基于課程思政案例的“機器人設計與應用”課程改革與實踐

劉 冬，杜 宇，叢 明

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

機器人是多領域交叉、多學科融合的系統，只有學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習和應用，因而“機器人設計與應用”課程是培養學生實踐能力和創新能力的良好平臺。2019年2月，中共中央、國務院印發了《中國教育現代化2035》和《加快推進教育現代化實施方案（2018—2022年）》，把立德樹人作為重點任務，要求將思想政治工作體系貫穿教學體系中。如何有效地將思想政治教育更好地融入專業課程之中，實現從“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［1，2］。

目前，企業及高校大部分首選使用的工業機器人都是外國公司生產的，容易讓學生形成慣性思維，認為我國工業機器人技術比較落后，和國外有著巨大差距。這種想法會降低學生對我國機器人領域發展的信心，也不利于提高學生解決行業問題的積極性，進而降低了未來選擇相關行業的興趣。因此，從長遠看，這會嚴重影響我國由制造業大國向制造業強國轉型的腳步。機器人相關的先進制造業需要高素質復合型人才，企業也非常注重員工的思想素質和工作態度。

本課程之前側重于專業知識教授，且授課內容大體按照教材章節的基礎內容來設計，在對學生的思想政治教育上缺乏引導。同時，當前課程學習與工程項目實踐相差較遠，對于學生綜合能力的培養效果不明顯，學生缺乏學習興趣。通過開設“機器人設計與應用”課程，要求學生能夠結合所學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，論文以學生思想政治教育和能力培養為目標，對“機器人設計與應用”課程教學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，將培養學生項目實踐解決能力和樹立學生科技自信二者相結合，全方位地將學生培養成高素質復合型人才。

一、“機器人設計與應用”課程思政教學探討

“機器人設計與應用”作為一門交叉學科的課程，面向機械類工科學生開設，意在讓學生了解機器人領域的相關技術及機器人在行業中的應用，培養學生對機器人技術的興趣，同時拓寬學生的知識面，使學生具有解決機器人技術應用領域實際問題的能力。課程涉及的內容廣泛，其中蘊含豐富的思想政治問題，在傳統的教學中往往是針對技術問題和知識點的教學，缺乏對學生在思想政治方向的引導。因此，本文在具體的機器人案例及相關人物事跡中融入思政元素，逐步形成課程思政案例庫［3］，讓學生在學習中反思，在反思中學習，更好地理解和堅定“四個自信”，增強學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 “機器人設計與應用”課程思政案例庫

（一）學術前沿與面向重大需求案例

機器人系統集成了機械電子、計算機、人工智能和虛擬現實等多種前沿技術，其技術的進步與發展將極大地改變甚至顛覆我們的生產、生活方式。2021年，機器人世界大會發布了機器人十大前沿熱點領域，包括軟體人工肌肉與智能皮膚、機器人核心部件、機器視覺、微納器件及微型執行器、虛擬現實機器人與交互、腦認知與知識圖譜、協作機器人等。這些領域代表了最近乃至未來幾年機器人技術的主要發展方向。我國機器人技術起步較晚，但近些年發展極為迅速，很多領域達到了世界領先水平，例如大疆公司的無人機等。在國家重大需求領域方面，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科學考察任務；研制的“海斗”自主遙控水下機器人，最大潛深達10 888米，均達到世界領先水平。但在工業機器人關鍵部件，如高精密減速器、高性能伺服電機和驅動器、高速高性能控制器等領域存在一些瓶頸問題仍需要攻克。通過對學術前沿與面向重大需求案例的介紹，培養學生對機器人領域的興趣與使命感，讓學生感受到國內機器人領域的蓬勃生機，扎實學生的“四個自信”［4］，同時在學習之初使學生了解機器人領域的重大需求和相關的“卡脖子”問題，引領學生在學習中探索正確的科研方向，進一步加強學生攻堅克難的勇氣和信念。

（二）具體工程實際案例

結合課題組開發的坦克仿真模擬器、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的逐步完善，以及過程中遇到的機器人系統設計、控制、調試等各方面難題，講授如何通過團隊多人團結協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親身經歷的，可以讓學生產生更多的親切感和共鳴。通過接地氣的方法，能夠提高學生學習的興趣，使學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

將機器人領域的典型事跡引入課堂中，并與實際教學內容相結合，如“大國工匠”蔣新松院士投身工業機器人事業，被譽為“中國機器人之父”。蔣新松院士領導研制出我國首臺由計算機控制的示教再現工業機器人，領導研制的“海人一號”水下機器人達到了當時世界領先水平，主持并參加了我國第一臺機器人的控制系統總體設計，在我國機器人的研究、開發、工程應用和產業化方面做出了開創性的貢獻。這些事跡激勵了一代又一代的機器人科研工作者，也會激勵學生投身科研、愛崗敬業，在技術創新中創造佳績，推動我國機器人事業進一步向前發展。

（四）工程倫理問題案例

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

二、課程思政背景下“機器人設計與應用”課程的教學設計

（一）建立綜合能力培養的教學方式

在大數據和“互聯網+”時代的今天，傳統線下面授知識的教學模式應該被進一步豐富。采用“線上線下+實踐”教學方式，課程變得更加靈活、有趣和立體，更容易讓學生接受并且積極投入［6］。將課程思政理論同網絡中機器領域新鮮有趣的視頻、音頻、圖片等相結合，進一步更新和創新教學內容，實現個性化的教學方式。為學生推薦一些優質的機器人學習網站和公眾號，增加學生的學習途徑，豐富線上學習內容的同時，學生還可以通過網站學習一些課外知識，鞏固課上知識。此外，進一步增加課堂互動和對學生運用知識能力的培養，采用自愿組隊的形式將學生分組，并為各組安排“機器人設計與應用”課程小任務，采取小組合作+報告演講的模式，在培養學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、一對一的指導和糾正。在理論講授外，安排學生進行機器人系統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式教學，讓學生多方位、立體式接觸新知識［7］，提高學生的理論和實踐結合能力和創新意識。

（二）完善課程思政案例教學內容

在教學內容方面，在原本的教學大綱中補充學術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，把課程教學知識與課程思政案例相結合，挖掘和充實案例中的思政元素［8，9］，讓學生產生共鳴；加強社會主義核心價值觀教育，提高他們對知識學習和科學研究的興趣，提升學生的綜合素質，堅定學生建設制造業強國的決心和毅力。同時，結合學校機械專業特點和需要，建立完善的、有層次的“機器人設計與應用”課程思政體系，進一步完善多媒體教學課件，將思政元素引入課堂講授、仿真模擬、案例結合、實踐引導為一體的項目案例引導式的教學模式，該教學模式主要采用以下方法。

1.在講授機器人發展中融入科技自信。在課程開始講解機器人發展現狀時，對比國外機器人和我國機器人的發展歷程，可以看到我國用了更短的時間就已經接近了發達國家的水平，甚至在一些領域里實現反超，取得了令人矚目的成績。向學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、動力學內容教授中，以新松工業機器人為例，進而列舉“大國工匠”蔣新松等人為我國先進制造業發展做出巨大貢獻的優秀案例，激勵學生投身制造業強國建設，勇于攻堅克難，投身解決“卡脖子”關鍵科研問題，推動我國制造業的技術創新，成為促進行業健康向上發展的優秀接班人。

3.在機器人控制和機器人系統設計內容教授中，結合申請人課題組開發的坦克仿真模擬器、無人車遙控機械臂等典型案例，講授如何通過團結協作、克服困難解決國家重大需求問題。通過言傳身教的方法，提高學生學習的興趣，使學生明白團隊精神和不怕困難的重要作用。

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

通過上述教學方法實踐，生成課程思政育人典型案例。在保持課程基本教學內容完整的條件下，通過課堂講授、仿真模擬、案例結合、實踐引導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，在教授課程專業知識同時，實現對學生的思想政治教育。

（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，采取小組合作+報告演講的模式，提高學生的團隊意識和實踐能力，啟發學生主動參與教學，鍛煉學生的知識綜合運用和解決工程實際問題的能力。在學生自由組隊和選題的同時，教師加以指導，幫助小組確定不同的機器人相關設計小任務。在演講匯報中，對學生的任務參與程度、講解的內容、思想政治理解等情況進行考查，根據完成情況進行個性化指導和打分，使評分機制更為合理。

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