“機器人學基礎”課程思政教學改革與實踐

唐春怡 李克訥 王世剛 陸晶晶

[摘 要]本文以機器人工程專業核心課程——“機器人學基礎”課程為例，從思政教育角度出發在教學方法、教學手段、創新實踐教學、多元化考核體系上進行探索，著力解決機器人工程專業人才培養和教育教學中的突出問題，努力構建以思政教育為導向、集教與學于一體的教學新模式，有效推進自主探究與思政融合的模式。這對于提高學生的學習興趣、知識應用能力、探究思維能力、創新實踐能力和就業競爭力具有重要意義。

[關鍵詞]機器人學；思政教育；改革與實踐

一、前言

機器人學基礎課程是機器人工程專業的核心課程。本課程主要介紹機器人技術的產生、發展趨勢，以及機器人學相關知識原理和概念。通過學習使學生深入理解機器人學的正逆運動學和軌跡規劃方法和原理，更重要的是能培養學生運用機器人學的基礎理論來對機器人進行建模、設計軌跡規劃方案及對運動方案進行求解的應用能力、樹立理論聯系實際的科學觀點，為學生學習后續課程打下良好基礎。

隨著中國特色社會主義進入新時代，中華民族正走向偉大復興。在這個關鍵時刻，國家培養的接班人和建設者更應具備堅定的政治立場和高尚的思想品德[1]。國內高校近年來的課程改革不僅重視教學模式的改革和學生學習效率的提高，而且越來越重視思想政治教育的發展與功能的發揮。在黨的二十大精神指引下，如何提升思想政治教育的有效性、實現立德樹人目標是當下國內各高校都在思考和推進的課題[2]。因此，思政教育不能局限于形式，而是應該從根本內容上下功夫，從整體上體現習近平新時代中國特色社會主義思想，然后根據不同的教育對象因材施教調整具體的教育內容[3]。

2016年，工業和信息化部、國家發展改革委、財政部等三部委聯合印發了《機器人產業發展規劃（2016-2020年）》，旨在加快中國制造的步伐。筆者所在學校作為應用型地方本科院校，努力創新辦學體制，緊跟國家的辦學政策，積極籌建機器人工程專業并于2017年開始招收本科學生。“機器人學基礎”作為本專業承前啟后的專業核心課程，在過去幾年的教學經驗中，我們堅持教與學的開展以思政教育為導向，即先由思政引導，再以學定教、學生主動參與，從而達到自主協作和探索創新。這不僅為解決機器人工程專業人才培養和教育教學中的突出問題做了良好示范，還能有效推進自主探究與思政的融合。

二、機器人學基礎課程思政目標

機器人學基礎作為專業核心基礎課程，起著奠定專業根基、引領專業方向的重要作用。課程緊緊圍繞立德樹人這一根本任務，實現課程思政對知識、能力、素養全過程覆蓋，達成以思政教育為導向，教與學一體的課程教學形式。因此，由課程總體目標分解到各分目標可體現為：

（一）知識目標：認知和理解機器人D-H參數建模的基本原理和基礎知識，掌握機器人運動學、動力學和軌跡規劃原理和計算方法，掌握移動機器人、多機器人協作和并聯機器人等機器人基本技術。

（二）能力目標：對給定機器人，能根據機器人結構參數，對機器人進行D-H參數建模，并建立運動學和動力學方程和軌跡規劃方程。能根據實際要求，通過文獻研究以恰當選擇D-H參數建模方法來分析機器人結構。

（三）素養目標：通過與時俱進的知識更新與教學體驗，培養自學能力和工匠精神，引導創新思維，強化社會責任意識和國際化視野。

知識目標涵蓋馬克思主義辯證唯物論、樹立社會主義核心價值觀等；能力目標涵蓋弘揚愛國主義精神、工匠精神等；素養目標涵蓋堅持理想信念、堅持道路自信、創新精神等。

三、課程教學方式和思政內容設計

教學過程可以通過案例討論課題、混合式課堂、網絡課程等，聯合多元教學方式和手段，將機器人學基礎課程融入思政教學內容，從而實現多樣化、滲透性和嵌入式的課程思政教育：1）啟發式課堂教學，包括啟發式提問、引導提問、知識難點與觀點解析，激發學習興趣、培養自學能力、引導創新思維，達到知識傳授、價值引領和能力培養的統一；2）課堂思辨式討論，結合PPT課件各類資訊鏈接與文獻觀點解析，提出思辨主題，分組討論總結；3）引入網絡教輔平臺，如雨課堂等，通過學習群推送學習強國、機器人專業網站、國家實踐賽事等，進行課后線上線下討論。

結合筆者所在學校新工科建設的指導，對原有教學大綱、教案和多媒體材料進行修訂和完善，將課程德育目標與教學目標有機結合，將社會主義核心價值觀、家國情懷、社會責任、工匠精神、創新精神、實踐能力等內容融入課程，進行以思政教育為導向的集教與學為一體的教學設計。本課程分為八個章節，以此為探究對象，結合課程思政育人目標，預期探討的授課形式和教學方法在思政教學方面的實施規劃如下：

（一）第1章 緒論本章的課程目標為：了解機器人學產生和發展過程，掌握機器人的定義和機器人組成結構以及分類，熟悉當今機器人的應用領域和熱點問題。其中德育目標為：樹立社會主義核心價值觀，激發學生的愛國熱情與社會責任感。圍繞目標設計的思政融入點為當前中美貿易戰的相關討論。例如：美國為了打壓我國的高新技術發展，將我國以機器人技術為代表的高新技術領域列入貿易戰打擊名單，由此引入到當今大學生如何做到技術自強等問題的討論。教學方法和途徑為：1）通過線上平臺，如雨課堂做課前時事調查問答；2）以時事新聞作為課前熱身，由此切入課程主題；3）以相關時政新聞或知識點背景引入知識點，進行啟發和討論，再結合課程知識點開展課堂討論，增進學生對落后就要挨打的認識，增強民族憂患意識；4）課后實踐則提倡學以致用，要求學生閱讀相關文獻。

（二）第2章機器人的本體結構設計 本章的課程目標為：了解機器人的本體結構、驅動器、傳感器、機器人視覺和機器人控制等；掌握機器人的驅動與傳動的基本類型和基本方法；理解機器人系統各部分的基本設計方法。圍繞目標設計的思政融入點為：以本專業歷屆畢業生在工作中的實際設計案例培養自主學習能力、實踐能力和工匠精神。例如：由歷屆畢業生親自介紹四足機器人控制器的實際設計。從分析到設計制作，每一步都實事求是、精益求精，由此激發學生的學習動力和對實現個人價值的向往。教學方法和途徑為：1）課前線上預習知識點；2）以實際案例引入知識點進行課堂啟發、討論，再結合課程知識點開展課堂討論，了解做設計如何達到精益求精；3）課后實踐；4）學以致用，選擇實際案例提出合理的設計步驟。

（三）第3章機器人運動學 本章的課程目標為：了解機器人建模的基本形式，理解坐標變換的數學推理、D-H參數和正逆運動學的基本理論，掌握機器人運動學模型的建立和逆運動學方程的求解，圍繞目標設計的思政融入點為以我國機器人技術發展作為融入點，以此激發學生的學習動力與工匠精神精神。例如：我國古代發明了木牛流馬等技術，但隨著西方國家的文藝復興等運動，使得我國與國際上的先進技術不斷拉開差距，由此引入到當今大學生如何自強不息，發揚奮斗精神等問題的討論。教學方法和途徑為：1）播放工業機器人運動相關視頻，由此切入課程主題；2）以相關的時政新聞或知識點為背景，引入知識點進行啟發和討論，再結合課程知識點開展課堂討論了解我國在該技術的掌握上的優勢與劣勢；3）課后實踐；4）學以致用，要求學生參加相關的學科競賽；5）以精益求精的態度完成課程實驗。

（四）第4章機器人靜力學及動力學分析 本章的課程目標為：了解機器人動力學建模的基本形式，掌握速度雅可比矩陣與速度分析方法，掌握機器人靜力學和動力學的分析方法。圍繞目標設計的思政融入點為與學生共勉，克服畏難情緒，堅定“四個自信”，攻克難關保持前進動力。以美國波士頓動力公司的機器狗例子做為引入點，在課程知識點的講授過程中，穿插我國在革命戰爭期間經受的一次次苦難，由此與學生共勉，共同攻克理論學習的難點。教學方法和途徑為：1）播放工業機器人搬運和其它工業操作視頻，由此切入課程主題；2）以相關的時政新聞或知識點為背景，引入知識點進行啟發和討論，再結合課程知識點開展課堂討論如何保持艱苦奮斗作風，攻下動力學的重點難點，通過線上教輔平臺，如雨課堂鞏固本章學習內容；3）克服難點，完成課程實驗。

（五）第5章機器人的軌跡規劃 本章的課程目標為：理解機器人運動的基本概念，了解多點數值插值方法。掌握機器人的關節空間和笛卡爾空間運動規劃。掌握運動規劃的方法。圍繞目標設計的思政融入點為鼓勵學生注意觀察，對所見所聞要及時分析，充分吸收已有的先進技術以充實自己，激發創新動力。以愛國熱情與歷史復興重任為導向，鼓勵學生規劃好自己的人生，發揚創新精神，努力為建設國家添磚加瓦。例如：結合機器人為完成指定任務，必須事先規劃好末端軌跡、速度和加速度，以實現操作的平穩性。教學方法和途徑為：1）課前完成雨課堂相關知識點和時事討論問答；2）以相關的時政新聞或知識點為背景，引入知識點進行啟發和討論，重溫“不忘初心、牢記使命”的精神，結合課程知識點分小組開展課堂討論保持機器人軌跡規劃的出發點和目標點，做好軌跡規劃，使得中間過程銜接更平穩；3）課后實踐；4）學以致用，要求學生課后通過線上平臺，如雨課堂鞏固所學內容，或對所學內容總結拓展，形成主題小結匯報；5）完成課程實驗，探索、創新。

（六）第6章移動機器人 本章的課程目標為：了解移動機器人的類型及特點，理解輪式移動機器人的運動分析，理解其它類型的移動機器人的設計并進行運動分析。圍繞目標設計的思政融入點為關注國家高新技術，如航天航空、探測領域事業，引導學生如何在受限條件下利用高新技術實現人類尚未能親臨探究的領域，同時避免生態的破壞，加強安全、節能、環保意識，從實際出發分析、解決工程實際問題。教學方法和途徑為：1）課前查閱相關資料，由此切入課程主題；2）以相關的太空探測、環境微量探測或知識點背景引入知識點進行啟發和討論，再結合課程知識點，開展課堂討論。例如：如何在受限條件下利用高新技術實現人類尚未能親臨探究的領域、移動機器人的設計如何發揮作用等，再通過作業練習鞏固本章學習內容；3）克服難點，完成課程實驗。

（七）第7章機器人協調運動 本章的課程目標為：了解機器人協調運動的類型及特點，理解雙機器人的協調運動情況，理解多指靈巧手的協調運動情況。圍繞目標設計的思政融入點為從康復醫學需求方面，引入社會服務的需求對應高科技研究方向，加強社會責任感，提高為社會服務的主觀能動性，了解社會健康事業。教學方法和途徑為：1）課前查閱相關資料，由此切入課程主題；2）以相關的康復醫學方面或知識點背景引入知識點進行啟發和討論，再結合課程知識點開展課堂討論。例如：如何理解機器人的協調運動設計與人的手臂或腿腳更符合實際應用，通過作業練習鞏固本章學習內容；3）完成課程實驗。

（八）第8章并聯機器人 本章的課程目標為：了解并聯機器人的定義與特點和典型的并聯機構，理解并聯機構自由度的計算，掌握并聯機構的位置分析。圍繞目標設計思政融入點。以某個工程為例，讓學生意識到團隊合作的意義，增強團隊合作精神，明晰工程中分工與合作對生產效率的提高具有重要作用。教學方法和途徑為：1）課前查閱相關資料，由此切入課程主題；2）以相關的工程生產事例或知識點為背景，引入知識點進行啟發和討論，再結合課程知識點開展課堂討論，例如：類比機器人的并聯與團隊合作的優勢及如何克服出現的困難，通過課后思考題鞏固本章學習內容；3）完成課程實驗。

四、機器人學基礎課程考核評價

課程教學應對課程目標達成的效果進行綜合評價。因此，對考核方式的改革將從以期末考試為主要方式的課程考核，修訂為平時成績占比20%、期末考試占比50%、實驗占比30%。平時成績再進一步細化，著重考查學生平時在出勤、互動討論、作業測試、課后拓展或實踐小結匯報等方面，如積極完成雨課堂線上任務每次加1分、積極參加分組討論每次加1分、課后完成拓展項目或小結匯報每項加2分，完成優秀的組另加分。

結束語

“機器人學基礎”課程作為的機器人技術領域的一門專業課程，具有很強的思政特點，適合開展思政教育改革。將課程教學目標的教育性、知識性、技能性相互交融，將學生的專業知識技能與激發家國情懷、社會責任感等進行有機結合，改變傳統的灌輸式教學模式，引入雨課堂等教學平臺及啟發式、嵌入式等教學手段，結合國際形勢和機器人技術的發展趨勢，通過思政教育引導，讓學生了解自己肩負的時代責任，激發學生的學習動力。隨著思政元素在教學中融入，通過改革考核項目分類和成績比例的分配等，不僅有助于優化考核方式和細化考核標準，還有利于提升思政成效。

參考文獻

[1]劉敏，王耀南，張小剛，等.機器人領域三維協同育人體系構建與實踐[J].高教學刊.2023，9（22）：1-4.

[2]郭萍，周向，杜丁香.“工業機器人應用”課程思政案例設計與探索[J].機電技術.2022（6）：45-51.

[3]崔吉，黃麗娟，張欣雨.工業機器人專業實訓類課程思政教育研究與實踐[J].中國現代教育裝備.2022（21）：45-51.

作者簡介：唐春怡（1982— ），女，漢族，廣西梧州人，廣西科技大學自動化學院，副教授，博士。

研究方向：機器人技術教學。

陸晶晶（1991— ），女，壯族，廣西百色人，廣西科技大學自動化學院，講師，博士。

研究方向：新能源汽車能量管理。

王世剛（1970— ），男，漢族，遼寧建平人，廣西科技大學自動化學院，教授，碩士。

研究方向：機器人技術研究。

李克訥（1978— ），男，漢族，廣西貴港人，廣西科技大學自動化學院，副教授，博士。

研究方向：機器人技術。

基金項目：2023年度廣西科技大學“課程思政”教學改革與研究專項項目“機器人學基礎課程思政教學改革與實踐”（項目編號：2023KCSZ08）。