“智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”的教學(xué)方法研究*

王婉秋 黃孝慈

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

近年來，中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)良好發(fā)展勢頭。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展態(tài)勢促發(fā)了該類課程研究內(nèi)容和研究方法的改革。常見的教學(xué)方法中，教學(xué)內(nèi)容僅限于教材本身，已不適合智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展趨勢探討多手段的教學(xué)方法的研究，以期將傳統(tǒng)的知識傳授轉(zhuǎn)變?yōu)橹R傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提升相結(jié)合，對培養(yǎng)綜合性素質(zhì)人才具有重要作用，本文基于智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)的課程性質(zhì)，探討多課程的融合教學(xué)方法、基于實踐的教學(xué)方法和混合教學(xué)方法。

一、課程背景和現(xiàn)狀

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是配備了先進(jìn)的車載傳感器、執(zhí)行器和控制器裝備，融合了現(xiàn)代化的通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具備對于復(fù)雜環(huán)境的感知力和智能化決策能力、自動控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛與外部節(jié)點之間的信息共享和協(xié)調(diào)作用的，以綜合性的節(jié)能、安全、環(huán)保、舒適為一體的新一代的職能汽車，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通領(lǐng)域的典型化的應(yīng)用。同時，發(fā)展更具智能化的汽車和實現(xiàn)更智慧的交通是我國在相關(guān)領(lǐng)域的工業(yè)化和信息化實現(xiàn)結(jié)合的重點方向。也是相關(guān)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，符合“中國制造2025戰(zhàn)略”要求的，是交通領(lǐng)域的智能化和物聯(lián)化的主要發(fā)展趨勢。

一定程度上，物聯(lián)網(wǎng)汽車是汽車行業(yè)、電子行業(yè)、信息行業(yè)、通信行業(yè)以及控制領(lǐng)域多方面技術(shù)的綜合，目前在我國的發(fā)展還處于起步的階段，關(guān)于智能網(wǎng)汽車的很多關(guān)鍵性的技術(shù)還在不斷的摸索和發(fā)展當(dāng)中，不可忽視的是，確實還有很多相關(guān)方面的技術(shù)問題亟待解決。例如：智能網(wǎng)汽車的形式狀態(tài)與環(huán)境感知方面的能力問題：車輛在路徑規(guī)劃方面的感知、車輛行駛的安全性和穩(wěn)定性、車輛在相關(guān)方面無線設(shè)備的兼容能力和頻譜共存能力等等。因此，智能網(wǎng)汽車的環(huán)境感知技術(shù)方面的研究將是智能網(wǎng)汽車升級和發(fā)展的關(guān)鍵。近年來，歐美日等國家通過政策和研發(fā)引進(jìn)等方式，加強(qiáng)了智能網(wǎng)汽車在跨界協(xié)同技術(shù)的研發(fā)、實驗以及測試環(huán)境的建設(shè)、相關(guān)智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)品的開發(fā)等方面的投入力度。我國雖然起步較晚，但是政府和政策在相關(guān)方面的支持力度也是比較大的，并在智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)方面取得了一定的成績和成就。

二、課程性質(zhì)

“智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”是一門適用性較強(qiáng)的課程，其內(nèi)容包括視覺傳感器、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)、原理、特點、類型、標(biāo)定、測試和應(yīng)用等，同時涉及道路交通環(huán)境中車輛、行人、交通標(biāo)志、交通信號燈、道路的識別實訓(xùn)[1]。智能網(wǎng)聯(lián)汽車作為道路交通（環(huán)境）動態(tài)系統(tǒng)里運行的新型車輛，其環(huán)境感知技術(shù)是一門涉及多學(xué)科的綜合性學(xué)科。其教學(xué)方法應(yīng)多樣化，兼顧課程特點，應(yīng)從系統(tǒng)的角度去思考教學(xué)的相關(guān)問題。

三、多課程的融合教學(xué)

隨著課程之間關(guān)聯(lián)度的日益緊密，探討課程之間的融合教學(xué)方法成為發(fā)展趨勢?！爸悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容不僅涉及環(huán)境感知技術(shù)的內(nèi)容，而且涉及“交通工程”“道路交通安全”等課程的內(nèi)容。以道路交通系統(tǒng)的角度，研究多課程之間的融合教學(xué)方法，以使學(xué)生的知識不僅僅局限于某一課程，而是在多課程之間建立橋梁，實現(xiàn)知識的融會貫通。

（一）與“交通工程”課程的融合

智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知傳感器的感知對象涉及道路交通（環(huán)境）系統(tǒng)里的動態(tài)對象和靜態(tài)對象[3]，其中瞬時變化的交通流信息對智能網(wǎng)聯(lián)汽車的安全行駛影響重大，其與道路幾何線形以及標(biāo)志、標(biāo)線、信號燈等道路交通安全管理設(shè)施共同構(gòu)造了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的運行環(huán)境。此時，“智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”和“交通工程”課程出現(xiàn)了知識的融合，如：當(dāng)智能網(wǎng)聯(lián)車發(fā)生換道駕駛行為時，其感知對象的選取就涉及“交通工程”中交通流理論的換道模型[2]；智能網(wǎng)聯(lián)汽車通過設(shè)置了“綠波帶”的連續(xù)幾個信號燈時，智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器的感知對象不僅考慮當(dāng)前信號燈，而且前方連續(xù)幾個信號燈也應(yīng)作為感知對象，進(jìn)行聯(lián)合感知，其與“交通工程”中交通信號燈聯(lián)動控制內(nèi)容有關(guān)；智能網(wǎng)聯(lián)汽車的實時運行受標(biāo)志、標(biāo)線等道路交通安全管理設(shè)施的制約，面對紛繁復(fù)雜的道路交通安全管理設(shè)施，如何從中識別出對駕駛行為影響重大的主要道路交通安全管理設(shè)施，這與“交通工程”中的交通管理與控制內(nèi)容相關(guān)?！爸悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”和“交通工程”課程知識重疊的區(qū)域，授課內(nèi)容如果仍然拘泥于課本，僅用寥寥數(shù)語描述感知對象的選擇原則，未進(jìn)行課程之間知識的引申和融合，學(xué)生勢必會囫圇吞棗，在編程實訓(xùn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)不知所措的情況。智能網(wǎng)聯(lián)汽車傳感器的選擇和設(shè)置，很大程度與其所處的環(huán)境相關(guān)，不同的環(huán)境選取不同的傳感器，設(shè)置不同的數(shù)量，因此，在本課程的教學(xué)中，需將“交通工程”課程的相關(guān)知識進(jìn)行牽引，實現(xiàn)融合教學(xué)。

（二）與“道路交通安全”課程的融合

“道路交通安全”是包括交通事故致因、事故預(yù)防、交通安全評價、交通安全管理等內(nèi)容的一門學(xué)科[4]。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的環(huán)境感知技術(shù)與交通安全難以分割，智能網(wǎng)聯(lián)汽車行駛于道路交通環(huán)境的首要目標(biāo)，即安全。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車行駛過程中，該如何識別哪些系統(tǒng)因素是危險因素，哪些系統(tǒng)因素是非危險因素？針對危險因素，采用何種傳感器去感知？感知精度是否滿足安全需求？傳感器的設(shè)置位置和數(shù)量是否合適？基于這些行駛安全問題提出的授課內(nèi)容與“道路交通安全”課程關(guān)系緊密?！暗缆方煌ò踩闭n程中事故發(fā)生原因、事故黑點鑒別、安全評價、事故調(diào)查等內(nèi)容為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的環(huán)境感知提供了安全理念支撐。融合安全理念的授課內(nèi)容，使學(xué)生更易理解智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境傳感器的感知原理、設(shè)置原則等內(nèi)容，為學(xué)生展現(xiàn)了“安全”的智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)。

以城市道路交叉口為例，交叉口是城市道路的事故多發(fā)點，各種車型在交叉口交匯、分離，致使各種車流在交叉口存在時間、空間的重疊。盡管在交叉口交通設(shè)計中，通過信號燈配時設(shè)計與交叉口路面渠化設(shè)計已將不同行駛方向的交通流的沖突從時間和空間上進(jìn)行了最大程度的避免，然而仍然會存在事故風(fēng)險區(qū)域。交叉口設(shè)置的信號相位、交叉口的路面渠化設(shè)計均是環(huán)境感知傳感器的捕捉對象，并且智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知傳感器的設(shè)置與其所處交叉口的交通流運行密切相關(guān)。以兩個相位的交叉口與設(shè)置了專左相位的四個相位交叉口為例，由于其交通流的運行差異性較大，事故風(fēng)險因素也差異較大，其中二個相位的交叉口由于直行車輛和左轉(zhuǎn)車輛的沖突未通過信號燈配時設(shè)計從時間上進(jìn)行分離，存在較大的碰撞風(fēng)險，因而成為環(huán)境感知傳感器的重點感知對象。針對交叉口右轉(zhuǎn)彎車輛，由于其存在與直行非機(jī)動車的碰撞風(fēng)險，無論二相位或者四相位的交叉口均應(yīng)加以關(guān)注。簡言之，面對交叉口的復(fù)雜環(huán)境，應(yīng)分析交叉口事故風(fēng)險的誘因，有針對性地進(jìn)行甄別，提高誘因?qū)ο蟮淖R別精度和速度，以為后續(xù)事故風(fēng)險的規(guī)避提供前期的數(shù)據(jù)支持。

四、基于實踐的教學(xué)方法

為了更深入地了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車的環(huán)境感知技術(shù)，針對環(huán)境感知傳感器的認(rèn)知、裝配、調(diào)試、測試、標(biāo)定，以及圖像目標(biāo)的識別，設(shè)置課程實踐環(huán)節(jié)。以環(huán)境感知傳感器的認(rèn)知、標(biāo)定和視覺傳感器圖像目標(biāo)的識別為例，設(shè)計基于實踐的教學(xué)方案。通過實踐教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生將課堂中的理論知識與實踐進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力。

（1）學(xué)生依托于課堂內(nèi)容，設(shè)計調(diào)查表格，深入汽車主流品牌的銷售4S店，了解視覺傳感器、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)在各主流品牌汽車智能輔助駕駛系統(tǒng)中的實際應(yīng)用?；谡{(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生統(tǒng)計分析視覺傳感器、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)在各主流車中的應(yīng)用現(xiàn)狀，鼓勵學(xué)生設(shè)計討論議題，在課堂上各抒己見，通過討論、辯論的形式，加深學(xué)生對各個傳感器的認(rèn)知及適用條件的理解，最終形成環(huán)境感知傳感器的認(rèn)知實訓(xùn)報告。

（2）鑒于在校大學(xué)生中擁有駕照學(xué)生的比例逐年增加的趨勢，可以設(shè)置基于在校學(xué)生自身駕駛體驗的實踐教學(xué)活動。學(xué)生采取問卷調(diào)查的形式，依托于前期調(diào)查的汽車銷售4S店各主流品牌汽車的智能輔助駕駛系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，設(shè)置問卷調(diào)查表格，收集在校大學(xué)生對智能輔助系統(tǒng)的駕駛體驗數(shù)據(jù)，以及回饋意見。通過該實踐活動，加深學(xué)生對環(huán)境感知傳感器的使用效果的認(rèn)知，并提出自己的見解，形成實訓(xùn)報告。也可以基于學(xué)生的知識和能力水平，組織相關(guān)方面的創(chuàng)意和設(shè)計大賽，正向宣傳和引導(dǎo)在相關(guān)方面有濃厚的興趣或者是有一定想法的學(xué)生積極的參與創(chuàng)意和設(shè)計大賽。一方面，邀請行業(yè)內(nèi)部的專家和技術(shù)人員做相關(guān)方面的指導(dǎo)和評價；另一方面，積極地尋找愿意提供相關(guān)支持的企業(yè)做相關(guān)的場地和材料支持，讓學(xué)生充分發(fā)揮自身優(yōu)勢和想法的機(jī)會和平臺，讓學(xué)生在參與比賽的過程中更加開拓視野，更深入地了解相關(guān)方面的知識和內(nèi)容。對于比賽最后的評優(yōu)作品，相關(guān)專家可以給予更多的指導(dǎo)意見，給學(xué)生更大的發(fā)展空間，優(yōu)秀學(xué)生也可以公開談一談自己參加此次比賽的新的體會和收獲，其模范帶頭作用能帶動更多的學(xué)生去勇敢地嘗試，形成一定的創(chuàng)造和創(chuàng)新意識，有一定的社會責(zé)任感和擔(dān)當(dāng)，在相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和發(fā)展中更自信、大膽，更敢于嘗試。

（3）視覺傳感器和激光雷達(dá)的標(biāo)定內(nèi)容較復(fù)雜。以視覺傳感器的標(biāo)定為例，為了加深學(xué)生對該知識的理解，設(shè)計標(biāo)定方案，以小組為單位進(jìn)行視覺傳感器的標(biāo)定，通過實踐環(huán)節(jié)，熟悉標(biāo)定流程，正確完成環(huán)境感知傳感器坐標(biāo)系和車輛坐標(biāo)系之間的數(shù)據(jù)變換，形成標(biāo)定報告。

（4）針對視覺傳感器圖像目標(biāo)的識別，設(shè)計基于多課程的融合教學(xué)理念的實踐環(huán)節(jié)。以小組為單位，學(xué)生實地采集或網(wǎng)上收集不同等級公路、城市道路的交通運行環(huán)境圖像，針對不同的環(huán)境影像，自我甄別，識別對智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全行駛有較大影響的感知對象，進(jìn)行有效識別，并通過翻轉(zhuǎn)課堂的形式，學(xué)生展示其識別成果。以山區(qū)高速公路為例，由于受地形地貌的影響，公路急彎陡坡形態(tài)較多，為了保證行車的安全性，山區(qū)高速公路設(shè)置了較多的警告標(biāo)志，針對該特點，山區(qū)高速公路的識別對象可以選擇警告標(biāo)志及車道線。而針對城市道路，移動的行人和非機(jī)動車是影響行車安全的主要因素，識別對象可以選擇行人或者非機(jī)動車。為了提高學(xué)生的興趣，可以選取事故多發(fā)的“黑點”路段，激發(fā)學(xué)生對該事故“黑點”路段的事故致因分析，從而引導(dǎo)學(xué)生提出有針對性的對象識別方法。通過該環(huán)節(jié)，學(xué)生不再被動枯燥地識別某個目標(biāo)，而應(yīng)根據(jù)實際道路交通環(huán)境，有目的地識別對交通安全影響較大的對象，增加了圖像識別的趣味性。

五、混合教學(xué)方法

混合教學(xué)模式以“線上+線下”的教學(xué)模式，線下即以課堂為主要陣地的面授教學(xué)模式，線上則以網(wǎng)絡(luò)平臺為載體的在線教學(xué)模式[5]?；旌辖虒W(xué)模式是互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展背景下新興的教學(xué)模式。混合教學(xué)模式兼顧了線上教學(xué)的多樣性和線下教學(xué)的高效性，使學(xué)生在掌握基本知識的基礎(chǔ)上又拓展了視野。

（一）線上教學(xué)模式

（1）授課老師通過超星泛亞學(xué)習(xí)通，建立課程平臺，平臺涉及完整的資料庫，包括授課課件、授課錄播視頻、教學(xué)大綱、多媒體資料庫、習(xí)題庫等。課程平臺通過經(jīng)典的案例、翔實的內(nèi)容、充分的資料，既便于學(xué)生開展預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、自測等自習(xí)內(nèi)容，又對教師授課起到積極的輔導(dǎo)助力作用。

（2）針對多課程的融合教學(xué)理念，邀請校外本課程、“交通工程”“道路交通安全”課程專業(yè)教師為學(xué)生開展線上專題講座，并就學(xué)生提出的問題進(jìn)行針對性的講解，以問題為導(dǎo)向的線上講座教學(xué)方式，改善了課堂中以教師講授為主的授課局面。

（3）智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展已進(jìn)入快速發(fā)展階段，然而教材的內(nèi)容一般較為滯后，若拘泥于教材內(nèi)容，勢必會因循守舊，不能反映智能網(wǎng)聯(lián)汽車的新知識、新技術(shù)和新技能。線上教學(xué)手段為學(xué)生了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車方面的新技術(shù)創(chuàng)造了可能，教師基于章節(jié)教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)，設(shè)置相應(yīng)的研究課題小組，學(xué)生根據(jù)個人興趣進(jìn)行選擇，通過線上查閱相關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)的最新研究成果和研究進(jìn)展。教師通過引導(dǎo)學(xué)生在線學(xué)習(xí)本課程有關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究成果，依托研究課題中的實際案例，以生動、鮮活的案例激發(fā)學(xué)生對課程知識點的興趣，指導(dǎo)學(xué)生完成相應(yīng)的課題。

（二）線下教學(xué)模式

相對于線上教學(xué)模式的廣，線下教學(xué)模式更注重的是精。通過面對面的教課方式，教學(xué)效率較高。

1.因材施教

由于學(xué)生的成長背景、性格、價值觀等方面的差異性，所以無論是線上教學(xué)還是線下教學(xué)，學(xué)生對于課程的接受和吸收程度一定是有差別的。因此，教師在進(jìn)行線下課程的教學(xué)時，一定要重視學(xué)生的個性發(fā)揮，重視學(xué)生課堂主體作用的發(fā)揮。對于對智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)興趣和理解能力較強(qiáng)的學(xué)生，可以提供更多的參與實踐活動的機(jī)會，讓學(xué)生在接觸更多方面內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開拓眼界，發(fā)散思維；對于對智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)理解一般、反應(yīng)一般的學(xué)生，要重視以更多的應(yīng)用案例和更多形式的教學(xué)材料去吸引學(xué)生的興趣，重點鞏固學(xué)生在基礎(chǔ)理論方面的能力。

2.線上線下相輔相成

對于學(xué)生在線上已經(jīng)學(xué)到的知識，教師可以有重點地在線下課堂進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)和鞏固；對于在線下強(qiáng)調(diào)過的內(nèi)容，教師也可以利用線上平臺進(jìn)一步拓展和詮釋。

更符合學(xué)生需求的線下教學(xué)方式才更能將學(xué)生的注意力集中在課堂上。

教師依據(jù)學(xué)生線上的學(xué)習(xí)成果，針對相關(guān)知識進(jìn)行線下的穩(wěn)固和提高，并開展以問題為導(dǎo)向、以案例為導(dǎo)向、以課題為導(dǎo)向的授課方式，積極激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，開展以學(xué)生為導(dǎo)向的翻轉(zhuǎn)課程模式。采取多樣化的教學(xué)方式，提高線下教學(xué)課堂的趣味性和有效性。

六、結(jié)論

“智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)”是一門綜合性和實踐性較強(qiáng)的一門課程，以道路交通系統(tǒng)的角度開展多課程的融合教學(xué)，以及基于實踐的教學(xué)有效體現(xiàn)了該課程綜合性特點和實踐性的特點，利用新興的互聯(lián)網(wǎng)開展“線上+線下”的混合教學(xué)模式，為學(xué)生既提供了多樣化的教學(xué)資源，又兼顧了線下教學(xué)的高效性。通過多樣化的教學(xué)方法的融合教學(xué)，以滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車快速發(fā)展對人才的需求。