摘 要 無人駕駛作為跨學(xué)科的代表性領(lǐng)域之一，對(duì)于培養(yǎng)符合新工科要求的人才具有重要意義?；诖┩甘綄W(xué)習(xí)理論，構(gòu)建競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)的層次化無人駕駛開放創(chuàng)新實(shí)踐課程體系。該體系通過拆解無人駕駛相關(guān)競(jìng)賽中的獲獎(jiǎng)案例，反向設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，發(fā)掘?qū)嵺`教學(xué)資源，以高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度為課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，采用開放式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問題的能力，實(shí)現(xiàn)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化。實(shí)踐表明，層次化開放創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式具有良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 新工科；無人駕駛；以賽促學(xué)；穿透式學(xué)習(xí)；競(jìng)賽；實(shí)踐教學(xué)；創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）18-0153-04

0 引言

無人駕駛涉及傳感器技術(shù)、控制理論、人工智能等多學(xué)科的前沿知識(shí)，具有較高的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性[1-2]。在新工科建設(shè)背景下，無人駕駛實(shí)踐教學(xué)成為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的有效手段。

目前，部分高校已經(jīng)開展了無人駕駛實(shí)踐課程教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果。例如：黃瑞等[3]以無人駕駛為教學(xué)載體開展車輛工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)前置專業(yè)理論課程的理解；周浩然等[4]開發(fā)無人駕駛教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將蘭州大學(xué)的無人駕駛課程從仿真教學(xué)改為仿真和實(shí)物結(jié)合的教學(xué)模式，開展人工智能學(xué)科等多學(xué)科交叉的教學(xué)實(shí)踐；王雨蒙等[5]開發(fā)ROS智能車并設(shè)計(jì)ROS智能車實(shí)驗(yàn)課程，依托智能汽車專業(yè)課程汽車智能化技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，助力智能汽車人才培養(yǎng)。

上述基于無人駕駛的實(shí)踐課程具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性，但大都是為汽車專業(yè)人才培養(yǎng)作支撐。工程訓(xùn)練中心作為全校各專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地[6]，無學(xué)科和專業(yè)屬性，依托工程訓(xùn)練中心開發(fā)無人駕駛開放創(chuàng)新實(shí)踐課程，更有利于跨學(xué)院、跨學(xué)科的交叉復(fù)合型人才培養(yǎng)，契合新工科人才培養(yǎng)的要求。

1 “以賽促學(xué)”的層次化無人駕駛開放創(chuàng) 新實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

隨著人工智能理論與技術(shù)超乎的迅猛發(fā)展，智能化時(shí)代已然到來[7]。在智能化時(shí)代，學(xué)生獲取知識(shí)的途徑豐富多樣，因此，教學(xué)不應(yīng)該只是傳授理論知識(shí)和實(shí)踐技能，更要注重新工科人才培養(yǎng)要求，構(gòu)建將基本技能與主流技術(shù)結(jié)合、理論知識(shí)與實(shí)際項(xiàng)目結(jié)合的課程框架，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考和自主學(xué)習(xí)，使人才培養(yǎng)模式從知識(shí)傳授向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變[8-9]。穿透式學(xué)習(xí)是一種基于學(xué)習(xí)科學(xué)理論的高效率學(xué)習(xí)方式，要求先從實(shí)干世界走出來尋求知識(shí)和技能，然后再回到實(shí)干世界使用，其核心目的是掌握實(shí)際技能和提供產(chǎn)出，將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化成能力，形成知識(shí)體系[10]。

基于國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，針對(duì)產(chǎn)業(yè)前沿領(lǐng)域和社會(huì)發(fā)展對(duì)工程人才創(chuàng)新能力的需求，教育部相應(yīng)的指導(dǎo)委員會(huì)設(shè)計(jì)了多樣化的競(jìng)賽項(xiàng)目[11]，貼合生活實(shí)際，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，學(xué)科競(jìng)賽有評(píng)價(jià)、診斷、反饋、激勵(lì)等多種功能，可以促進(jìn)課程教學(xué)、檢驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量。本文基于穿透式學(xué)習(xí)理論，構(gòu)建競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)的層次化無人駕駛開放創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，以培養(yǎng)符合新工科要求的復(fù)合創(chuàng)新型人才，如圖1所示。通過拆解實(shí)干世界的競(jìng)賽獲獎(jiǎng)案例，深入挖掘?qū)嵺`教學(xué)資源，反向設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)踐、進(jìn)階實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐的層次化教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)和技能，最后以競(jìng)賽成果作為人才培養(yǎng)的外在可觀測(cè)結(jié)果，助力新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

2 基礎(chǔ)實(shí)踐課程設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

無人駕駛開放創(chuàng)新實(shí)踐課程以興趣為導(dǎo)向，面向全校各專業(yè)開設(shè)。為適應(yīng)學(xué)生專業(yè)差異大、學(xué)科知識(shí)跨度大的狀況，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以搭建自主循跡車為教學(xué)載體。學(xué)生通過制作自主循跡車，完成對(duì)道路黑線軌跡的識(shí)別并實(shí)現(xiàn)在整個(gè)路況下的行駛?？梢蚤_設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。學(xué)生可以了解無人駕駛智能車的運(yùn)行原理，掌握單片機(jī)、循跡傳感器、電機(jī)控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)。

2.2 授課方式

基礎(chǔ)實(shí)踐采用課堂案例式教學(xué)方式，通過高年級(jí)學(xué)生參加全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)和收獲導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生興趣。教師將循跡智能車按照功能和模塊拆解成機(jī)械、硬件和軟件三個(gè)子模塊，介紹每個(gè)功能模塊的常用技術(shù)、方法和學(xué)習(xí)方法，為學(xué)生提供模型車底盤、電機(jī)、鋰電池和傳感器、單片機(jī)等開源零部件，學(xué)生需要自行組裝智能車模、編程，使小車準(zhǔn)確執(zhí)行下發(fā)的控制指令，實(shí)現(xiàn)從無到有的自主循跡車的搭建、設(shè)計(jì)與開發(fā)。在整個(gè)過程中教師引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對(duì)無人駕駛車機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、電子技術(shù)和控制理論等多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，了解自動(dòng)循跡車的整體框架和嵌入式技術(shù)要點(diǎn)?；A(chǔ)實(shí)踐課程旨在幫助學(xué)生鞏固基本知識(shí)、強(qiáng)化實(shí)踐技能，并充分了解穿透式學(xué)習(xí)的方法，提高自主學(xué)習(xí)能力。

2.3 考核方式

基礎(chǔ)實(shí)踐課程從知識(shí)、能力和素質(zhì)等方面進(jìn)行多元化的考核?？己朔绞接烧n堂提問、成果展示和提交研究報(bào)告三部分組成，分別占比20%、60%和20%。課堂提問主要考查學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。成果展示的形式為循跡競(jìng)賽，競(jìng)賽結(jié)果直觀有效，對(duì)學(xué)生而言，既是完成考核任務(wù)，也是研究成果展示，更是實(shí)現(xiàn)自我挑戰(zhàn)與超越，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。研究報(bào)告主要內(nèi)容為各模塊的設(shè)計(jì)方案和個(gè)人收獲總結(jié)。

3 進(jìn)階實(shí)踐課程安排

3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

進(jìn)階實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目面向已完成基礎(chǔ)實(shí)踐訓(xùn)練的學(xué)生，以基礎(chǔ)實(shí)踐課程搭建的無人駕駛車為載體，添加車載電腦、顯示屏、攝像頭，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建攝像頭數(shù)據(jù)和小車拐彎角度之間的關(guān)系，進(jìn)而控制小車沿著車道線行進(jìn)，并利用YOLO目標(biāo)檢測(cè)架構(gòu)，對(duì)紅綠燈、障礙物、車速標(biāo)志牌等進(jìn)行檢測(cè)，控制小車應(yīng)對(duì)道路上的各種問題，進(jìn)行自動(dòng)駕駛。無人駕駛沙盤和無人駕駛車如圖2所示。進(jìn)階實(shí)踐課程主要針對(duì)無人駕駛技術(shù)中的車輛控制技術(shù)和系統(tǒng)決策機(jī)制，以及控制、感知、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的交叉融合，形成銜接緊密的知識(shí)體系。

3.2 授課方式

進(jìn)階實(shí)踐課程依托無人駕駛沙盤平臺(tái)進(jìn)行開放式教學(xué)，采用“教師引入—學(xué)生組隊(duì)—自主學(xué)習(xí)—彈性指導(dǎo)”的授課方式。教師對(duì)系統(tǒng)的功能、組成進(jìn)行介紹，說明設(shè)計(jì)要求。學(xué)生自行組隊(duì)，要求每個(gè)團(tuán)隊(duì)必須包含來自不同專業(yè)的學(xué)生，采用穿透式學(xué)習(xí)方法進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求的任務(wù)進(jìn)行拆解，拆解后的子任務(wù)包括傳感器、感知與定位、深度學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用、路徑規(guī)劃算法及控制優(yōu)化等，自主查閱資料研究無人駕駛各模塊技術(shù)原理并完成相關(guān)功能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)知識(shí)的關(guān)聯(lián)。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以學(xué)會(huì)拆解并協(xié)調(diào)整合各個(gè)子任務(wù)，提高分析復(fù)雜問題的能力和自主學(xué)習(xí)能力。

3.3 考核方式

進(jìn)階實(shí)踐課程從知識(shí)、能力和素質(zhì)等方面進(jìn)行多元化考核。考核方式由分組答辯、成果展示和提交研究報(bào)告三部分組成，分別占比20%、60%和20%。分組答辯時(shí)要求學(xué)生對(duì)無人駕駛車的結(jié)構(gòu)組成、功能、運(yùn)行原理、控制算法進(jìn)行講解匯報(bào)，并在無人駕駛沙盤系統(tǒng)上進(jìn)行成果展示，完成自主循跡、車道線識(shí)別、紅綠燈識(shí)別、交通避障等規(guī)定功能。成果具有創(chuàng)新性的可以獲得額外加分，這促使學(xué)生積極探索、主動(dòng)學(xué)習(xí)，不斷挑戰(zhàn)自我，取得更好的學(xué)習(xí)成果。研究報(bào)告主要內(nèi)容為無人駕駛車的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、無人駕駛車設(shè)計(jì)方案和個(gè)人收獲總結(jié)。

4 創(chuàng)新實(shí)踐課程設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

創(chuàng)新實(shí)踐課程為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，面向有一定基礎(chǔ)的學(xué)生。以學(xué)科競(jìng)賽為引領(lǐng)，以社團(tuán)輔助管理為保障，以實(shí)驗(yàn)室開放為支撐，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行彈性指導(dǎo)，鼓勵(lì)并引導(dǎo)不同專業(yè)的學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，參加全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽、中國大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽等高水平科創(chuàng)競(jìng)賽，將競(jìng)賽作為課程教學(xué)的重要一環(huán)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情和潛能，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，讓學(xué)生直面挫折和挑戰(zhàn)，提高在實(shí)踐中掌握新知識(shí)、應(yīng)用新知識(shí)的能力，提高創(chuàng)新思維能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。

4.2 授課方式

創(chuàng)新實(shí)踐課程采用開放式教學(xué)，學(xué)生組成創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自主完成。教師團(tuán)隊(duì)分析解讀中國高等教育學(xué)會(huì)每年發(fā)布的全國普通高校大學(xué)生競(jìng)賽排行榜，學(xué)生團(tuán)隊(duì)選擇感興趣的賽事，自主查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)創(chuàng)新項(xiàng)目方案并進(jìn)行展示，師生討論優(yōu)化后立項(xiàng)，由學(xué)生團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)實(shí)施。圖3為學(xué)生參加中國大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽和全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽的作品。教師在該實(shí)踐教學(xué)階段的功能定位是保障實(shí)踐條件和實(shí)踐安全，引導(dǎo)學(xué)生堅(jiān)持正確的研究方向，對(duì)學(xué)生研究中遇到的問題提供解決思路，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用新思路、新技術(shù)實(shí)現(xiàn)研究任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生撰寫論文、申報(bào)專利，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)，觀察并記錄學(xué)生在實(shí)踐過程中的綜合表現(xiàn)，做好開放實(shí)踐的統(tǒng)籌管理工作。

4.3 考核方式

創(chuàng)新實(shí)踐課程將實(shí)踐過程記錄和競(jìng)賽成果作為學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和自主學(xué)習(xí)能力的重要表征。通過參與競(jìng)賽，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)理論知識(shí)與實(shí)踐技能相結(jié)合，運(yùn)用穿透式學(xué)習(xí)方法解決實(shí)際問題。在競(jìng)賽過程中，學(xué)生需要圍繞大賽主題進(jìn)行深入研究和探索，完成總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造、程序代碼編寫、視覺圖像處理、傳感器應(yīng)用、優(yōu)化調(diào)試、撰寫技術(shù)報(bào)告等一系列任務(wù)，在大賽中展示項(xiàng)目成果，接受評(píng)委的評(píng)審，答辯，與其他參賽隊(duì)伍進(jìn)行交流和分享。通過該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

5 結(jié)束語

針對(duì)無人駕駛開放創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行研究與探索，踐行以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，改變“先知識(shí)后能力”的人才培養(yǎng)邏輯，將其轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋饶芰笾R(shí)”，推動(dòng)學(xué)生不斷鍛煉思維，增強(qiáng)對(duì)新知識(shí)的接納能力和想象力?；诖┩甘綄W(xué)習(xí)理論，構(gòu)建競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)的層次化無人駕駛開放創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，層層遞進(jìn)、難易結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科知識(shí)的有效關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)具有自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問題能力的新工科復(fù)合型人才。從近三年的實(shí)施效果來看，經(jīng)過該課程培訓(xùn)的學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽，獲得全國大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽一等獎(jiǎng)10項(xiàng)、二等獎(jiǎng)8項(xiàng)，獲得中國大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽金獎(jiǎng)3項(xiàng)、銀獎(jiǎng)2項(xiàng)。該教學(xué)體系在實(shí)踐中獲得良好的效果，契合新工科人才培養(yǎng)的要求。

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