基于課程思政案例的“機器人設(shè)計與應(yīng)用”課程改革與實踐

劉 冬，杜 宇，叢 明

（1.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

機器人是多領(lǐng)域交叉、多學(xué)科融合的系統(tǒng)，只有學(xué)生能夠綜合運用機械、電子、計算機等方面知識，才能更好地對其進行學(xué)習(xí)和應(yīng)用，因而“機器人設(shè)計與應(yīng)用”課程是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的良好平臺。2019年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《中國教育現(xiàn)代化2035》和《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案（2018—2022年）》，把立德樹人作為重點任務(wù)，要求將思想政治工作體系貫穿教學(xué)體系中。如何有效地將思想政治教育更好地融入專業(yè)課程之中，實現(xiàn)從“思政課程”向“課程思政”的全方位育人，是高校教育工作的重要任務(wù)［1，2］。

目前，企業(yè)及高校大部分首選使用的工業(yè)機器人都是外國公司生產(chǎn)的，容易讓學(xué)生形成慣性思維，認為我國工業(yè)機器人技術(shù)比較落后，和國外有著巨大差距。這種想法會降低學(xué)生對我國機器人領(lǐng)域發(fā)展的信心，也不利于提高學(xué)生解決行業(yè)問題的積極性，進而降低了未來選擇相關(guān)行業(yè)的興趣。因此，從長遠看，這會嚴重影響我國由制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉(zhuǎn)型的腳步。機器人相關(guān)的先進制造業(yè)需要高素質(zhì)復(fù)合型人才，企業(yè)也非常注重員工的思想素質(zhì)和工作態(tài)度。

本課程之前側(cè)重于專業(yè)知識教授，且授課內(nèi)容大體按照教材章節(jié)的基礎(chǔ)內(nèi)容來設(shè)計，在對學(xué)生的思想政治教育上缺乏引導(dǎo)。同時，當(dāng)前課程學(xué)習(xí)與工程項目實踐相差較遠，對于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)效果不明顯，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣。通過開設(shè)“機器人設(shè)計與應(yīng)用”課程，要求學(xué)生能夠結(jié)合所學(xué)的知識分析問題并解決問題，因而單純地講授并不適用于這門課。

針對上述問題，論文以學(xué)生思想政治教育和能力培養(yǎng)為目標(biāo)，對“機器人設(shè)計與應(yīng)用”課程教學(xué)方法進行探索和改革。在項目實踐案例中融入思想政治教育，將培養(yǎng)學(xué)生項目實踐解決能力和樹立學(xué)生科技自信二者相結(jié)合，全方位地將學(xué)生培養(yǎng)成高素質(zhì)復(fù)合型人才。

一、“機器人設(shè)計與應(yīng)用”課程思政教學(xué)探討

“機器人設(shè)計與應(yīng)用”作為一門交叉學(xué)科的課程，面向機械類工科學(xué)生開設(shè)，意在讓學(xué)生了解機器人領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)及機器人在行業(yè)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生對機器人技術(shù)的興趣，同時拓寬學(xué)生的知識面，使學(xué)生具有解決機器人技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力。課程涉及的內(nèi)容廣泛，其中蘊含豐富的思想政治問題，在傳統(tǒng)的教學(xué)中往往是針對技術(shù)問題和知識點的教學(xué)，缺乏對學(xué)生在思想政治方向的引導(dǎo)。因此，本文在具體的機器人案例及相關(guān)人物事跡中融入思政元素，逐步形成課程思政案例庫［3］，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中反思，在反思中學(xué)習(xí)，更好地理解和堅定“四個自信”，增強學(xué)生攻堅克難的勇氣與信念。具體課程思政案例庫如表1所示。

表1 “機器人設(shè)計與應(yīng)用”課程思政案例庫

（一）學(xué)術(shù)前沿與面向重大需求案例

機器人系統(tǒng)集成了機械電子、計算機、人工智能和虛擬現(xiàn)實等多種前沿技術(shù)，其技術(shù)的進步與發(fā)展將極大地改變甚至顛覆我們的生產(chǎn)、生活方式。2021年，機器人世界大會發(fā)布了機器人十大前沿?zé)狳c領(lǐng)域，包括軟體人工肌肉與智能皮膚、機器人核心部件、機器視覺、微納器件及微型執(zhí)行器、虛擬現(xiàn)實機器人與交互、腦認知與知識圖譜、協(xié)作機器人等。這些領(lǐng)域代表了最近乃至未來幾年機器人技術(shù)的主要發(fā)展方向。我國機器人技術(shù)起步較晚，但近些年發(fā)展極為迅速，很多領(lǐng)域達到了世界領(lǐng)先水平，例如大疆公司的無人機等。在國家重大需求領(lǐng)域方面，沈陽自動化所一直致力于推動水下機器人研究，主持研制的“探索4500”自主水下機器人成功完成北極高緯度海冰覆蓋區(qū)科學(xué)考察任務(wù)；研制的“海斗”自主遙控水下機器人，最大潛深達10 888米，均達到世界領(lǐng)先水平。但在工業(yè)機器人關(guān)鍵部件，如高精密減速器、高性能伺服電機和驅(qū)動器、高速高性能控制器等領(lǐng)域存在一些瓶頸問題仍需要攻克。通過對學(xué)術(shù)前沿與面向重大需求案例的介紹，培養(yǎng)學(xué)生對機器人領(lǐng)域的興趣與使命感，讓學(xué)生感受到國內(nèi)機器人領(lǐng)域的蓬勃生機，扎實學(xué)生的“四個自信”［4］，同時在學(xué)習(xí)之初使學(xué)生了解機器人領(lǐng)域的重大需求和相關(guān)的“卡脖子”問題，引領(lǐng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中探索正確的科研方向，進一步加強學(xué)生攻堅克難的勇氣和信念。

（二）具體工程實際案例

結(jié)合課題組開發(fā)的坦克仿真模擬器、無人車遙控機械臂等典型案例，從過程到方法，從開始立項到各部分細節(jié)的逐步完善，以及過程中遇到的機器人系統(tǒng)設(shè)計、控制、調(diào)試等各方面難題，講授如何通過團隊多人團結(jié)協(xié)作克服困難解決國家重大需求問題。這些工程實際案例正是教師和周圍同學(xué)親身經(jīng)歷的，可以讓學(xué)生產(chǎn)生更多的親切感和共鳴。通過接地氣的方法，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生明白團隊精神和不怕困難的重要作用，提升解決重大問題的信心。

（三）典型事跡案例

將機器人領(lǐng)域的典型事跡引入課堂中，并與實際教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，如“大國工匠”蔣新松院士投身工業(yè)機器人事業(yè)，被譽為“中國機器人之父”。蔣新松院士領(lǐng)導(dǎo)研制出我國首臺由計算機控制的示教再現(xiàn)工業(yè)機器人，領(lǐng)導(dǎo)研制的“海人一號”水下機器人達到了當(dāng)時世界領(lǐng)先水平，主持并參加了我國第一臺機器人的控制系統(tǒng)總體設(shè)計，在我國機器人的研究、開發(fā)、工程應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面做出了開創(chuàng)性的貢獻。這些事跡激勵了一代又一代的機器人科研工作者，也會激勵學(xué)生投身科研、愛崗敬業(yè)，在技術(shù)創(chuàng)新中創(chuàng)造佳績，推動我國機器人事業(yè)進一步向前發(fā)展。

（四）工程倫理問題案例

機器人的倫理問題是機器人領(lǐng)域在發(fā)展和實踐教學(xué)中不可忽視的問題。機器人的“三大原則”是機器人倫理問題的起點，但隨著機器人領(lǐng)域的發(fā)展，越來越多種類的機器人被研發(fā)出來，倫理問題隨之變得更為復(fù)雜。在醫(yī)療機器人方面，“達芬奇”手術(shù)機器人可以通過微創(chuàng)的方法實施復(fù)雜的外科手術(shù)，由此引出了患者安全、醫(yī)患選擇偏倚、過度醫(yī)療、法律責(zé)任認定等問題［5］。我們希望賦予機器人更多人的特性，進而出現(xiàn)許多仿人機器人，如人形機器人，這也引發(fā)了人的肖像、聲音、身材、神態(tài)等隱私權(quán)被侵犯的問題。通過對機器人倫理案例的探討和講解，讓學(xué)生在未來的學(xué)習(xí)、使用或是設(shè)計制造機器人時，能更多地思考人與機器的道德問題，把握好道德準(zhǔn)繩，推動機器人領(lǐng)域的更好發(fā)展。同時，培養(yǎng)和加強學(xué)生的道德思考能力，有助于學(xué)生形成正確的世界觀、人生觀和價值觀。

二、課程思政背景下“機器人設(shè)計與應(yīng)用”課程的教學(xué)設(shè)計

（一）建立綜合能力培養(yǎng)的教學(xué)方式

在大數(shù)據(jù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的今天，傳統(tǒng)線下面授知識的教學(xué)模式應(yīng)該被進一步豐富。采用“線上線下+實踐”教學(xué)方式，課程變得更加靈活、有趣和立體，更容易讓學(xué)生接受并且積極投入［6］。將課程思政理論同網(wǎng)絡(luò)中機器領(lǐng)域新鮮有趣的視頻、音頻、圖片等相結(jié)合，進一步更新和創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)個性化的教學(xué)方式。為學(xué)生推薦一些優(yōu)質(zhì)的機器人學(xué)習(xí)網(wǎng)站和公眾號，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑，豐富線上學(xué)習(xí)內(nèi)容的同時，學(xué)生還可以通過網(wǎng)站學(xué)習(xí)一些課外知識，鞏固課上知識。此外，進一步增加課堂互動和對學(xué)生運用知識能力的培養(yǎng)，采用自愿組隊的形式將學(xué)生分組，并為各組安排“機器人設(shè)計與應(yīng)用”課程小任務(wù)，采取小組合作+報告演講的模式，在培養(yǎng)學(xué)生團隊合作能力的同時，也考查其對知識運用和思政元素的認識情況，進行個性化、一對一的指導(dǎo)和糾正。在理論講授外，安排學(xué)生進行機器人系統(tǒng)平臺參觀及動手實踐，介紹工程實例，通過多種實例進行啟發(fā)式教學(xué)，讓學(xué)生多方位、立體式接觸新知識［7］，提高學(xué)生的理論和實踐結(jié)合能力和創(chuàng)新意識。

（二）完善課程思政案例教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)內(nèi)容方面，在原本的教學(xué)大綱中補充學(xué)術(shù)前沿與面向重大需求案例、工程實際案例、典型事跡案例、工程倫理問題案例等思政元素，把課程教學(xué)知識與課程思政案例相結(jié)合，挖掘和充實案例中的思政元素［8，9］，讓學(xué)生產(chǎn)生共鳴；加強社會主義核心價值觀教育，提高他們對知識學(xué)習(xí)和科學(xué)研究的興趣，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，堅定學(xué)生建設(shè)制造業(yè)強國的決心和毅力。同時，結(jié)合學(xué)校機械專業(yè)特點和需要，建立完善的、有層次的“機器人設(shè)計與應(yīng)用”課程思政體系，進一步完善多媒體教學(xué)課件，將思政元素引入課堂講授、仿真模擬、案例結(jié)合、實踐引導(dǎo)為一體的項目案例引導(dǎo)式的教學(xué)模式，該教學(xué)模式主要采用以下方法。

1.在講授機器人發(fā)展中融入科技自信。在課程開始講解機器人發(fā)展現(xiàn)狀時，對比國外機器人和我國機器人的發(fā)展歷程，可以看到我國用了更短的時間就已經(jīng)接近了發(fā)達國家的水平，甚至在一些領(lǐng)域里實現(xiàn)反超，取得了令人矚目的成績。向?qū)W生介紹我國第一臺焊接機器人、水下機器人及大疆無人機案例等。

2.在機器人運動學(xué)、動力學(xué)內(nèi)容教授中，以新松工業(yè)機器人為例，進而列舉“大國工匠”蔣新松等人為我國先進制造業(yè)發(fā)展做出巨大貢獻的優(yōu)秀案例，激勵學(xué)生投身制造業(yè)強國建設(shè)，勇于攻堅克難，投身解決“卡脖子”關(guān)鍵科研問題，推動我國制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，成為促進行業(yè)健康向上發(fā)展的優(yōu)秀接班人。

3.在機器人控制和機器人系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容教授中，結(jié)合申請人課題組開發(fā)的坦克仿真模擬器、無人車遙控機械臂等典型案例，講授如何通過團結(jié)協(xié)作、克服困難解決國家重大需求問題。通過言傳身教的方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生明白團隊精神和不怕困難的重要作用。

4.安排學(xué)生進行機器人系統(tǒng)平臺參觀及動手實踐，使學(xué)生進一步明晰不同的機器人平臺、傳感器接口及編程環(huán)境。通過加入拓寬性仿真模擬演示實驗，向?qū)W生介紹多種工程實例，進行啟發(fā)式教學(xué)，讓學(xué)生在更多維度接觸新知識，提高學(xué)生理論和實踐結(jié)合能力和創(chuàng)新意識。

通過上述教學(xué)方法實踐，生成課程思政育人典型案例。在保持課程基本教學(xué)內(nèi)容完整的條件下，通過課堂講授、仿真模擬、案例結(jié)合、實踐引導(dǎo)等逐步開展思想政治教育，建立完善、有層次的課程思政體系，在教授課程專業(yè)知識同時，實現(xiàn)對學(xué)生的思想政治教育。

（三）建立綜合考核評價機制

進行考核評價體系改革與實踐，采用靈活多樣的課程考核形式。一方面，加大平時成績的考查力度，將課堂互動與提問納入平時成績，提高學(xué)生的課堂積極性與專注度。另一方面，以多種機器人平臺為基礎(chǔ)，采取小組合作+報告演講的模式，提高學(xué)生的團隊意識和實踐能力，啟發(fā)學(xué)生主動參與教學(xué)，鍛煉學(xué)生的知識綜合運用和解決工程實際問題的能力。在學(xué)生自由組隊和選題的同時，教師加以指導(dǎo)，幫助小組確定不同的機器人相關(guān)設(shè)計小任務(wù)。在演講匯報中，對學(xué)生的任務(wù)參與程度、講解的內(nèi)容、思想政治理解等情況進行考查，根據(jù)完成情況進行個性化指導(dǎo)和打分，使評分機制更為合理。

通過深挖“機器人設(shè)計與應(yīng)用”課程中蘊含的思政元素案例，將其從教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)資源、考核方式幾個方面融入課堂教學(xué)，以學(xué)生思想政治教育和能力培養(yǎng)為目標(biāo)，構(gòu)建項目案例引導(dǎo)式的課程思政教學(xué)模式，生成課程思政育人典型案例庫，建立完善、有層次的“機器人設(shè)計與應(yīng)用”課程思政體系，培養(yǎng)學(xué)生項目工程實踐問題的解決能力和綜合素質(zhì)，樹立和強化學(xué)生“四個自信”和科技自信。