“机器人学基础”课程思政教学改革与实践

2023-03-14唐春怡李克讷王世刚陆晶晶

华章 2023年10期

唐春怡李克讷王世刚陆晶晶

[摘要]本文以机器人工程专业核心课程——“机器人学基础”课程为例，从思政教育角度出发在教学方法、教学手段、创新实践教学、多元化考核体系上进行探索，着力解决机器人工程专业人才培养和教育教学中的突出问题，努力构建以思政教育为导向、集教与学于一体的教学新模式，有效推进自主探究与思政融合的模式。这对于提高学生的学习兴趣、知识应用能力、探究思维能力、创新实践能力和就业竞争力具有重要意义。

[关键词]机器人学；思政教育；改革与实践

一、前言

机器人学基础课程是机器人工程专业的核心课程。本课程主要介绍机器人技术的产生、发展趋势，以及机器人学相关知识原理和概念。通过学习使学生深入理解机器人学的正逆运动学和轨迹规划方法和原理，更重要的是能培养学生运用机器人学的基础理论来对机器人进行建模、设计轨迹规划方案及对运动方案进行求解的应用能力、树立理论联系实际的科学观点，为学生学习后续课程打下良好基础。

随着中国特色社会主义进入新时代，中华民族正走向伟大复兴。在这个关键时刻，国家培养的接班人和建设者更应具备坚定的政治立场和高尚的思想品德[1]。国内高校近年来的课程改革不仅重视教学模式的改革和学生学习效率的提高，而且越来越重视思想政治教育的发展与功能的发挥。在党的二十大精神指引下，如何提升思想政治教育的有效性、實现立德树人目标是当下国内各高校都在思考和推进的课题[2]。因此，思政教育不能局限于形式，而是应该从根本内容上下功夫，从整体上体现习近平新时代中国特色社会主义思想，然后根据不同的教育对象因材施教调整具体的教育内容[3]。

2016年，工业和信息化部、国家发展改革委、财政部等三部委联合印发了《机器人产业发展规划（2016-2020年）》，旨在加快中国制造的步伐。笔者所在学校作为应用型地方本科院校，努力创新办学体制，紧跟国家的办学政策，积极筹建机器人工程专业并于2017年开始招收本科学生。“机器人学基础”作为本专业承前启后的专业核心课程，在过去几年的教学经验中，我们坚持教与学的开展以思政教育为导向，即先由思政引导，再以学定教、学生主动参与，从而达到自主协作和探索创新。这不仅为解决机器人工程专业人才培养和教育教学中的突出问题做了良好示范，还能有效推进自主探究与思政的融合。

二、机器人学基础课程思政目标

机器人学基础作为专业核心基础课程，起着奠定专业根基、引领专业方向的重要作用。课程紧紧围绕立德树人这一根本任务，实现课程思政对知识、能力、素养全过程覆盖，达成以思政教育为导向，教与学一体的课程教学形式。因此，由课程总体目标分解到各分目标可体现为：

（一）知识目标：认知和理解机器人D-H参数建模的基本原理和基础知识，掌握机器人运动学、动力学和轨迹规划原理和计算方法，掌握移动机器人、多机器人协作和并联机器人等机器人基本技术。

（二）能力目标：对给定机器人，能根据机器人结构参数，对机器人进行D-H参数建模，并建立运动学和动力学方程和轨迹规划方程。能根据实际要求，通过文献研究以恰当选择D-H参数建模方法来分析机器人结构。

（三）素养目标：通过与时俱进的知识更新与教学体验，培养自学能力和工匠精神，引导创新思维，强化社会责任意识和国际化视野。

知识目标涵盖马克思主义辩证唯物论、树立社会主义核心价值观等；能力目标涵盖弘扬爱国主义精神、工匠精神等；素养目标涵盖坚持理想信念、坚持道路自信、创新精神等。

三、课程教学方式和思政内容设计

教学过程可以通过案例讨论课题、混合式课堂、网络课程等，联合多元教学方式和手段，将机器人学基础课程融入思政教学内容，从而实现多样化、渗透性和嵌入式的课程思政教育：1）启发式课堂教学，包括启发式提问、引导提问、知识难点与观点解析，激发学习兴趣、培养自学能力、引导创新思维，达到知识传授、价值引领和能力培养的统一；2）课堂思辨式讨论，结合PPT课件各类资讯链接与文献观点解析，提出思辨主题，分组讨论总结；3）引入网络教辅平台，如雨课堂等，通过学习群推送学习强国、机器人专业网站、国家实践赛事等，进行课后线上线下讨论。

结合笔者所在学校新工科建设的指导，对原有教学大纲、教案和多媒体材料进行修订和完善，将课程德育目标与教学目标有机结合，将社会主义核心价值观、家国情怀、社会责任、工匠精神、创新精神、实践能力等内容融入课程，进行以思政教育为导向的集教与学为一体的教学设计。本课程分为八个章节，以此为探究对象，结合课程思政育人目标，预期探讨的授课形式和教学方法在思政教学方面的实施规划如下：

（一）第1章绪论本章的课程目标为：了解机器人学产生和发展过程，掌握机器人的定义和机器人组成结构以及分类，熟悉当今机器人的应用领域和热点问题。其中德育目标为：树立社会主义核心价值观，激发学生的爱国热情与社会责任感。围绕目标设计的思政融入点为当前中美贸易战的相关讨论。例如：美国为了打压我国的高新技术发展，将我国以机器人技术为代表的高新技术领域列入贸易战打击名单，由此引入到当今大学生如何做到技术自强等问题的讨论。教学方法和途径为：1）通过线上平台，如雨课堂做课前时事调查问答；2）以时事新闻作为课前热身，由此切入课程主题；3）以相关时政新闻或知识点背景引入知识点，进行启发和讨论，再结合课程知识点开展课堂讨论，增进学生对落后就要挨打的认识，增强民族忧患意识；4）课后实践则提倡学以致用，要求学生阅读相关文献。

（二）第2章机器人的本体结构设计本章的课程目标为：了解机器人的本体结构、驱动器、传感器、机器人视觉和机器人控制等；掌握机器人的驱动与传动的基本类型和基本方法；理解机器人系统各部分的基本设计方法。围绕目标设计的思政融入点为：以本专业历届毕业生在工作中的实际设计案例培养自主学习能力、实践能力和工匠精神。例如：由历届毕业生亲自介绍四足机器人控制器的实际设计。从分析到设计制作，每一步都实事求是、精益求精，由此激发学生的学习动力和对实现个人价值的向往。教学方法和途径为：1）课前线上预习知识点；2）以实际案例引入知识点进行课堂启发、讨论，再结合课程知识点开展课堂讨论，了解做设计如何达到精益求精；3）课后实践；4）学以致用，选择实际案例提出合理的设计步骤。

（三）第3章机器人运动学本章的课程目标为：了解机器人建模的基本形式，理解坐标变换的数学推理、D-H参数和正逆运动学的基本理论，掌握机器人运动学模型的建立和逆运动学方程的求解，围绕目标设计的思政融入点为以我国机器人技术发展作为融入点，以此激发学生的学习动力与工匠精神精神。例如：我国古代发明了木牛流马等技术，但随着西方国家的文艺复兴等运动，使得我国与国际上的先进技术不断拉开差距，由此引入到当今大学生如何自强不息，发扬奋斗精神等问题的讨论。教学方法和途径为：1）播放工业机器人运动相关视频，由此切入课程主题；2）以相关的时政新闻或知识点为背景，引入知识点进行启发和讨论，再结合课程知识点开展课堂讨论了解我国在该技术的掌握上的优势与劣势；3）课后实践；4）学以致用，要求学生参加相关的学科竞赛；5）以精益求精的态度完成课程实验。

（四）第4章机器人静力学及动力学分析本章的课程目标为：了解机器人动力学建模的基本形式，掌握速度雅可比矩阵与速度分析方法，掌握机器人静力学和动力学的分析方法。围绕目标设计的思政融入点为与学生共勉，克服畏难情绪，坚定“四个自信”，攻克难关保持前进动力。以美国波士顿动力公司的机器狗例子做为引入点，在课程知识点的讲授过程中，穿插我国在革命战争期间经受的一次次苦难，由此与学生共勉，共同攻克理论学习的难点。教学方法和途径为：1）播放工业机器人搬运和其它工业操作视频，由此切入课程主题；2）以相关的时政新闻或知识点为背景，引入知识点进行启发和讨论，再结合课程知识点开展课堂讨论如何保持艰苦奋斗作风，攻下动力学的重点难点，通过线上教辅平台，如雨课堂巩固本章学习内容；3）克服难点，完成课程实验。

（五）第5章机器人的轨迹规划本章的课程目标为：理解机器人运动的基本概念，了解多点数值插值方法。掌握机器人的关节空间和笛卡尔空间运动规划。掌握运动规划的方法。围绕目标设计的思政融入点为鼓励学生注意观察，对所见所闻要及时分析，充分吸收已有的先进技术以充实自己，激发创新动力。以爱国热情与历史复兴重任为导向，鼓励学生规划好自己的人生，发扬创新精神，努力为建设国家添砖加瓦。例如：结合机器人为完成指定任务，必须事先规划好末端轨迹、速度和加速度，以实现操作的平稳性。教学方法和途径为：1）课前完成雨课堂相关知识点和时事讨论问答；2）以相关的时政新闻或知识点为背景，引入知识点进行启发和讨论，重温“不忘初心、牢记使命”的精神，结合课程知识点分小组开展课堂讨论保持机器人轨迹规划的出发点和目标点，做好轨迹规划，使得中间过程衔接更平稳；3）课后实践；4）学以致用，要求学生课后通过线上平台，如雨课堂巩固所学内容，或对所学内容总结拓展，形成主题小结汇报；5）完成课程实验，探索、创新。

（六）第6章移动机器人本章的课程目标为：了解移动机器人的类型及特点，理解轮式移动机器人的运动分析，理解其它类型的移动机器人的设计并进行运动分析。围绕目标设计的思政融入点为关注国家高新技术，如航天航空、探测领域事业，引导学生如何在受限条件下利用高新技术实现人类尚未能亲临探究的领域，同时避免生态的破坏，加强安全、节能、环保意识，从实际出发分析、解决工程实际问题。教学方法和途径为：1）课前查阅相关资料，由此切入课程主题；2）以相关的太空探测、环境微量探测或知识点背景引入知识点进行启发和讨论，再结合课程知识点，开展课堂讨论。例如：如何在受限条件下利用高新技术实现人类尚未能亲临探究的领域、移动机器人的设计如何发挥作用等，再通过作业练习巩固本章学习内容；3）克服难点，完成课程实验。

（七）第7章机器人协调运动本章的课程目标为：了解机器人协调运动的类型及特点，理解双机器人的协调运动情况，理解多指灵巧手的协调运动情况。围绕目标设计的思政融入点为从康复医学需求方面，引入社会服务的需求对应高科技研究方向，加强社会责任感，提高为社会服务的主观能动性，了解社会健康事业。教学方法和途径为：1）课前查阅相关资料，由此切入课程主题；2）以相关的康复医学方面或知识点背景引入知识点进行启发和讨论，再结合课程知识点开展课堂讨论。例如：如何理解机器人的协调运动设计与人的手臂或腿脚更符合实际应用，通过作业练习巩固本章学习内容；3）完成课程实验。

（八）第8章并联机器人本章的课程目标为：了解并联机器人的定义与特点和典型的并联机构，理解并联机构自由度的计算，掌握并联机构的位置分析。围绕目标设计思政融入点。以某个工程为例，让学生意识到团队合作的意义，增强团隊合作精神，明晰工程中分工与合作对生产效率的提高具有重要作用。教学方法和途径为：1）课前查阅相关资料，由此切入课程主题；2）以相关的工程生产事例或知识点为背景，引入知识点进行启发和讨论，再结合课程知识点开展课堂讨论，例如：类比机器人的并联与团队合作的优势及如何克服出现的困难，通过课后思考题巩固本章学习内容；3）完成课程实验。

四、机器人学基础课程考核评价

课程教学应对课程目标达成的效果进行综合评价。因此，对考核方式的改革将从以期末考试为主要方式的课程考核，修订为平时成绩占比20%、期末考试占比50%、实验占比30%。平时成绩再进一步细化，着重考查学生平时在出勤、互动讨论、作业测试、课后拓展或实践小结汇报等方面，如积极完成雨课堂线上任务每次加1分、积极参加分组讨论每次加1分、课后完成拓展项目或小结汇报每项加2分，完成优秀的组另加分。

结束语

“机器人学基础”课程作为的机器人技术领域的一门专业课程，具有很强的思政特点，适合开展思政教育改革。将课程教学目标的教育性、知识性、技能性相互交融，将学生的专业知识技能与激发家国情怀、社会责任感等进行有机结合，改变传统的灌输式教学模式，引入雨课堂等教学平台及启发式、嵌入式等教学手段，结合国际形势和机器人技术的发展趋势，通过思政教育引导，让学生了解自己肩负的时代责任，激发学生的学习动力。随着思政元素在教学中融入，通过改革考核项目分类和成绩比例的分配等，不仅有助于优化考核方式和细化考核标准，还有利于提升思政成效。

参考文献

[1]刘敏，王耀南，张小刚，等.机器人领域三维协同育人体系构建与实践[J].高教学刊.2023，9（22）：1-4.

[2]郭萍，周向，杜丁香.“工业机器人应用”课程思政案例设计与探索[J].机电技术.2022（6）：45-51.

[3]崔吉，黄丽娟，张欣雨.工业机器人专业实训类课程思政教育研究与实践[J].中国现代教育装备.2022（21）：45-51.

作者简介：唐春怡（1982— ），女，汉族，广西梧州人，广西科技大学自动化学院，副教授，博士。

研究方向：机器人技术教学。

陆晶晶（1991— ），女，壮族，广西百色人，广西科技大学自动化学院，讲师，博士。

研究方向：新能源汽车能量管理。

王世刚（1970— ），男，汉族，辽宁建平人，广西科技大学自动化学院，教授，硕士。

研究方向：机器人技术研究。

李克讷（1978— ），男，汉族，广西贵港人，广西科技大学自动化学院，副教授，博士。

研究方向：机器人技术。