新工科背景下智能车辆环境感知技术课程改革探索

王权　王大方　马琮淦　李卫华　刘清河　贾永凯

摘 要：当前我国智能网联汽车产业发展迅猛，专业技术人才供需的结构性矛盾十分突出。因此，智能车辆工程新工科专业应运而生。本文介绍了哈工大（威海）智能车辆工程专业的培养目标和课程体系；分析了智能车辆环境感知技术课程教学过程中存在的突出问题；基于成果导向的教学理念对智能车辆环境感知技术的教学目标、教学设计、课程团队、教材开发等方面提出了改革措施，希望为相关院校智能车辆工程专业课程改革提供借鉴。

关键词：新工科 产学合作协同育人 智能车辆工程 感知技术 课程改革

1 引言

全面建设社会主义现代化国家，科技是关键，人才是基础，教育是根本。习近平总书记在党的二十大报告中强调“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑”，对“加快建设教育强国、科技强国、人才强国”作出了全面系统部署[1]。

新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，智能汽车已成为全球汽车产业发展的战略方向。2020年2月，国家发改委等11个部门联合印发了“智能汽车创新发展战略”[2]，规划了中国智能汽车产业发展路线图。2020年7月，习近平总书记考察在中国一汽集团研发总院时指出[3]：“一定要把关键核心技术掌握在自己手里，要立这个志向，把民族汽车品牌搞上去。”2020年10月《节能与新能源汽车技术路线图2.0》[4]发布，明确了面向2035年智能网联汽车的发展愿景、目标及里程碑。

2017年以来，哈尔滨工业大学系统地推进新工科建设，先后建设了一批新工科专业群，发展形成了“哈工大新工科‘π型方案”，积极构建产学研用深度融合的开放式教育生态体系，打造新工科人才培养的良好环境，在工程教育改革、学科交叉融合、教学方法创新、校企协同育人等方面闯出了一条新路[5]。2018年，哈工大（威海）智能车辆工程专业成为教育部新增审批的全国首个智能车辆领域的新工科专业。截止到2022年，教育部新增備案开设智能车辆工程专业的高校达到30所，如表1所示。

2021年5月，《智能网联汽车产业人才需求预测报告》[7]出版，报告分析了我国智能网联汽车产业人才现状及需求，智能网联汽车产业环境感知重要岗位需求分布如表2所示。预测到2025年智能网联汽车产业人才需求为9.2万～11.6万人，智能网联汽车产业的研发人员缺口约为1.3万～3.7万人。总之，从业人员数量供给不足、质量不能满足行业需求。智能车辆环境感知技术是哈工大（威海）智能车辆工程专业核心课程之一，已经完成2019级和2020级智能车辆工程专业122名学生授课，教学过程中仍存在诸多问题，教学内容和教学效果不能满足培养智能车辆工程专业创新拔尖型人才的需求。

2022年1月，教育部、财政部、国家发展改革委关于深入推进世界一流大学和一流学科建设的若干意见[8]中，指出“完善大学创新体系，深化科教融合育人”，加强高校、科研院所、企业等主体协同创新，建立协同组织、系统集成的高端研发平台，推动产学研用深度融合，促进科技成果转化，推进教育链、人才链、创新链与产业链有机衔接。

本文分析了智能网联汽车环境感知方向的人才需求和智能车辆工程专业人才培养方案，针对新工科背景下智能车辆环境感知技术教学现状和课程改革进行了探讨。以培养新时代的智能网联汽车产业杰出人才为目标，从教学目标、教学设计、课程团队、教材开发等方面入手，对智能车辆环境感知技术课程改革提出了具体的措施和建议[9]。

2 智能车辆工程专业培养方案

2.1 培养目标

哈尔滨工业大学（威海）智能车辆工程专业人才培养目标：

1）德才兼备、治学严谨，能够解决相关领域重大科学问题的学术大师；

2）本领过硬、精益求精，在打造国之重器中发挥核心作用的工程巨匠；

3）勤勉修身、远见卓识，具有优良科学素养和卓越领导力的治国栋梁；

4）眼界开阔、格局宏大，致力带动技术、经济及社会创新的业界领袖。

毕业生在毕业5-10年预期达到以下目标：

肩负中华民族的历史责任，成为爱党爱国、品学兼优、志存高远、知博识卓的时代精英。具备良好的沟通协作、认知融合及终身学习能力。拥有国际视野、创新精神，以及优良的科学素养，高度的社会责任感。具有多元知识结构和解决复杂智能制造系统的科学与研究、设计与发展、生产与管理问题的能力。在智能车辆工程及相关领域，培养敢为天下先的新时代杰出人才。

2.2 课程体系

智能车辆工程专业课程体系，分为四大板块，即公共基础课、大类平台课、专业方向课及自主发展课。大类平台课程包括：专业集群基础课程（智能车辆专业导论、工程制图基础、C语言程序设计）和大类专业基础课程（智能车辆仿真技术、电路与电子学、理论力学、机械原理、机械设计、机械制造技术基础，信号处理基础、数据结构与算法设计、单片机原理及实践、软件设计与开发实践、人工智能入门、自动控制原理、嵌入式系统原理等）。专业方向课程：核心课程（智能车辆环境感知技术、智能车辆规划与决策、智能车辆控制、智能网联汽车技术、电动汽车理论、智能车原型制作与开发、智能车辆平台设计开发等），专业方向选修课包括（智能交通系统、汽车无人驾驶技术、车载网络技术、新能源汽车概论等）。智能车辆环境感知技术是通过对智能汽车关键技术、人工智能与神经网络、目标识别与场景理解、多传感器融合等知识的讲授，培养学生掌握智能车辆环境感知技术的基本知识、标定和目标识别及神经网络设计的基本能力，为学习后续专业课程、感知系统设计以及科学研究打下必要的基础。

3 智能车辆环境感知技术教学现状分析

智能车辆环境感知技术（32学时2学分），2021年秋季学期首次开课，已完成2个年级授课。通过课程跟踪、专家听课和学生评教发现教学目标单一、教学内容宽泛，学生学习的积极性和主动性不高，缺少配套的专业教材、师资力量薄弱、实验平台建设滞后等问题，是新工科背景下智能车辆环境感知技术教学过程中需要重点解决的问题。具体而言：

（1）教学目标单一，教学设计不足。智能车辆环境感知技术课程具有知识点多、覆盖面广、理论难懂、实践性强的特点。授课沿袭传统车辆工程专业课程的教学方法，侧重讲解各类传感器的工作原理、技术参数、感知算法及应用场景，内容宽泛且枯燥抽象，学生课堂抬头率不高。同时，教师课外作业布置较多，学生容易产生抵触情绪，导致教学效果不佳，忽视了对学生团队精神、终身学习能力及科学素养的培养。

（2）调查发现，目前智能车辆环境感知技术相关教材主要有以下几类：面向职业等级技能证书类教材，内容宽泛，难度低；学术专著类教材，理论性强、实践案例少，学生学习困难；校企合作开发类教材，介绍典型算法及应用案例，高度依赖企业平台；自动驾驶技术类教材，环境感知技术仅有一章，篇幅过小，无法展开。教学过程需要统筹兼顾课程体系的广度和深度，从课程培养目标和学时限制等方面分析，上述教材无法与本课程配套。

（3）智能車辆工程专业成立时间短，师资力量相对薄弱，课程团队建设滞后。目前，本课程有任课教师1人、助教1人。任课教师是由车辆工程专业转移至智能车辆工程专业，缺少人工智能、计算机及自动化等专业背景，既要承担车辆工程专业的授课，同时又要面临在新工科专业开设新课的压力，面对教学设计、教案制作、教学研究和课程思政等各项任务，需要投入大量的时间和精力，缺少课程团队支持，容易顾此失彼，影响授课的整体效果。

（4）智能车辆工程专业课程体系仍不完善，理论教学与实验教学脱节，缺少自动驾驶专业仿真软件、实验平台以及实验指导手册和项目案例，学生动手实践机会少，导致在自动驾驶感知的模型训练、算法开发和智能小车实操方面经验不足。专业核心课程与课程设计、毕业设计等环节尚未完全打通。缺乏成本更低、技术更成熟的一体化解决方案用于快速构建智能车辆工程专业的课程体系。

4 智能车辆环境感知技术教学改革与实践探索

4.1 明确知识、能力、素质三方面的教学目标

（1）知识层面：了解智能车辆产业发展趋势及关键技术的应用前景；了解智能车辆环境感知的目的、环境感知的对象以及环境感知的方法；了解现阶段智能车辆环境感知系统的优缺点和科技前沿的发展方向；熟悉车载环境感知系统的构成及工作原理；熟悉环境感知的图像处理算法、机器学习算法及自动驾驶数据集等。掌握车载传感器数据预处理方法与目标识别技术；掌握深度学习方法的基本理论和神经网络的基本结构；掌握python或C++语言编程并能够搭建简单的神经网络模型。

（2）能力层面：根据新工科专业学生的特点，为学生提供优质的课程资源和一体化的实验平台，发挥学生学习的积极性和主动性。利用虚拟仿真平台的传感器模型，学习和验证经典的感知算法。通过实车实验，掌握不同传感器的安装方法、标定方法，能够获取和存储数据，完成感知实验任务；将混合式教学与项目驱动相结合，提高学生自主学习、独立探究、创新实践的能力，培养学生终身学习的意识，积极应对智能网联汽车产业带来的挑战。

（3）素质层面：以习近平总书记致哈工大建校100周年贺信精神为引领，将思政元素有机融入到教学设计中，介绍哈工大为党和人民打造一大批国之重器、培养一大批杰出人才的典型案例，学生们的爱国热情空前高涨，努力学习和贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想，坚定了践行社会主义核心价值观的决心。教师在授课结束后，向学生发放调查问卷，检验课程思政建设的成效，结果表明学生们的家国情怀、科学素质均有较大的提升[10]。

4.2 从理论、实验两方面优化教学设计

（1）理论教学：课前导学阶段，教师通过布置自动驾驶感知技术慕课课程，让学生提前预习知识点，教师设置若干讨论题，启发学生思考。课中探学阶段，课堂上组织学生分组讨论，教师设问、学生探究，教师引导、学生提供解决方案，培养学生独立思考、自我探索的能力。鼓励学生提出问题和解决思路，由教师点评和解答疑难问题，学生课堂抬头率明显提高。课后拓学阶段，增加课后任务难度，给各组布置自动驾驶感知模块的不同任务，鼓励学生研读感知算法原文，下载开源代码，进行算法复现，各组在下次课堂上展示研究成果，组间互评，多人翻转，各组通过分享和讨论，学生学习的积极性和主动性明显提高[11]。

（2）实验教学：在教育部产学合作协同育人项目的大力支持下，构建了腾讯TAD Sim教育版和百度Apollo虚拟仿真教学双平台，设计了以“学”为中心“问题导向-独立思考-团队合作-深入探索-教师点评-归纳总结-动态反馈”式的实验流程。以学生动手实践为主，教师现场指导为辅，学生掌握了自动驾驶仿真系统安装、调试、仿真等工具的使用；熟悉了自动驾驶高精度地图、定位、感知、预测、规划与控制等模块的运行机制、代码架构等知识，激发了学生“学”的热情和主动性，改善了“教”与“学”的效率和效果，学生的工程思维能力、解决复杂问题的能力以及综合素质都得到了显著提高。

4.3 多种举措并举，打造一流课程团队

（1）组建虚拟教研室，构建“教师+企业工程师”多学科知识体系的双师型师资队伍，定期组织自动驾驶仿真软件培训、项目研讨、技术讲座、教学研究等活动。鼓励教师深入自动驾驶汽车企业开展交流和学习，提升工程实践能力，促进课程教学与产业应用有机融合。

（2）积极引进具有人工智能、自动化、计算机等专业背景的青年教师，补齐课程团队专业短板，学院出台主讲教师资格认定办法，建立青年教师课堂准入和教学能力提升制度，例如，要求青年教师参加教学基本功大赛、教研室以老带新、助教助课等。

（3）建立校内外多部门、多学科协同的师资队伍共享机制和校外兼职导师评聘机制，通过聘请国内外知名大学客座教授和自动驾驶企业的技术专家作为兼职导师，共同指导课程教学、课程设计和毕业设计。

（4）开展智能车辆工程系和自动驾驶企业双方党支部的联建共建，以“共建、共享、共培、共研、共创”为途径，推进“产、学、研、用”深度融合，打造一流课程团队，着力形成特色党建联建体，资源交流、科研共享、引领企业产业和学校人才培养升级，实现共赢。

4.4 开发数字教材，加快推广应用

（1）新工科教材具有时代性、前沿性、融合性、开放性、体系化等特征[12]。智能车辆工程专业培养方案经历了二次修订，对教学内容和课程体系建设提出了新的要求，迫切需要开发专业教材。依托哈工大（威海）未来技术学院“智能环境感知技术”课程和百度Apollo星火计划2.0课程，开发《智能网联汽车环境感知技术》的数字教材。

（2）当培养方案发生变化、课程大纲需要调整时，可以快速优化课程体系和教学资源，适应教学环境变化。当课程教学内容稳定、知识体系完备后，出版新形态教材，通过二维码、数字课程作为教材配套资源，增强教材的可读性，引入实验平台、技术前沿、拓展资料等资源，与大学慕课进行一体化设计，为学生提供個性化的学习方案。

（3）教材开发过程中，通过教学立项、技术年会、课程研讨和师资培训等形式，课程团队与新工科联盟、中国智能网联汽车产业创新联盟、行业学会和行业协会、出版社及兄弟院校建立起了广泛联系，提高新工科教材编写质量，加快在相关院校的推广应用。

5 结语

当前我国智能网联汽车产业迅猛发展，智能车辆专业技术人才供需的结构性矛盾突出。同时，智能车辆工程专业成立时间短，专业课程教学内容和课程体系改革仍处于探索阶段。本文以智能车辆环境感知技术课程为例，分析了教学过程中存在的突出问题，基于成果导向的理念，从知识、能力、素质三方面细化了教学目标，从理论和实践两方面优化了教学设计，提出了理论教学“课前导学、课中探学、课后拓学”三阶段任务，构建了腾讯TAD Sim和百度Apollo虚拟仿真教学双平台，设计了以“学”为中心的实验流程，解决了缺少自动驾驶仿真平台的难点、打通了理论教学和实验教学之间的堵点、消除了智能车辆工程专业人才培养的痛点。另外，在课程团队建设和开发数字教材方面提出了若干建议，希望能为相关院校智能车辆工程专业的课程改革提供借鉴。

基金项目：2022年教育部产学合作协同育人项目：“基于TAD Sim教育版的智能车辆环境感知技术课程体系改革与应用实践”（编号：220500006274827），“基于百度Apollo的《智能网联汽车感知技术》教材开发”（编号：220600001300838），“智能汽车决策与控制虚拟仿真实践基地建设”（编号：220506707315854）；2022年山东省本科教学改革研究项目“面向汽车类专业的四育人模式研究与实践”（编号：M2022232）；哈尔滨工业大学教育教学改革研究项目“基于‘Ⅰ+Ⅳ导师制的新工科智能车辆工程学生创新能力培养模式研究”（编号：XJG2021017）。

参考文献：

[1]学习宣传贯彻党的二十大精神，新华网，http：//www.xinhuanet.com.

[2]中华人民共和国发展与改革委员会，关于印发《智能汽车创新发展战略》的通知，https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/202002/t20200224_1221077.html.

[3]“把民族汽车品牌搞上去”——从中国一汽创建70年看中国汽车工业发展，http：//www.xinhuanet.com/politics/2023-07/14/c_1129749148.htm.

[4]中国汽车工程学会主编，节能与新能源汽车技术路线图2.0[M].机械工业出版社，2021.1.

[5]徐晓飞，沈毅，钟诗胜，等.新工科模式和创新人才培养探索与实践——哈尔滨工业大学“新工科‘π型方案”[J].高等工程教育研究，2020，（2）：18-24.

[6]中华人民共和国教育部，https：//www.moe.gov.cn/.

[7]中国汽车工程学会主编，智能网联汽车产业人才需求预测报告[M].北京理工大学出版社，2021.5.

[8]教育部财政部国家发展改革委关于深入推进世界一流大学和一流学科建设的若干意见，https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-02/14/content_5673489.htm.

[9]夏利红，杨智宇，陈亚华. 智能车辆新工科背景下专业英语课程改革探索[J]，时代汽车，2022（10）：61-63.

[10]王权，马琮淦，李卫华等，贺信精神融入新工科课程思政教学设计——以“智能车辆环境感知技术”为例，哈工大贯彻落实习近平总书记贺信精神教育教学成果研讨会，2022.5.

[11]Apollo开发者社区，师者|一次拔尖人才培养方式的有益探索，https：//apollo.baidu.com/community/article/1035.

[12]时阳，产学合作视角下新工科专业教材建设初探[J]，计算机教育，2020（9）：183-186.