基于思政案例的机器人设计与应用课程改革与实践

刘  冬¹，杜  宇²，丛  明¹   

（1．大连理工大学机械工程学院  辽宁大连，116024

2．大连交通大学机械工程学院  辽宁大连，116028）

[摘 要]机器人设计与应用课程涉及学科范围广泛，融入思政教育对课程改革具有重要意义。本文对该课程融入思政教育的目的及意义进行探讨，提炼机器人设计与应用课程蕴含的思政元素，总结课程相关的重大需求、工程实际、典型事迹和工程伦理等案例，有机的将蕴含思政元素的各种思政案例融入课堂教学，建立课程思政案例库。同时，设计了课程思政背景下机器人设计与应用课程的教学方法和教学内容，完善了对学生的综合考核评价方式。

[关键词]机器人设计与应用； 思政案例库； 课程思政

[项目基金] 2021年度大连理工大学研究生教改基金项目“项目案例引导的《机器人设计与应用》课程思政教学实践”（JG_2021020）。

[作者简介] 刘冬（1985-），男，辽宁鞍山人，博士，大连理工大学机械工程学院副教授，主要从事机器人技术与应用理论及教学研究；杜宇（1981-），女，辽宁沈阳人，博士，大连交通大学机械工程学院副教授（通讯作者），主要从事机器人技术与应用理论及教学研究。

[中图分类号] G642   ［文献标识码］A   [收稿日期]2022-03-22

机器人是多领域交叉、多学科融合的系统，要求学生能够综合运用机械、电子、计算机等方面知识才能更好的进行学习和应用，因而机器人课程是培养学生的实践能力和创新能力的良好平台。2019年2月，中共中央、国务院印发了《中国教育现代化2035》和《加快推进教育现代化实施方案（2018－－2022年）》，把立德树人作为重点任务，要求将思想政治工作体系贯穿于教学体系中。如何有效地将思想政治教育更好地融入到专业课程之中，实现从“思政课程”向“课程思政”的全方位育人，是高校教育工作的重要任务^[1-2]。

目前，企业及高校使用的工业机器人大部分首选都是外国公司生产，容易让学生形成惯性思维，认为中国工业机器人技术比较落后，和国外有着巨大差距。这种想法会降低学生对我国机器人领域发展的信心，也不利于提高学生解决行业问题的积极性，进而降低了未来选择相关行业的兴趣。机器人相关的先进制造业需要的是高素质复合型人才，企业会注重员工的思想素质和工作态度。因此，从长远看，这会严重影响我国由制造业大国向制造业强国转型的脚步。本课程之前侧重于专业知识教授，且授课内容大体在按照教材章节的基础内容来设计，在对学生的思政上缺乏引导。同时，当前课程学习与工程项目实践相差较远，对于学生综合能力的培养效果不明显，使得学生表现的兴趣缺乏。通过机器人设计与应用课程的学习，要求学生能够结合所学的知识分析问题并解决问题，因而单纯的讲授并不适用于这门课，需培养研究生工程观念及工程能力，使其有解决实际问题的能力。

针对上述问题，论文以学生思政教育和能力培养为目标，对机器人设计与应用课程教学方法进行探索和改革。在项目实践案例中融入思政教育，培养学生项目实践解决能力和树立学生科技自信两者相结合，全方位培养学生成为高素质复合型人才。

一、机器人设计与应用课程思政教学探讨

机器人设计与应用作为一门交叉学科的课程，面向机械类工科学生开放，意在让学生了解机器人领域的相关技术以及机器人在行业中的应用，培养学生对机器人技术的兴趣，同时拓宽学生的知识面，让学生能够具有解决机器人技术应用领域实际问题的能力。课程涉及的内容广泛，其中蕴含丰富的思政问题，在传统的教学中往往是针对技术问题和知识点的教学，缺乏对学生在思政方向的引导。因此，本文在具体的机器人案例及相关人物事迹中融入思政元素，逐步形成课程思政案例库^[3]，让学生在学习中反思，在反思中学习，更好地理解和坚定“四个自信”，增强学生攻坚克难的勇气与信念。具体思政案例如表1所示。

表 1 机器人设计与应用思政案例库

(一)学术前沿与面向重大需求案例

机器人系统集成了机械电子、计算机、人工智能和虚拟现实等多种前沿技术，机器人技术的进步与发展将极大改变甚至颠覆我们的生产、生活方式。在2021年的机器人世界大会上发布了机器人十大前沿热点领域，包括了软体人工肌肉与智能皮肤、机器人核心部件、机器视觉、微纳器件及微型执行器、虚拟现实机器人与交互、脑认知与知识图谱、协作机器人等。这些领域代表了最近乃至未来几年机器人技术的主要发展方向。我国机器人技术起步较晚，但近些年来发展极为迅速，很多领域达到了世界领先水平，例如大疆公司的无人机等。在国家重大需求领域方面，沈阳自动化所一直致力于推动水下机器人研究，主持研制的“探索4500”自主水下机器人成功完成北极高纬度海冰覆盖区科学考察任务，研制的“海斗”自主遥控水下机器人，最大潜深达10888米，均达到了世界领先水平。但在部分领域存在一些瓶颈问题需要攻克，例如工业机器人关键部件如高精密减速器、高性能伺服电机和驱动器、高速高性能控制器等。通过对这些学术前沿与面向重大需求案例的介绍，培养学生对机器人领域的兴趣与使命感，让学生感受到国内机器人领域的蓬勃生机，扎实学生的“四个自信”^[4]，同时在学习之初了解到机器人领域的重大需求和相关的“卡脖子”问题，引领学生在学习中探索正确的科研方向，进一步加强学生攻坚克难的勇气和信念。

(二)具体工程实际案例

结合课题组开发的坦克仿真模拟器、无人车遥控机械臂等典型案例，从过程到方法、从开始立项到各部分细节的逐步完善，以及过程中遇到的机器人系统设计、控制、调试等各方面难题，讲授如何通过团队多人团结协作克服苦难解决国家重大需求问题。这些工程实际案例正是老师和周围同学们亲身经历的，可以让学生有更多的亲切感和共鸣，通过接地气的方法，提高学生学习的兴趣，使学生明白团队精神和不怕困难的重要作用，提升解决重大问题的信心。

(三)典型事迹案例

将机器人领域的典型事迹引入到课堂中，并与实际教学内容相结合，如“大国工匠”蒋新松院士投身工业机器人事业，被誉为“中国机器人之父”。蒋新松院士领导研制出我国首台由计算机控制的示教再现工业机器人，领导研制的“海人一号”水下机器人达到了当时世界领先水平，主持并参加了我国第一台机器人的控制系统总体设计。他在我国机器人的研究、开发、工程应用和产业化方面做出了开创性的贡献。这些事迹激励了一代又一代的机器人科研工作者，也会激励学生投身科研、爱岗敬业，在技术创新中创造佳绩，推动我国机器人事业进一步向前发展。

(四)工程伦理问题案例

机器人的伦理问题是机器人领域的发展和实践教学中不可忽视的问题。机器人的“三大原则”是机器人伦理问题的起点，但随着机器人领域的发展，越来越多种类的机器人被研发出来，伦理问题随之变得更为复杂。在医疗机器人方面，达·芬奇手术机器人可以通过微创的方法实施复杂的外科手术，由此引出了患者安全、医患选择偏倚、过度医疗、法律责任认定等问题^[5]。我们希望赋予机器人更多人的特性，进而出现许多仿人机器人，如人形机器人，这也造成了人的肖像、声音、身材、神态等隐私权问题。通过对机器人伦理案例的探讨和讲解，让学生在未来的学习、使用或是设计制造机器人时能更多地思考人与机器的道德问题，把握好道德准绳，推动机器人领域的更好发展，培养和加强学生的道德思考能力，有助于形成正确的世界观和价值观。

二、课程思政背景下机器人设计与应用课程的教学设计

(一)建立综合能力培养的教学方式

大数据和“互联网+”时代的今天，传统线下面授知识的教学模式应该被进一步丰富。通过“线上+线下+实践”教学方式，让课程变得更加灵活、有趣和立体，更容易让学生接受并且积极投入到课程中^[6]。将思政理论同网络中机器领域新鲜有趣的视频、音频、图片等相结合，进一步更新和创新教学内容，实现个性化的教学方式。为学生推荐一些优质的机器人学习网站和公众号，增加学生的学习途径，丰富线上学习内容，同时也可以通过网站学习一些课外知识，巩固课上知识。此外，进一步增加课堂互动和对学生运用知识能力的培养，采用自愿组队的形式将学生进行分组，并为各组安排机器人设计与应用小任务，采取小组合作+报告演讲的模式，在培养学生团队合作能力的同时考察对知识运用和思政元素的认识情况，进行个性化、一对一指导和纠正。在理论学习之外，安排学生进行机器人系统平台参观及动手实践，介绍工程实例，通过多种实例进行启发式教学，让学生多方位、立体式接触新知识^[7]，提高学生理论和实践结合能力和创新意识。

(二)完善思政案例教学内容

在教学内容方面，在原本的教学大纲中补充学术前沿与面向重大需求案例、工程实际案例、典型事迹案例、工程伦理问题案例等思政案例，把课程教学知识与思政案例相结合，挖掘和充实案例中的思政元素^[8-9]，让学生产生共鸣，加强社会主义核心价值观教育，促进他们对知识学习和科学研究的兴趣，提高学生的综合素质，坚定学生建设制造业强国的决心和毅力。同时结合学校机械专业特点和需要，建立完善、有层次的机器人设计与应用课程思政体系，进一步完善多媒体教学课件，将思政元素引入到课堂讲授、仿真模拟、案例结合、实践引导为一体的项目案列引导式的教学模式。主要方法如下：

（1）在讲授机器人发展中融入科技自信。在课程开始讲解机器人发展现状时，对比国内外机器人和我国机器人的发展历程，可以看到我国用了更短的时间就已经接近了发达国家的水平，甚至在一些领域里实现反超，取得了世界领先的地位，包括我国第一台焊接机器人、水下机器人以及大疆无人机案例等。

（2）在机器人运动学、动力学内容教授中，采用新松工业机器人为例，进而例举“大国工匠”蒋新松等人为我国先进制造业发展做出巨大贡献的优秀案例，激励学生投身制造业强国建设，勇于攻坚克难，投身解决“卡脖子”关键科研问题，推动我国制造业的技术创新，为行业的健康向上发展培养优秀的接班人。

（3）在机器人控制和机器人系统设计内容教授中，结合申请人课题组开发的坦克仿真模拟器、无人车遥控机械臂等典型案例，讲授如何通过团结协作克服苦难解决国家重大需求问题，通过言传身教的方法，提高学生学习的兴趣，使学生明白团队精神和不怕困难的重要作用。

（4）安排学生进行机器人系统平台参观及动手实践，进一步清晰不同的机器人平台、传感器接口以及编程环境，加入拓宽性仿真模拟演示实验，介绍工程实例，通过多种实例进行启发式教学，让学生在更多维度接触新知识，提高学生理论和实践结合能力和创新意识。

通过上述教学方法实践，生成课程思政育人典型案例。在保持课程基本教学内容完整的条件下，通过课堂讲授、仿真模拟、案例结合、实践引导等逐步开展思政教育，建立完善、有层次的课程思政体系，在教授课程专业知识同时，实现对学生的思想政治教育。

(三)建立综合考核评价机制

进行考核评价体系改革与实践，采用灵活多样的课程考核形式。一方面，加大平时成绩的力度，将课堂互动与提问纳入平时成绩，提高学生的课堂积极性与专注度。另一方面，以多种机器人平台为基础，采取小组合作+报告演讲的模式，提高学生团队意识和实践能力，启发学生主动参与教学，锻炼知识的综合运用能力，促进学生解决工程实际问题的能力。在学生自由组队和选题的同时，老师加以指导，帮助确定不同的机器人相关设计小任务。在演讲汇报中，对学生的任务参与程度、讲解的内容、思政理解等情况进行考察，根据完成情况进行个性化指导和打分，使评分机制更为合理。 

三、总结

通过深挖机器人设计与应用课程中蕴含的思政元素案例，并将其从教学方法、手段、教学资源、考核方式几个方面融入课堂教学。以学生思政教育和能力培养为目标，构建项目案列引导式的思政教学模式，生成课程思政育人典型案例库，建立完善、有层次的机器人设计与应用课程思政体系，培养学生项目工程实践问题解决能力和综合素质，树立和强化学生“四个自信”和科技自信。

[参考文献]

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