智能网联汽车课程教学的数字化资源建设方案研究

胡源　高献坤　王庆朋　李德峰　周开塬

摘 要：智能网联汽车正在深刻改变汽车制造和交通运输领域，成为新科技革命的代表，全球各国积极推动其发展。然而，国内高校智能网联汽车领域课程建设尚处于初探和开发阶段，需加强实践教学和资源建设，以帮助学生更好地理解和应用所学知识。本文提出了智能网联汽车课程资源建设的方案，包括资源整合与体系的建设思路、农业院校的特色创新和以数字化资源为依托的应用型人才培养模式以及多元化学习质量评价，最后以无人小车制作项目展示了资源库中工程化项目教学的实践案例。

关键词：智能网联汽车 数字化教学资源 农业院校

智能网联汽车综合了多学科知识，正深刻地改变传统汽车制造和交通运输领域，成为新科技革命的代表。全球各国通过国家战略，政策、技术研发等手段，积极推动智能网联汽车的发展，中国也在人才储备和产业生态方面制定相应政策，助力行业蓬勃发展。尽管如此，国内高校在智能网联汽车领域的课程建设尚处于初探和开发阶段，主要集中在理论教学，但缺乏实际操作，学生的应用能力有所不足。因此，需要改进教学方法，注重实践教学，以帮助学生更好地理解和应用所学知识，同时针对课程特点，制定教学资源建设方案至关重要。

鉴于智能网联汽车尚未广泛应用，学生对其了解有限，资源建设需更加强调帮助学生理解关键问题，并在有限的教学时间内将核心技术融入课程实践。本文提出了智能网联汽车课程的线上线下资源建设方案，以供学生获取符合社会的高质量教育资源，以满足其多元化学习需求。为了解决初期资源库建设遇到的问题和挑战，本文介绍了如何通过资源整合和在线学习方式激发学生的兴趣，如何采用微课程教学，借助现代信息技术为主要呈现方式，协助学生更深刻地理解和运用所学知识。此外，本文还呈现了资源库中基于工程化项目教学的实践案例，通过积极探索和实践，实际的教学成果表明基于该智能网联汽车资源库的应用型人才培养模式能显著提升学生的学习能力和创新能力。

1 建设思路与特色创新

课程资源开发的目标是全面培养学生，其路径多元。首先，通过深入研究学科前沿，构建多元化教材资源并设定课程设计项目，确保学生全面掌握智能网联汽车领域核心理论与分析方法。前期调研工作至关重要，包括對双一流院校汽车专业教师和智能网联汽车企业员工的广泛调查，以全面了解教育和行业需求。其次，以企业典型工作任务与职业能力分析为基础，培养学生职业综合能力，构建真实工作任务为基础的教学内容。这一过程贯穿职业素养于知识和技能教学全过程中，全面提升学生综合素质与实际操作能力。

此外，课程资源设计应基于OBE（Outcome-Based Education）教育理念，从培养目标出发，反推理论知识和实践内容，确保学生全面达到明确学习目标。一方面，整合现有知识，适度引入与智能汽车密切相关的基础知识，如控制理论、机器学习和人工智能等，为智能网联汽车技术开发提供理论支持。另一方面，针对每个教学项目，构建完整教学资源库，包括线下教材、实训指导、任务单，以及线上资源如微课、课件、习题库。采用混合教学模式、“浸入式”和“探究式”等先进教学方法，激发学生学习兴趣，促进算法编程能力提高，提升“双创”能力。

在课程资源的特色与创新方面，将专业知识与耕读教育结合，推出农业无人载运设备设计训练，实践“知农爱农”教育，提高学生知识框架，培养创新思维能力，使学生了解传统农耕文化，掌握基本农事技能，培养“识农、尊农、爱农”意识。以“新农科”教育为背景，优化授课内容，融合人工智能、大数据、车联网等新兴交叉学科，培养多元化、创新型、专业能力强的一流学生。建立智能网联汽车虚拟仿真实训平台，开展“教、学、做”理实一体化教学模式，培养科研兴趣，夯实知识基础，提高学生智能网联汽车专业创新能力，为培养懂技术、懂农事、懂经营的复合型人才提供新模式和理念。

2 实施路径与效果评价

2.1 全面提升授课效果

为提升课程讲授效果，使学生能够在开放、自主、交互的环境中进行高效学习和实践，首要路径是构建信息化教学资源。特别是针对一些复杂综合性工艺技术讲解，采用虚拟仿真实验教学演示不仅颠覆了传统教学思想，还提高了学生的动手能力和工程意识。基于混合式学习理念，数字化课程资源涵盖了预习、随堂和课后三个环节。

为提高学生预习的积极性，多媒体课件制作要求较高。这些课件必须覆盖主要内容、符合教学大纲要求，保证内容的完整性和系统性。此外，课件需要具有形式多样、交互性强、趣味性十足的特点，以吸引学生的关注，激发他们的好奇心，并帮助他们树立学习课程的自信心。因此，多媒体课件的制作需要同时满足教学目标和吸引力的要求，根据不同情况选择合适的展示形式，如图表、视频动画等。在面授阶段，教师借助学生已具备的智能网联汽车相关专业知识，介绍了该行业的发展现状，详细讲解了相关原理和功能。同时，通过动画演示真实案例，为学生提供了优化设计的机会，例如在虚拟仿真实验平台中搭建虚拟场景并测试，以增加课堂教学的实践性和互动性。最后，在课后联系环节，相应资源内容包含知识总结、知识扩展、测试、实际应用和反馈，构建了一体化的数字课程框架。课后资源还根据学习内容、应用对象和使用技术的不同情况，进一步划分为特色子课程和资源库，为学生提供全面的学习资源和支持。

2.2 精心组织实验内容

实验教学内容的精心编排是提升学生实践经验的主要基础。智能网联汽车技术不断更新，新理论和技术层出不穷。教材通常滞后，无法充分激发学生的好奇心。为解决这个问题，课程资源收集了智能网联汽车技术的前沿资料用于实验教学，例如，百度的无人驾驶开源平台案例。实验课程涵盖了主流智能网联技术，包括实车模型的安装和操控模块。线下实验为学生提供了四轮实车模型，控制层包括主控板，感知层包括激光雷达、可见光摄像头、灰度传感器等装置，执行层包括电机驱动模块。学生需要自行组装控制主板和电机，并连接传感器，实现数据传输。此外，他们需要解决平台搭建和调试过程中的问题，从而提高实际动手和问题解决的能力。操控模块是控制小车在实验室自主导航和避障，并实现一系列实验，如路径规划、跟踪、汽车/行人/物体检测、交通信号检测、加速/制动/转向控制、交通灯识别、车道检测等，以深化学生对智能网联汽车的理解。在实施过程中，教师根据不同内容采用不同教学手段，例如，通过实车演练、启发引导式方法、课堂讨论和角色互换教学，将学生由被动学习转变为主动思考和学习，提高他们的参与度，同时培养他们的语言组织和口头表达能力。

2.3 完善数字化考核评价

课程资源不仅包含教学核心内容的数字课程授课视频，还涵盖了用于评估学生掌握程度的线上试题库等考核评价机制。学生的学习效果通过综合评价方式得以展现，其中包括平时考核和期末考核。平时考核侧重于定期评估学生在各个教学项目中对理论知识点的掌握情况以及实际实践效果。而在期末考核中，学生以小组为单位展示他们所创作的作品并进行答辩，主要内容包括：（1）演示自制小车的具体功能；（2）阐述小车所采用的核心控制算法和原理；（3）分享在设计和调试过程中所面临的挑战以及相应的解决方法。

经过一个学期的考核评价，可以明显看出学生在资料收集整理、团队协作和创新实践方面的能力有了显著提升。对于表现出色、具备高素质的学生，鼓励他们积极参与学科竞赛，并将所学知识和关于智能汽车的创新思维转化为可行的解决方案，从而进一步培养他们的创新实践能力，为未来在智能汽车技术领域崭露头角奠定坚实基础。

3 教学资源-项目案例

3.1 无人小车的制作及其导航控制方法

3.1.1 无人小车的设计

无人小车由底盘、电路板、传感器、电机等核心部件组成，具有动力强劲、抓地力强、刚性足以及重心低等优势。四轮小车底盘尺寸为29×18×9.8cm，轮胎尺寸为29×60mm，通过填充海绵对轮胎进行适当的软化处理，使小车具有较好的减震性，可以提供更大的摩擦力。

小车的电路板包括主板和驱动板。根据电路板的设计和小车的整体布局考虑，分别将主板、驱动板置于底盘中前方和后方。从成本方面考虑，选用数字摄像头作为小车配置的主要传感器，其能够将图像的灰度值以数组的形式传输给主板芯片，具备较好的动态性能。对于摄像头的选择，主要考虑分辨率，动态特性，FPS，自动曝光等参数。

小车驱动系统设计采用双后轮驱动，前轮舵机做转向控制：驱动电机为RS-380，额定电压7.2V，最大功率可达20 W，额定功率0.016kW，空载电流<630mA，额定转速16200rpm，额定转矩可达10.9N×m，外形储存29.2×37.8mm；舵机型号为S3010，6V电压时扭力可达6.5kg×cm，动作速度为0.16±0.02sec/60°。表1为无人小车所用电子组件和配置说明。

3.1.2 无人小车的组装

（1）传感器安装。

对无人小车来说，道路信息的识别和速度检测等都少不了传感器的帮助。因此，传感器的安装和固定需要对机械装置有整体的把控。小车配置的传感器主要包括摄像头、編码器和陀螺仪。

（2）舵机安装。

舵机转向机构在小车的行驶中是及其重要的部分，其安装位置和左右横拉杆的长度极大地影响着舵机的灵敏度。为了使舵机转向顺滑，选择架高舵机，即在其两侧加装铜柱，架高并起两侧加固作用；将舵机上下部位用铁坐螺丝固定，以此起到舵机垂直固定作用。其中需要注意的是，为保证舵机转向精度，在两侧固定、打孔时，要注意左右的对称性。同时，为了提高舵机的反应灵敏度且使其在相同转角下有尽可能大的线行程，选择缩短舵机的左右横拉杆。但在实验过程中发现，舵机的左右横拉杆不能太短，在相同的转矩下这反而会影响其反应灵敏度，因此需要通过多次试验，将其缩短至相对平行的状态，在最大程度上减少了舵机转向时因左右横拉杆太长而损耗的时间。

3.1.3 无人小车的移动控制

在传感器模块中，使用摄像头获取道路图像信息，再通过设计的算法识别环境元素。编码器传感器对电机速度进行检测，而加速度陀螺仪传感器即姿态传感器则用于检测是否遇到坡道。

控制系统包括速度控制和方向控制两部分。速度控制主要通过控制机器人的后轮驱动电机完成；转向控制需要舵机与后轮差速器的相互协同配合，结合算法最终完成对小车的速度和方向控制。

（1）方向控制。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

在舵机转向模块中，以模糊PID方式对舵机转向进行反馈控制。通过将误差进行比例放大，积分误差补偿，微分阻尼，将输出反馈回输入，构成一个闭环系统，提升系统的稳定性。

（2）速度控制。

在电机驱动模块中，采用增量式PID算法完成对车速的闭环控制，通过PWM控制驱动电路调整电机功率。具体来说，无人小车对提取出来的道路信息进行分析，计算出当前道路情况下对应的理想速度，然后再运用PID算法根据理想速度来计算输出到电机的PWM波的占空比大小，从而达到对速度进行控制的效果。

在小车移动速度较快时，需要转向响应很灵敏，但这样行进中就容易产生超调震荡导致直行来回震荡摇摆。针对这种现象，使用了航向角陀螺仪数据计算实际需要的转向控制参数，抑制不必要的高频变动。

以上为教学资源中选取展示的项目案例2的内容。

4 结语

智能网联汽车领域正通过多学科的交叉融合，深刻改变着传统汽车制造和交通运输行业。本文结合河南农业大学交通运输专业本科课程，引入人工智能和传感器等技术，设计并实践了智能网联汽车实践课程的教学资源建设方案。该方案不仅构建了技术知识和实验操作的双向互动架构，还基于OBE模式开发了智能网联汽车技术课程项目，从而深化学生对所学知识的理解，通过课程考核和项目完成情况的综合评价，提高了学生对专业课程的学习认知水平。为提高学生的学习兴趣和问题解决能力，在实施过程中还提出了一系列措施，如项目化教学模式、多媒体教学改进、现代教育理念融入、教学内容的精心组织、以及课程考核方式的完善。综上，数字化课程资源的建设不仅优化了智能网联汽车相关专业课程的实践内容，还大幅提高了学生的学习主动性和创新实践能力，这些探索和努力将有助于培养更多优秀的智能网联汽车领域人才。

基金项目：2023年河南农业大学教育教学改革研究与实践项目“‘1+1+1+n导师制产教融合人才培养模式创新与实践”（2023XJGLX038）；2022年教育部产学合作协同育人项目“智能网联汽车教学和实践方法”（220500378303804）；2023年河南农业大学教育教学改革研究与实践项目“协同融通互动—《汽车构造》课程‘鱼渔域欲教学模式的创新与实践”（2023XJGLX065）；2022 年校级大学生校外实践教育基地（22XM0167）；2023年河南农业大学实践教学基地建设项目（2023SJJD14）。

参考文献：

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[2]高献坤，周开塬，慕文龙等.农业院校新能源汽车课程教学改革与探索[J].时代汽车，2023（09）：29-31.

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[4]马彬，童亮.智能网联汽车技术教学内容优化研究[J].中国教育技术装备，2021，No.522（24）：72-75.

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[6]长安大学智能网联汽车虚拟仿真实验教学平台[J].实验技术与管理，2019，36（12）：19.