“真问题”驱动的多学科交叉融合人才培养研究

李昊 金立生 李学良

[作者简介]*李昊（1977—），男，天津人。博士，教授，博士生导师，主要研究方向为车辆智能控制。[摘要]随着汽车“新四化”进程的加速，各大车企对于智能车辆技术投入了巨大研发力量，企业对“懂汽车+懂IT”的复合型人才需求也越来越旺盛，这些新需求对车辆工程专业人才培养提出了更高的要求。对于车辆工程人才来说，依托传统机械工程学科的培养模式已不再适应汽车“新四化”的要求，特别是在多学科交叉融合培养人才方面需要對培养模式和课程体系进行改革和创新。在深入分析多学科交叉融合内涵的基础上，提出以“真问题”驱动为核心，结合新能源智能网联车辆人才培养需求，设计了多学科交叉人才培养模式和课程知识体系，采用“微—综”项目群、“虚—实”教学手段和“真题真做”产教融合三层体系构建培养平台，提出一种新的教学改革思路，以期为新时代车辆工程人才培养提供参考和借鉴。

[关键词]车辆工程；汽车“新四化”；真问题驱动；多学科交叉；人才培养

[中图分类号]G642.4[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2023）01-0074-07

0引言

随着互联网经济的逐渐兴起，我国汽车行业也开始面临重大转型升级。汽车从一台复杂的机电产品逐渐转变为一个互联网的终端产品，这种转型升级体现为汽车的“新四化”，即电动化、网联化、智能化和共享化[1]。汽车的“新四化”对高等学校车辆工程专业人才培养提出了更高的要求。目前，我国“懂汽车+懂IT”的复合型人才极度缺乏，预计2025年缺口将达到3.7万人[2]。企业对于具备多学科交叉能力的智能车辆人才需求日渐旺盛，传统的依托机械工程相关课程的知识体系已经无法满足企业需求。车辆工程的人才培养模式需要改革和创新，要弱化单纯作为机械工程一级学科下的二级学科知识体系建设观念，构建多学科交叉融合的新车辆工程教学体系[3]。

多学科交叉融合是目前国内外教育界普遍认可的教育发展趋势[4]，国外从20世纪50年代开始关注多学科交叉融合培养模式，主要关注突破学科边界，建设一批交叉学科[5]。目前，世界上有许多院校开始不再严格区分专业，我国高等教育界也在多学科交叉融合方面进行不断的探索和改革，如设立交叉学科研究中心和本科大类招生培养模式改革等[6]。在很多具备多学科交叉特征的专业，如地学工程、机械工程、交通工程、通信工程等，都在不断实践这种培养理念[7-9]。

车辆工程本身就具有非常强的学科交叉特性。从广义上来说，车辆系统本身是人类追求自由独立的运载工具，与智能技术手段结合后，汽车不仅是一种载运工具，更成为了一个智能移动平台；从学科特征来看，车辆工程的核心是技术，服务于人类追求，同时车身造型和人机交互又存在很大的艺术特征。所以，车辆工程的教育理念也应是遵从OBE的思维逻辑，以问题为导向，以机械工程、能源与动力工程和智能控制工程等学科为支撑，以学科交叉为特色并不断变革的现代工程教育。

本研究以燕山大学新能源智能网联车辆人才培养为例，从企业在设计和生产过程中产生的复杂工程“真问题”出发，将“真工程问题”化解为“微”项目和“综”项目，培养学生解决复杂工程问题的能力，在多学科交叉融合的背景下，对智能车辆人才培养模式进行探究，探索多学科交叉的教学模式和交叉机制，提出智能车辆教学平台构建方法和教学评价机制。

1多学科交叉融合培养体系目标定位

多学科的概念表达了两个及两个以上学科共同的支持作用，交叉融合是指在支撑一个培养目标基础上相互借鉴、相互融合的同时形成了一种新的体系[4]。所以多学科交叉融合的内涵是以需求为目标，多个学科共同作用下产生新的逻辑关系。学科交叉不同于培养计划的多个课程，更不同于课程的叠加拼凑，而是需要共性导向和交叉融通，需要针对具有学科交叉特征的专业和课程进行顶层设计，面向复杂工程问题，协同解决，探索新的知识和能力交叉培养模式，培养复合型人才，使得学生通过学习和项目训练具备交叉思维和系统思维的能力。2017年，教育部推动的“新工科”建设就是围绕多学科交叉融合展开的[10]，车辆工程伴随汽车“新四化”的发展对互联网和人工智能的依赖性更为强烈，对复合型人才的需求更为旺盛。

多学科交叉融合培养学生的最终目标是培养学生解决“复杂工程问题”的能力。复杂工程问题蕴含多学科交叉内容。复杂工程问题的不确定性和争议性决定了其解决方式不能依托简单的培训或单一学科完成，解决复杂工程问题往往需要将已有学科的内容进行非线性叠加，利用多种技术手段、技术工具和基础理论，以创新思维的方式解决问题。从目前各个高校都在开展的工程教育认证角度来看，建设多学科交叉融合的教学平台是培养学生解决复杂工程问题最为行之有效的手段。

多学科交叉融合的结果就是融通了学科之间的关系。不同学科为解决复杂工程问题提供了一定的方案，但不同学科对于“复杂工程”的理解都是从各自的专业角度出发的，因而具有一定局限性。所以，培养一个学生解决复杂工程问题的能力必定会与不同专业发生联系，同时围绕工程需求的核心，引入不同专业的思维。例如，在智能车方向的培养过程中，教师须从车辆对于网联和智能这两个需求出发，在智能车的技术范畴内凝练复杂工程问题来培养学生解决问题的能力，培养过程中不仅仅需要从技术角度对学生进行相关学科的训练，还需要学生了解和掌握诸如法律法规、管理等方面的知识和能力。

2多学科交叉融合培养体系设计

2.1培养模式

多学科交叉融合培养要以解决复杂工程问题为核心，按照问题、学科、目的、过程和利益相关者五要素对多学科交叉培养体系进行定位。这个定位的提出，是构建多学科交叉融合培养体系的基础，在这个定位的基础上构建教学项目，将具有不同学科背景的教师组成教学团队，利用现代化的教学手段包括虚拟现实、仿真和硬件在环实验等方式实现跨学科教学。

智能网联车辆方向的培养体系建设的核心是围绕汽车“新四化”过程中的复杂工程问题，如智能车辆的动力学控制问题、环境感知问题、决策和规划问题、V2X通信问题、多传感器融合问题和高精地图的构建问题等。这些复杂工程问题来自工程实际，是在工程实际中迫切需要解决或者提高性能和精度的问题。需要注意的是，培养体系的最终目标不是要求学生通过学习马上就能够解决工程难题，而是通过课程学习和项目实践获得认识问题、建立模型、解决问题和团队合作的能力，到实际工作中时，能够迅速成长为满足企业需求的复合型人才。图1是对智能网联车辆多学科交叉培养体系的逻辑描述。

2.2体系构建

本研究采用多学科交叉融合模式构建智能网联车辆课程教学体系，融通机械、电子、控制、网联、人工智能等学科思维，在专业知识、能力水平、价值取向三方面对学生进行有机塑造，在传统的、以机械课程为主的课程体系基础上进行重构。课程体系构建了包含机械、材料、控制相关课程的专业基础体系，围绕新能源智能网联车辆方向复杂工程问题构建了信号与系統、汽车网络技术、智能交通的专业课程体系，如图2所示。

课程体系中对机械类专业基础课程内容及课程时长进行了适当压缩，增加了电气、信息、能源类专业基础课，拓展学生知识体系。专业基础课程对汽车构造、汽车电子、汽车理论等专业必修课进行升级改造，重新组织教材和训练项目，培养涵盖机械、材料、控制领域工程基础扎实、专业技术过硬的车辆工程人才。在夯实基础的同时，开设新能源汽车、智能汽车模块化课程，围绕智能网联车辆领域复杂工程问题进行综合能力训练。

课程体系重点关注各个模块和课程之间的内在联系，借助延续性课程内容和交叉性项目式教学的融会贯通，逐步形成专业课程三级项目、汽车设计二级项目及毕业设计一级项目层层递进的项目式教学模式，以在职业素养、工程素养、协作素养和创新发展4个方面助力学生形成专业的知识和能力网络。图1智能网联车辆多学科培养体系

2.3知识体系

《中国制造2025》明确提出，将重点发展“节能与新能源汽车”，明确继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展，掌握汽车低碳化、信息化、智能化核心技术的发展战略。所以，在车辆工程面向“新四化”课程内容建设方面需要做以下补充和升级：在汽车“电动化”方面，随着各大车企在新能源和混合动力系统方面都加大了投入，核心技术聚焦“三电”（电池、电机、电控），在传统的电子相关课程中融入电化学、现代控制理论等课程内容；在“智能化”方面，车辆的传感系统日趋复杂，环境感知、信息融合和深度学习技术都在现有的课程内容中没有体现，需要通过理论学习和实践平台进行学习；在“网联化”方面，以5G为代表的通信技术和各类车载总线技术开始在车辆系统中广泛应用，V2X技术的扩展范围也逐渐加大；在“共享化”方面，依托大数据的信息处理技术是未来车辆领域重要的技术手段，这类专业课程的融入也是非常必要的。据此，以知识架构为路径，构建的知识体系如图3所示。

3“真问题”驱动交叉融合

3.1“真问题”获取

面向复杂工程问题培养学生解决问题的能力需要从两个方面完成。一是要具备扎实的专业基础知识，要求专业核心课程无论在学时数还是实践训练上都要保质保量；二是要紧密结合实际工程项目，以满足企业对学生的“精准需求”，为学生提供“真刀真枪”的演练场。

整合基础实验平台、科研平台、校企联合基地为学生设置“真问题”，与工程实际紧密结合。除此之外，学科竞赛平台也是“真题”来源的有力补充，结合FSAE大学方程式赛车比赛，从赛车中引入“复杂工程问题”。从课程题目本身来讲，课程项目的难度是要考虑的重要指标，只有蕴含“真问题”的课题才能培养学生的创造力、执行力，才能够真正使得学生获得将技术知识集成为产品的能力，才能从工程角度培养学生的工程思维和思辨能力。应将传统工程教育的“精耕细作”转化为现代企业急需的“宽广厚实”，解决学以致用和思维固化的问题。

以燕山大学车辆工程专业为例，专业依托于长城汽车建立的国家级实践教学中心，采用“双导师”制模式实施“真题真做”协同育人培养模式。首先，创建以“真实”复杂工程问题为核心的课程项目，通过与企业的长期合作、教师与企业工程技术人员的沟通，确认符合条件的工程实际问题。这些问题本身要具备复杂工程问题的特征，而且是真实企业生产中的实际需求。

表1是部分工程课题的题目，都是与企业进行深入沟通后确立的。课题均具备以上7个特征。

“真题”除了来源于企业之外，还可以结合学科竞赛平台获取题目。比如，目前国内很多高校车辆专业参加的FSAE大学生方程式赛车，在设计和制造赛车的过程中，可以凝练非常丰富的课程项目。

3.2由“微”入“综”项目分解

教学平台是实现培养目标的载体。在复杂工程问题导向下，本研究以多学科交叉融合为特征构建教学平台，遵循从“微”到“综”的认知规律和能力提升客观过程，让学生从小课题、小项目入手，建立现代汽车“新四化”的总体概念，并能够对其中的关键问题进行辨识和解决。

传统的车辆工程专业教学平台主要包括汽车构造、汽车测试和汽车电子控制三大板块建设，在新能源电动车辆出现之后添加了新能源车辆相关的教学平台，这些平台的建设基本是围绕课程或者课程群来开发和建设的。比如，汽车构造课程平台主要包括汽车发动机构造与底盘构造，虽然加入了虚拟现实等技术手段，但总体上还是依托课程需求配套实验手段。在汽车性能平台中，重点围绕汽车系统动力学实验方面建设，如整车动力性、经济性、制动性等。随着车辆向智能网联化发展，以上所述平台对课程体系的支撑性明显不足。

智能网联车辆的技术构架涉及车辆/设施、信息交互和基础支撑三大技术领域，包含环境感知、智能决策、控制执行、通信网络、大数据运用、车路协同、人工智能、高精地图和法律法规等一系列技术和支撑条件。硬件建设和软件系统使用系统庞杂。除了传统的MATLAB仿真之外，例如Prescan、VISSIM等软件也是常用工具软件，建设成本较高，然而学生不可能通过1～2个项目的训练就能够完成知识和能力的培养。基于以上问题，本研究聚焦于以复杂工程问题为核心的项目教学实现教学平台构建。在选择工程项目的同时注重从“微”到“综”的逻辑，通过“小微”项目逐步过渡到“综合”项目，最终达到“复杂”真实项目，使得学生获得认知、使用、解决一般问题和解决真实复杂工程问题的能力。表2列举了从“微”到“综”相关的项目课题及覆盖的课程和能力。表2不同阶段教学平台项目

能力目标阶段任务项目题目认知概念基本概念：新能源技术、燃料电池、车联网、ADAS、无人驾驶线控转向结构拆装和认知、线控制动系统的结构认知、感知传感器结构认知和装配、环境传感器安装调试使用技术基础技术：控制器标定、深度学习、自动控制、互联互通、语音交互线控底盘系统性能测试、ADAS功能验证、线控转向和线控制动系统标定、系统故障诊断和排除、摄像头/鱼眼相机标定、车身坐标系与激光雷达坐标系标定、欧几里得调参代码修改解决问题人机交互、深度学习、智能决策、路线诱导ACC算法验证与二次开发、LKA功能仿真验证与二次开发、自动紧急刹车仿真、神经网络物体识别、识别人车、欧几里得聚类、机器视觉深度学习、路径规划、路径跟踪、车道检测工程应用运动控制、无人驾驶、智慧交通、智能仪表全景环视功能实验；封闭校园区域高精度地图采集；智慧路侧设备实训；智慧交通车路协同综合实训；智能网联车功能OTA在线升级实验从表2可以看到，“微”项目与“综”项目等，使得学生能够从认知到工程应用进行全过程能力锻炼和提升。4个目标循序渐进，从基础的认识智能网联车辆技术的相关概念到使用基本技术技能，再到实际的问题，最后结合真实案例通过创新方法开发适合工程应用的技术或者产品。同时，在学习智能网联技术的同时，涵盖新能源汽车以及汽车电子电控的相关知识，使得学生在多学科交叉方面能够满足未来企业需求。

3.3由“虚”入“实”

无论是“微”项目还是“综”项目的实现都要依托实践平台完成项目的最终落地。汽车“新四化”中的“三电”系统和“智能网联”系统在教学中完全依靠真实的整车来实现成本和容纳学生数量的能力都不够，而且不能随着项目的不同进行重组或重构，这就需要通过虚拟仿真与硬件实验结合为学生提供更为灵活的实践手段。但是，这种“虚实”结合不等同于科研系统中的仿真加实验，两者之间有3点区别：（1）科研过程中的虚拟仿真强调在模型建立过程中的理论分析和数学描述。而在教学中的“虚”更注重学生在理解现有系统过程中能够快捷地修改参数得到结果，强调参数与结果之间的关系，帮助学生更好地了解系统本身的运作规律。（2）教学中对“实”的要求是动手搭建的过程，训练学生设计实验方案，动手搭建实验，对既有的结论进行复现。而科研过程中的“实”可以理解为验证，更强调对自己提出的想法进行数据分析和验证。（3）教学的“虚实”结合是帮助学生深入理解对象的运行机制，为了将来能够更快地融入实际工作岗位的开发工作，要求使用的平台和仿真手段是成熟的或企业普遍采用的。科研的虚实结合是在用实际系统无法满足的条件下采取的硬件在环手段，二者虽然设备相同但目标不同。

在构建“虚—实”结合的智能车辆实践教学平台过程中要注意與科研平台的区别，以新能源智能车辆为例（图4），在搭建整车电控系统硬件在环教学平台过程中要明确教学功能，满足从“微”到“综”各类教学实践项目实现的同时还要具备一定的扩展和开发能力，满足后期工程的应用实践。图4新能源智能网联车辆教学实践平台构架学生在图4所示的新能源智能网联车辆教学平台上可以利用“虚拟”方式非常直观地通过调整参数、改进和调试算法实现多种传感器的数据采集、场景搭建，可以随时可视化地设置车辆运行环境，设置随机交通流，同时将车辆动力学参数与控制相结合。配合可视化实验管理系统，完成仿真模拟、仿真设定、仿真过程建立、仿真数据存储和实验报告。在“实”的方面，利用驾驶模拟器来操纵车辆的方向盘、踏板等设备，让学生能够有实际的操纵感受。从“虚实”两方面，满足学生从认知到工程应用的全过程能力训练。

4应用效果分析

4.1多学科交叉思维能力的提升效果

通过近3年的教学实践，学生在多学科交叉思维能力和工程思维能力方面有了较大的提升。

在多学科交叉思维方面，学生从“虚拟作战”转向真实工程环境下的实际工程任务，而这些在实际生产设计中的具体需求衍生出的工程问题本身具有非常强烈的学科交叉色彩，学生通过从基础到综合的工程项目教学实践，多学科交叉思维能力得到很大提升。图5采集了燕山大学车辆卓越工程师计划近3届140位学生的毕业设计数据，其中2018级有23名学生直接参与了某大型汽车企业的实际研发项目课题。

由图5可以看出，随着“真题”比例的增加，在成绩评判标准相同的情况下，毕业设计的总体平均成绩和参加真题真做学生的毕业设计成绩呈现明显上升趋势。相关调查和交流显示，企业和相关用人单位对学生的多学科交叉素质提升感受明显，相较于上一届未经过“真题”培养的学生，无论在解决方案构建还是设计解决方案细节方面，都体现了很好的综合能力和素质。图5近3年毕业设计成绩变化4.2工程思维能力的提升效果

在工程思维能力方面，随着“真问题”融入课程教学中，学生不但在理论学习方面有了对实际工程的切身感受，而且通过对这些复杂问题抽丝剥茧、由简入深的分析和训练，学生的工程思维能力得到较大的提升。除此之外，要求学生在构建项目解决方案时都要充分考虑项目所涉及的成本、标准和相关法律法规，从多角度锻炼学生的工程素养。工程思维能力的提升还促进了学生在大学生创新创业计划项目方面的发展，近3年学生参加国家一类赛事的获奖数量增长了47%，获得省部级以上奖励的获奖数增长了73%，均体现了学生在工程思维和创新水平上的提升。

在企业深度融入教学方面，通过“双导师”制，校内指导教师与企业指导教师一起指导学生解决工程问题，开拓了教师的视野，提高了教师的工程思维水平；同时，也为教师参与企业实际课题创造了条件，达到了以研促教的目的。教师在培养学生的过程中，对学生工程能力的塑造有了很大的提升。以燕山大学车辆工程专业为例，本研究围绕企业对学生的“多学科交叉工程能力”的满意度展开调研。调研以问卷形式进行，调研对象为最近一届的毕业生，结果如图6所示。

图6的调查结果显示，高校和企业对学生在多学科交叉工程能力方面的满意度分别达到了94%和87%，企业和高校均认可“学生能够在学习中体会到车辆工程专业的多学科的相互借鉴，知识明显互通互融的特点”。以某知名车企为例，企业为最近一届“真题真做”培养的学生免除了入厂实习环节，可直接进入设计岗位，这进一步说明了企业对于学生工程能力和多学科交叉思维能力的认可。

5结束语

新一轮的科技革命促使了汽车工业由传统交通工具向绿色智能移动空间转变。汽车产业生态链转变为跨界融合的交叉型产业生态系统，企业急需“懂汽车+懂IT”的人才，车辆工程专业迫切需要构建车辆工程创新人才培养新体系。面向汽车“新四化”构建车辆工程多学科交叉人才的培养体系是解决这一问题的有效途径。本研究采用“真问题”来驱动多学科交叉融合，构建多学科融通培养平台，在有限学时下涵盖多学科交叉知识，夯实基础精准定位，结合燕山大学车辆工程在新能源智能网联车辆教学改革方面的建设经验，探讨面向企业需求、培养工程思维的教学模式，以为车辆工程专业在汽车新“新四化”环境下的发展提供一定的借鉴。

参考文献

[1] 冀杰，任玥，李云伍，等.面向“新四化”的车辆工程新工科建设探索[J].高教学刊，2019（25）： 22-24+27.

[2] 中国汽车工程学会.智能网联汽车产业人才需求预测报告[M].北京：北京理工大学出版社，2021：221.

[3] 李奇奇，胡林，伍文广.新四化牵引的汽车类专业培养体系升级改造初探[J].汽车教育，2022（1）：51-53.

[4] 林健.多学科交叉融合的新生工科专业建设[J].高等工程教育，2018（1）：32-45.

[5] 聂金泉，吴华伟，廖育武，等.新工科理念下地方高校车辆工程专业人才培养探索[J].教育教学论坛，2020（42）：209-211.

[6] 杨毅刚，王伟楠，孟斌.以提升解决“复杂工程问题”能力为目标的工程教育培养模式改进研究[J].高等工程教育研究，2017（4）：63-67.

[7] 郭福生，叶长盛，陈平辉，等.多学科交叉融合的地学工程人才培养模式探索与实践[J].中国地质教育，2020（2）：1-7.

[8] 黄端，石金晶，张玲，等.多学科交叉融合的通信类专业“新工科”建设研究[J].工业和信息化教育，2022（3）：1-4.

[9] 姚佼，戴亚轩，韩印，等.新工科背景下多学科交叉融合的交通工程人才培养模式研究[J].物流科技，2019（10）：159-163.

[10] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

AbstractWith the rapid development of the "new four modernizations" of automobiles，major automobile enterprises have made huge investment in the research and development of intelligent vehicle technology，and the demand for intelligent vehicle talents is becoming increasingly strong.There is an extreme shortage of compound talents who grasp automobile and IT technology，which puts forward new requirements for the training of vehicle engineering professionals.The traditional training mode of vehicle engineering talents relying on mechanical engineering is not suitable for the new four modernizations of automobiles，especially in interdisciplinary integrations，the training mode and curriculum system need to be reformed and innovated.On the basis of in-depth analysis of the concept of multidisciplinary cross integration，combined with the talent training process of Yanshan University，a multidisciplinary cross talent training mode and curriculum knowledge system are proposed，and a training platform and teaching reform ideas are constructed by using the "micro comprehensive" project group，"virtual real" practical teaching and "real project" to provide reference and reference for the training of vehicle engineering talents.

Keywordsvehicle engineering;new four modernizations;interdisciplinary;talent cultivation;teaching platform

[責任编辑孙菊]