué)科知識(shí)。此外，由于相關(guān)技術(shù)還處于研發(fā)階段，特別是面向全自動(dòng)駕駛目前尚沒有成熟的技術(shù)方案，智能汽車技術(shù)的理論研究處于不斷更新的狀態(tài)。這兩方面原因?qū)е略谟邢拚n時(shí)下系統(tǒng)性講授該課程的困難。

3)如何深入課程理論，避免浮于表面

相對(duì)于知識(shí)點(diǎn)繁雜且更新快這一般性難題，如何深入課程，系統(tǒng)性地探索自動(dòng)駕駛中尚存問題的解決方法則是對(duì)于一些有著更高需求的學(xué)生所面臨的問題?？紤]到不同學(xué)生能力、背景之間差異，設(shè)計(jì)并采用不同教學(xué)方法，使之學(xué)有所獲而不是淺嘗輒止，更能夠使學(xué)生在形成智能汽車技術(shù)框架的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的探索熱情和專業(yè)能力。

4)如何平衡教學(xué)過程中的多樣性、包容性與規(guī)范性

多樣性、包容性、規(guī)范性是支撐新工科教育創(chuàng)新發(fā)展的三個(gè)要素，彼此相互促進(jìn)又相互制約。由于智能汽車技術(shù)尚處于發(fā)展階段，工業(yè)界往往采用不同的技術(shù)方案，呈現(xiàn)出多樣性特征。在教學(xué)過程中，一方面，調(diào)研不同的技術(shù)方案、研究其背后的創(chuàng)新性，有利于工程教育創(chuàng)新和人才培養(yǎng)。而另一方面，多樣性需要包容性與規(guī)范性作為其發(fā)展的基礎(chǔ)，即方法的設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、原則，在此基礎(chǔ)上鼓勵(lì)提出新的設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)造包容性好的教學(xué)環(huán)境。如何平衡這三者之間的關(guān)系，形成良性的教學(xué)效果是該課程的又一難點(diǎn)。

2 教學(xué)改革具體方法

針對(duì)上述問題，我們將智能汽車技術(shù)一課定位為研究性課程，并提出以下四點(diǎn)具體改革方法：

1)利用仿真平臺(tái)，重在基于理論的實(shí)踐

由于大多數(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)無法提供實(shí)車平臺(tái)應(yīng)用于智能汽車技術(shù)的教學(xué)中， 依托于仿真平臺(tái)的使用則更貼合現(xiàn)實(shí)條件和教學(xué)需求。課程團(tuán)隊(duì)可利用Carla、Airsim、Apollo等仿真平臺(tái)，預(yù)先設(shè)計(jì)搭建道路環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。不僅省去了硬件配置調(diào)試過程，將重點(diǎn)放在核心模塊和算法的理解與實(shí)踐中，也能鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力、提升學(xué)習(xí)興趣。通過布置相關(guān)編程作業(yè)，進(jìn)一步檢驗(yàn)課程學(xué)習(xí)效果。

2)模塊化教學(xué)，采用總分的思路，重在講授感知、規(guī)劃、控制等部分的基礎(chǔ)內(nèi)容

合理安排教學(xué)內(nèi)容是保證教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。針對(duì)智能汽車技術(shù)知識(shí)點(diǎn)多、交叉學(xué)科融合性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用模塊化教學(xué)方式，以駕駛?cè)蝿?wù)為導(dǎo)向的前提下，講授感知、規(guī)劃、控制等模塊的基礎(chǔ)核心知識(shí)點(diǎn)和難點(diǎn)。結(jié)合本專業(yè)特點(diǎn)，偏重感知部分的原理和算法，再配合規(guī)劃、控制相關(guān)理論，形成完整的智能汽車技術(shù)授課體系。

3)采用線上線下的混合式教學(xué)，利用課前學(xué)習(xí)、課中研討、課后作業(yè)的模式強(qiáng)化教學(xué)效果、拓寬教學(xué)廣度和深度

考慮到學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)能力的差異性，單純課堂教學(xué)無法深入相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，為了能夠更好調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和課堂參與度，我們采用混合式教學(xué)方式，利用課前線上學(xué)習(xí)、課中研討、課后作業(yè)的模式強(qiáng)化教學(xué)效果。要求學(xué)生課前完成在線課程的學(xué)習(xí)，包括視頻觀看、完成客觀測驗(yàn)、對(duì)學(xué)習(xí)過程中的難點(diǎn)進(jìn)行討論，以及閱讀相關(guān)文獻(xiàn)構(gòu)建研究基礎(chǔ)。課中由教師進(jìn)行本節(jié)課程的重點(diǎn)難點(diǎn)回顧，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性思考。在這一環(huán)節(jié)可采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，注重課堂討論以及總結(jié)補(bǔ)充。在課后環(huán)節(jié)中，通過編程作業(yè)來提升學(xué)習(xí)效果，將研討內(nèi)容進(jìn)一步在實(shí)踐中加以強(qiáng)化。依靠課前、課中、課后三個(gè)環(huán)節(jié)的整合，提升教學(xué)廣度和深度。

4)采用分隊(duì)PK模式，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)完整性和邏輯性

為了平衡教學(xué)過程中的多樣性、包容性與規(guī)范性，就要求在研究規(guī)范性的前提保證下激勵(lì)學(xué)生自主探索不同的技術(shù)方案。這就需要通過分組的方式實(shí)現(xiàn)，而由于“智能汽車技術(shù)”一般包括感知、規(guī)劃、控制等模塊，要求單個(gè)小組在有限的教學(xué)周期內(nèi)完成所有內(nèi)容的深入探索明顯不符合實(shí)際。因而，采用分組基礎(chǔ)上的分隊(duì)PK方案，即每個(gè)小組只負(fù)責(zé)某個(gè)模塊，同時(shí)若干個(gè)小組組成一隊(duì)，隊(duì)與隊(duì)之間的較量轉(zhuǎn)變?yōu)楦餍〗M研究內(nèi)容的匯報(bào)和挑戰(zhàn)提問。同時(shí)，在探索不同技術(shù)方案的過程中，要求保證各隊(duì)整體技術(shù)方案的完整性和邏輯性。

3 教學(xué)改革的實(shí)施過程

在教學(xué)實(shí)踐中，我們將教學(xué)過程劃分為兩階段：第一階段為側(cè)重于個(gè)人學(xué)習(xí)的常規(guī)課程階段，包括課前在線課程學(xué)習(xí)、課中重點(diǎn)難點(diǎn)梳理以及問題討論、課后編程作業(yè)；第二階段進(jìn)行以小組為單位的專項(xiàng)研討，包括課前開展小組研究討論、課中小組匯報(bào)和提問挑戰(zhàn)、課后報(bào)告整理。最終的考核則包括在線課程的測驗(yàn)與作業(yè)、編程作業(yè)、小組匯報(bào)、課程報(bào)告，各項(xiàng)得分總和作為最終成績。

在第一階段中，課前學(xué)習(xí)依托于課程團(tuán)隊(duì)在中國大學(xué)MOOC平臺(tái)發(fā)布的在線視頻。目前，該在線課程包括九章內(nèi)容，如表1所示：

該部分內(nèi)容要求學(xué)生在每次上課之前完成內(nèi)容的學(xué)習(xí)，包括視頻觀看、完成客觀測驗(yàn)。在線作業(yè)主要是一些重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容的討論，教師匯總學(xué)生完成情況，準(zhǔn)備課中討論。為了更好的完成重點(diǎn)難點(diǎn)的討論，通常要求學(xué)生完成參考文獻(xiàn)的閱讀，教師需提前將相關(guān)參考資料在MOOC平臺(tái)發(fā)布，供學(xué)生參考。

正式上課開始，教師進(jìn)行本節(jié)課程的重點(diǎn)難點(diǎn)回顧，一般花費(fèi)約15分鐘的時(shí)間。接下來，通過學(xué)生在課前完成的討論作業(yè)，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行思考。如有必要時(shí)，提前通知學(xué)生準(zhǔn)備

表1 “智能汽車技術(shù)”在線教學(xué)內(nèi)容

PPT，在課堂上進(jìn)行PPT匯報(bào)，更有針對(duì)性的展開討論。最后，教師對(duì)課堂討論的問題進(jìn)行總結(jié)補(bǔ)充， 總結(jié)的內(nèi)容一般會(huì)和課后環(huán)節(jié)的作業(yè)相關(guān)。

在課后環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要完成編程作業(yè)來進(jìn)一步提升學(xué)習(xí)質(zhì)量。編程作業(yè)內(nèi)容是以教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，再增加部分拓展題目，構(gòu)建一套完整功能，比如，實(shí)現(xiàn)道路標(biāo)志標(biāo)線檢測、車輛位姿估計(jì)等。編程作業(yè)可以依賴于仿真平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)，也可以將學(xué)術(shù)研究的數(shù)據(jù)提供給學(xué)生來完成。作業(yè)總量需要考慮學(xué)生實(shí)際情況，一般控制在3-4周時(shí)間完成提交。

第二階段重點(diǎn)則放在以小組為單位開展翻轉(zhuǎn)課堂的專項(xiàng)研討，采用組隊(duì)PK的方式進(jìn)行。由若干小組組合成一隊(duì)，每隊(duì)選出隊(duì)長一名，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌安排。各隊(duì)可以從實(shí)際智能汽車設(shè)計(jì)角度出發(fā)，選擇Tesla模式、Waymo模式、Apollo模式等具有代表性的技術(shù)方案進(jìn)行研討。隊(duì)中各小組負(fù)責(zé)不同的模塊分析調(diào)研，從感知、預(yù)測、定位、規(guī)劃、控制不同層面對(duì)無人車設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。重點(diǎn)是各模塊之間的銜接要明確，比如感知模塊輸出哪些信息給預(yù)測模塊，控制模塊需要哪些參量等。在此階段，由各隊(duì)隊(duì)長負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，并且與教師保持密切溝通。

課中小組匯報(bào)則安排為每小組15分鐘左右時(shí)間，就重點(diǎn)核心內(nèi)容進(jìn)行講述。一般以各隊(duì)隊(duì)長報(bào)告作為開始，進(jìn)行總體性介紹。接下來每輪PK，每隊(duì)均按照相同內(nèi)容的研討小組進(jìn)行匯報(bào)。剩余時(shí)間則安排挑戰(zhàn)提問以及教師點(diǎn)評(píng)。

課后報(bào)告整理則由各小組編寫?yīng)毩?bào)告，報(bào)告中除了呈現(xiàn)匯報(bào)階段所述內(nèi)容以外，還需根據(jù)挑戰(zhàn)提問和教師點(diǎn)評(píng)所提問題進(jìn)行回答。評(píng)分則根據(jù)所述內(nèi)容的邏輯性和完整性，以及基于所提問題進(jìn)行的調(diào)研和回答。

4 結(jié)語

本文介紹的“智能汽車技術(shù)”研究型課程的教學(xué)改革與實(shí)踐，利用線上線下混合式教學(xué)方法，依托在線課程進(jìn)行課前準(zhǔn)備、以研討為主、授課為輔的課中環(huán)節(jié)、以及課后深化實(shí)踐構(gòu)建一整套教學(xué)體系。該模式可以保證學(xué)生課后學(xué)習(xí)的持續(xù)性，并且通過研討和作業(yè)檢驗(yàn)線上學(xué)習(xí)質(zhì)量。由于研討貫穿整個(gè)教學(xué)過程，可達(dá)到過程性考核的目的。該項(xiàng)教學(xué)改革實(shí)踐不僅加強(qiáng)學(xué)生資料檢索能力、文獻(xiàn)閱讀能力和編程能力，更可以提升學(xué)生對(duì)本專業(yè)內(nèi)容興趣度、培養(yǎng)科研習(xí)慣、增強(qiáng)其創(chuàng)新意識(shí)，切合新工科背景下的課程改革方向。