中职智能网联汽车教学实践研究

摘要：随着智能网联汽车专业在职业院校的快速普及，本课题组以ROS（机器人操作系统）为平台，在中职院校开展智能网联汽车教学实践研究。教学实践以Linux基本操作指令和编程英文基础为开端，开展理论实践教学，逐步过渡到用gazebo和Rviz插件实现任意增减模型和slam场景建图，最终使智能小车实现多点自主导航，从而更深入理解智能网联汽车基本工作原理。经研究发现，以ROS为平台的教学，不仅节约了实训场地，实训经费，还能让学生随地进行实践操作，延长了训练时长，学生学习智能网联汽车知识的积极性大幅提高，学习成绩有了明显提升。

关键词：智能网联；教学实践；中职

一、研究背景

（一）国家大力发展智能网联汽车

人类正在加速进入智能网联时代，汽车是先行者和相关技术应用的最大载体。2021年初春，国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》，特别提道：推进智能网联汽车（智能汽车、自动驾驶、车路协同）应用，推动智能网联汽车与智慧城市协同发展。国家智能网联汽车创新中心明确提出了智能网联汽车发展的里程碑：2025年，一半以上的车具备L2/L3功能；2030年，L2/L3级智能网联汽车市场份额超过70%，L4级智能网联汽车市场份额达到20%；2035年，无人驾驶汽车大规模应用。

（二）行业需要智能网联汽车人才

从人才供应的方面来看，全球招聘网站INDEED的数据显示，自动驾驶相关职位数量以27%年增速增长，而求职者的人数仅以15%增长。国内企业也普遍反映人才招聘困难。2020年，中国汽车工程学会发布的《智能网联汽车产业人才需求预测报告2020》预测：2025年智能网联汽车研发人才需求数量约为11.6万人（快速发展情境下），届时人才存量约为7.2万人，高校相关专业毕业生供给量（按流入产业比例计算）仅为7300人，缺口很大。

（三）番禺区要建设智造创新城，有发展智能网联汽车技术的迫切需求

在2023年年初举办的广州市高质量发展大会上，番禺区区委书记黄彪发言说：“番禺区将聚焦制造业这个高质量发展的脊梁，大抓新能源汽车产业。着力构建‘1+4+N’产业集群体系。”广汽集团执委、广汽研究院院长吴坚认为，番禺智能网联新能源全产业链大生态格局已具备良好基础，番禺区提出的“一基地一带两园”汽车产业发展布局，给本土智能网联新能源汽车产业高质量发展带来重要契机。根据有关报道，下一步，番禺区将加快建设以实体经济为支撑的现代化产业体系，以智能网联与新能源汽车集群式新突破为抓手，全力推动产业基础高级化和产业链现代化。

（四）中等职业学校是培养职教人才的摇篮

《国家职业教育改革实施方案》中指出，优化教育结构，把发展中等职业教育作为普及高中阶段教育和建设中国特色职业教育体系的重要基础。中等职业教育，是全日制系统性职业教育的起点，对于国家职业教育的发展起着启蒙和筑基的作用，为高等职业教育，职业本科教育做铺垫。中等职业教育是对劳动者开展系统职业教育的奠基阶段，无论是在理论知识或是技术技能的层级上，中等职业教育都是后续高等职业教育或普通高等教育的基础；第二，中等职业教育是人的职业生涯发展的关键环节，按照职业生涯发展阶段理论，对应中等职业教育的学习者年龄段是其职业偏好逐渐具体化、特定化并实现职业偏好的时期，对后续的职业发展具有决定性影响。在中职阶段，培养良好的职业观念、职业习惯，以及基本的技术技能，为未来进入高层次职业教育做好准备。

二、以ROS为载体，学习智能网联汽车

ROS（Robot Operating System，下文简称“ROS”）全称为机器人操作系统，是适用于机器人开源的一种元操作系统，是管理机器人硬件的一个操作系统架构。其为操作系统提供了应有的服务，包括硬件抽象、底层设备控制、常用函数的实现和进程间消息传递，以及包管理。ROS也提供了用于获取、编译、编写和跨计算机运行代码所常用的机器人开发通用工具和开源库函数。对于中职学生而言，ROS在智能网联汽车学习中，有三大优势：一是免费且开源，ROS中所有源代码是公开发布，有利于同学们进一步学习和研究；二是具有丰富的功能软件包，目前ROS可以支持使用的第三方软件包数量达到数千个，提升学生的学习效率；三是支持多种编程语言，常见的C++，Java，Python等都支持，对编程初学者来说非常友好。

用ROS学习智能网联汽车知识的优势：

（1）学生学习内容匹配当前智能网联汽车人才岗位的需求。ROS系统中的工程包建立，3D建图，多点自主导航是目前智能网联汽车自动驾驶的基础知识，学生在中职阶段学习ROS，一可以提高学生编程能力，二可以增进学生对智能网联汽车知识的了解，三可以对当前智能网联汽车行业岗位的工作内容进行提前接触，目前智能网联汽车工程师们也是在做建立模型，优化地图，调试安装等工作，学习ROS知识，可以在毕业后更快融入一线工作。

（2）脱离场地空间限制，学生可以随时随地学习。当前职业院校正处于蓬勃发展阶段，各个专业百花齐放，竞相争艳，同时，学校的经费场地都出现了短缺的局面。正如同汽车发展走向轻量化一般，职业院校也开始走向轻资产的道路，以往的大型实训设备逐步由VR、AR轻型设备代替，这样既可以节约实训室的空间，也能节省实训经费，减少实训设备的损坏。ROS是一款软件，一般来说，只需要一台电脑就可以了，这个实训条件实现起来比较轻松。几年前，微软发明了Win to Go功能，可以把系统安装在U盘中，ROS是在Linux系统中运行，也可以将ROS系统装在启动U盘中，这样的话，每个学生上课对应一个U盘，课上做的工程得以保留到课后继续使用，保证了任务的延续性。以往的实训车间停满汽车的场景，会被一台台电脑或是学校公用机房取代，减少了实训室的占地空间，学生在下课后也能把U盘带回家，继续学习ROS知识，不必在学校的实训车上进行实操。学校节省了场地和经费，学生延长了学习时间，拓展了学习空间，在当前职业院校的实训条件下，从提升学生实训水平角度来说无疑是极大的帮助。

三、教学设计思路

（一）从基本理论入手

1.操作指引。在实际授课过程中，我们发现，许多同学对于Linux系统十分陌生，是第一次操作，对基本的操作界面不了解不熟悉，要从最开始的打开关闭终端入手，逐步学习其他指令。

2.英语学习。中职的工科生英语基础薄弱，英语成绩不合格是普遍现象。但是智能网联汽车中，有许多地方是需要用到英语的，考虑到中职阶段目前没有《汽车英语》这门专业课，智能网联汽车又是汽车专业中职阶段接触英语最多的一门汽车专业课，建议在讲授Linux操作系统和ROS的同时，同步推进英语单词的讲解，从简单的例如keyboard（键盘）、navigation（导航）、rapidar（雷达）听默写入手，然后在ROS教学过程中把英语的难度逐步增大为短语句子等，例如goal reached（到达目的地）。在实际解决问题的过程中，学习英语的效率是最高的。

3.认识ROS工程。ROS工程相当于一个软件功能包的集合，里面包含了各类指令的初始文件，中间文件和执行文件。学生学习ROS工程，可以先从工作空间的编译方法，工作空间的结构学习入手，学习Package功能包的相关结构与功能，并逐步进入节点的编写进行理论知识学习。在操作层面，可以从基础的创建src文件（工程的初始步骤），编译catkin_make（生成devel和bulid中间和执行文件夹，相当于给空的工程赋予了功能），修改环境变量source（让ROS系统的环境与工程的环境一致），刷新环境变量soure ~/.bashrc等开始学习，逐渐理解每一步操作的基本意义。

（二）以实际操作提升

1.学会slam（同步定位与地图绘制）建图。slam是一款功能强大的工具，也是汽车能实现自主导航的基础。中职汽修学生，基本上从第一学期开始，就学习CAD知识，有机房的学校都会有老师带着进行3D的CAD绘图学习。有了CAD绘图的空间思维训练，开始学习slam建图会更容易理解。学习slam建图，可以先从建立一个简单的二维场景并保存开始，周边不需要太多障碍物，避免建图失败导致信心不足，影响接下来的学习。

2.学会利用Rviz工具，定点导航，自主规划路径。Rviz是ROS中一款三维可视化平台，一方面能够实现对外部信息的图形化显示，另外还可以通过rviz给对象发布控制信息，从而实现对机器人的监测与控制。Rviz是一款兼顾实用性和经济性的软件，目前在自动驾驶行业中广泛应用。利用Rviz的图像显示功能，可以将智能小车的目标路径和实际行驶路径显示在屏幕上，学生在实现自主规划小车路径的时候，会有极大的成就感，这种正向鼓励，会正反馈于后面的智能网联汽车三维模型建图学习中。需要提醒学生的是，Rviz的插件比较多，若同时打开太多插件，会造成电脑卡顿甚至停机状态，最好的状态是跟着老师一步一步学习每个插件的相关功能，避免出现太多自己难以处理的情况。

3.结合gazebo和Rviz工具，学会多点自主导航。gazebo是一款免费的机器人仿真软件，其提供高保真度的物理模拟，一整套传感器模型，以及对用户和程序非常友好的交互方式，能够在复杂的室内和室外环境中准确高效地模拟机器人工作的功能，通常与ROS联合使用，为开发者提供了优异的仿真环境。笔者认为，对于学生来说，gazebo和Rviz工具最大的不同之处在于，gazebo是现实仿真，可以在屏幕上放大，确切看清小车的具体位置，有没有与周围障碍物发生碰撞或者摩擦，而且gazebo有强大的模型库，可以随意在小车周围添加障碍物，致使小车重新规划路径，而Rviz是虚拟仿真，更容易看清小车行驶的数据，传感器探测到的范围，行驶路径的规划等，两者相结合，能更好地看到学生自己设置的多点自主导航是否有错误需要纠正。

4.需要注意的点：

（1）ROS自2010年发布以来，历经多次版本换代，每个版本之间的指令都有所区别。不同版本的工程包不兼容是常见现象，在学习ROS版本时，建议选择其中1-2个成熟的版本进行学习，因为新版本容易不稳定，使电脑卡顿，而且成熟可靠的工程包比较少，不容易进行学习研究。

（2）ROS Ubuntu 1604 Kinetic版本是2016年5月发布的，因为其版本成熟稳定，且年份长远资源很多，目前在各大高校应用广泛。但其对电脑硬件也有一些要求，太新或者太久的电脑都没法启动Kinetie版本，需要2015-2018年左右出产的电脑比较适合，同时因为gazebo占用内存较大，所以内存小的电脑还需要加装内存条。

（3）Gazebo目前应用最新的版本是gazebo11，Kinetic对应的是gazebo7版本，由于年份较为久远，gazebo在启动过程中，有时候会出现卡顿现象。解决方法是启动gazebo前，先打开一个终端，输入roscore，再打开gazebo，同时，在gazebo运行过程中，要不定时保存。

（4）如果是将Ubuntu系统装进U盘中，建议选用性能更稳定的固态U盘，虽然价格高，但是对于软件运行，资料保存来说大有裨益。

（三）借实体小车强化

在实体智能小车上，学会激光雷达安装、调试，摄像头调试等步骤。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。在电脑上的操作终究还是比不上动手实际操作。这次我们选用了冰达机器人公司开发的智能小车作为我们的实训车，来认识智能网联汽车身上的激光雷达，摄像头和IMU，这款小车同样是用ROS开发，而且在网上有配套视频讲解，售后还有技术工程师答疑，解决同学们遇到的难题。同学们可以在智能小车上，进行激光雷达和摄像头的安装调试。有条件的学校，可以带领学生们参加职业院校关于智能网联汽车的技能竞赛，以赛促学，这对提升学生实操水平有很大帮助。

四、总结与展望

随着近几年国家大力发展智能网联汽车产业，智能网联汽车课程、专业在职业院校正如火如荼地发展，有的高职院校已经与中职院校签订三二转段协议联合培养，有的院校已经在智能网联汽车赛项上摘金夺银，有的院校正在加紧研究人才培养方案，发展有快有慢。各个高职院校在暑期也开展了智能网联汽车的省培国培班，培养老师们关于智能网联汽车的基础知识，其中有相当一部分是用ROS作为基础知识讲解。

经研究分析，学生通过对ROS的学习，学会用代码敲出指令，通过使用gazebo和Rviz软件对小车进行多点自主导航，极大地增强了同学们学习的自信心，增进了智能网联汽车知识的了解，提升了学习积极性，学生的理论成绩和实操成绩有了明显提高。若其他中职院校想以ROS为基础，开展智能网联汽车知识教学，需要先选好Ubuntu系统版本，以及确定学校是否有对应版本的电脑硬件，然后是系统测试和软件测试等，再进行Ubuntu系统固态硬盘启动盘的采购。未来几年，职业院校的传统车课程和实训基地会逐步改成新能源智能网联相关内容，汽车专业教师也会向编程+物联网+三电逐步转型，职业院校培养的汽车专业学生会更偏向电动化和智能化。中职教育作为职业教育的基础性环节，要在这个阶段打好编程和通信基础，为将来学习更高级更复杂的智能网联汽车知识做好准备。

参考文献：

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[2]国务院关于印发国家职业教育改革实施方案的通知[J].中华人民共和国国务院公报，2019，No.1653（06）：9-16.

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[4]邵连奇，张媛媛，袁田等.基于ROS的机器人自主探索导航与地图构建研究[J].科技创新与应用，2023，13（08）：37-40.

课题信息：2023年度广州市教育科学规划课题《基于中职技能型人才培养的智能网联汽车课程教学实践研究》课题编号202215252 课题类别为萌芽课题 本论文来源于上述课题研究