“機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)”課程思政教學(xué)改革與實(shí)踐

唐春怡 李克訥 王世剛 陸晶晶

[摘 要]本文以機(jī)器人工程專業(yè)核心課程——“機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)”課程為例，從思政教育角度出發(fā)在教學(xué)方法、教學(xué)手段、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)、多元化考核體系上進(jìn)行探索，著力解決機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)和教育教學(xué)中的突出問題，努力構(gòu)建以思政教育為導(dǎo)向、集教與學(xué)于一體的教學(xué)新模式，有效推進(jìn)自主探究與思政融合的模式。這對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、知識應(yīng)用能力、探究思維能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力和就業(yè)競爭力具有重要意義。

[關(guān)鍵詞]機(jī)器人學(xué)；思政教育；改革與實(shí)踐

一、前言

機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)課程是機(jī)器人工程專業(yè)的核心課程。本課程主要介紹機(jī)器人技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展趨勢，以及機(jī)器人學(xué)相關(guān)知識原理和概念。通過學(xué)習(xí)使學(xué)生深入理解機(jī)器人學(xué)的正逆運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃方法和原理，更重要的是能培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用機(jī)器人學(xué)的基礎(chǔ)理論來對機(jī)器人進(jìn)行建模、設(shè)計(jì)軌跡規(guī)劃方案及對運(yùn)動方案進(jìn)行求解的應(yīng)用能力、樹立理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)觀點(diǎn)，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下良好基礎(chǔ)。

隨著中國特色社會主義進(jìn)入新時代，中華民族正走向偉大復(fù)興。在這個關(guān)鍵時刻，國家培養(yǎng)的接班人和建設(shè)者更應(yīng)具備堅(jiān)定的政治立場和高尚的思想品德[1]。國內(nèi)高校近年來的課程改革不僅重視教學(xué)模式的改革和學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提高，而且越來越重視思想政治教育的發(fā)展與功能的發(fā)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(shí)現(xiàn)立德樹人目標(biāo)是當(dāng)下國內(nèi)各高校都在思考和推進(jìn)的課題[2]。因此，思政教育不能局限于形式，而是應(yīng)該從根本內(nèi)容上下功夫，從整體上體現(xiàn)習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想，然后根據(jù)不同的教育對象因材施教調(diào)整具體的教育內(nèi)容[3]。

2016年，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委、財(cái)政部等三部委聯(lián)合印發(fā)了《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，旨在加快中國制造的步伐。筆者所在學(xué)校作為應(yīng)用型地方本科院校，努力創(chuàng)新辦學(xué)體制，緊跟國家的辦學(xué)政策，積極籌建機(jī)器人工程專業(yè)并于2017年開始招收本科學(xué)生。“機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)”作為本專業(yè)承前啟后的專業(yè)核心課程，在過去幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中，我們堅(jiān)持教與學(xué)的開展以思政教育為導(dǎo)向，即先由思政引導(dǎo)，再以學(xué)定教、學(xué)生主動參與，從而達(dá)到自主協(xié)作和探索創(chuàng)新。這不僅為解決機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)和教育教學(xué)中的突出問題做了良好示范，還能有效推進(jìn)自主探究與思政的融合。

二、機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)課程思政目標(biāo)

機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)作為專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，起著奠定專業(yè)根基、引領(lǐng)專業(yè)方向的重要作用。課程緊緊圍繞立德樹人這一根本任務(wù)，實(shí)現(xiàn)課程思政對知識、能力、素養(yǎng)全過程覆蓋，達(dá)成以思政教育為導(dǎo)向，教與學(xué)一體的課程教學(xué)形式。因此，由課程總體目標(biāo)分解到各分目標(biāo)可體現(xiàn)為：

（一）知識目標(biāo)：認(rèn)知和理解機(jī)器人D-H參數(shù)建模的基本原理和基礎(chǔ)知識，掌握機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和軌跡規(guī)劃原理和計(jì)算方法，掌握移動機(jī)器人、多機(jī)器人協(xié)作和并聯(lián)機(jī)器人等機(jī)器人基本技術(shù)。

（二）能力目標(biāo)：對給定機(jī)器人，能根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，對機(jī)器人進(jìn)行D-H參數(shù)建模，并建立運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程和軌跡規(guī)劃方程。能根據(jù)實(shí)際要求，通過文獻(xiàn)研究以恰當(dāng)選擇D-H參數(shù)建模方法來分析機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

（三）素養(yǎng)目標(biāo)：通過與時俱進(jìn)的知識更新與教學(xué)體驗(yàn)，培養(yǎng)自學(xué)能力和工匠精神，引導(dǎo)創(chuàng)新思維，強(qiáng)化社會責(zé)任意識和國際化視野。

知識目標(biāo)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(biāo)涵蓋弘揚(yáng)愛國主義精神、工匠精神等；素養(yǎng)目標(biāo)涵蓋堅(jiān)持理想信念、堅(jiān)持道路自信、創(chuàng)新精神等。

三、課程教學(xué)方式和思政內(nèi)容設(shè)計(jì)

教學(xué)過程可以通過案例討論課題、混合式課堂、網(wǎng)絡(luò)課程等，聯(lián)合多元教學(xué)方式和手段，將機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)課程融入思政教學(xué)內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)多樣化、滲透性和嵌入式的課程思政教育：1）啟發(fā)式課堂教學(xué)，包括啟發(fā)式提問、引導(dǎo)提問、知識難點(diǎn)與觀點(diǎn)解析，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)自學(xué)能力、引導(dǎo)創(chuàng)新思維，達(dá)到知識傳授、價值引領(lǐng)和能力培養(yǎng)的統(tǒng)一；2）課堂思辨式討論，結(jié)合PPT課件各類資訊鏈接與文獻(xiàn)觀點(diǎn)解析，提出思辨主題，分組討論總結(jié)；3）引入網(wǎng)絡(luò)教輔平臺，如雨課堂等，通過學(xué)習(xí)群推送學(xué)習(xí)強(qiáng)國、機(jī)器人專業(yè)網(wǎng)站、國家實(shí)踐賽事等，進(jìn)行課后線上線下討論。

結(jié)合筆者所在學(xué)校新工科建設(shè)的指導(dǎo)，對原有教學(xué)大綱、教案和多媒體材料進(jìn)行修訂和完善，將課程德育目標(biāo)與教學(xué)目標(biāo)有機(jī)結(jié)合，將社會主義核心價值觀、家國情懷、社會責(zé)任、工匠精神、創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力等內(nèi)容融入課程，進(jìn)行以思政教育為導(dǎo)向的集教與學(xué)為一體的教學(xué)設(shè)計(jì)。本課程分為八個章節(jié)，以此為探究對象，結(jié)合課程思政育人目標(biāo)，預(yù)期探討的授課形式和教學(xué)方法在思政教學(xué)方面的實(shí)施規(guī)劃如下：

（一）第1章 緒論本章的課程目標(biāo)為：了解機(jī)器人學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展過程，掌握機(jī)器人的定義和機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)以及分類，熟悉當(dāng)今機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域和熱點(diǎn)問題。其中德育目標(biāo)為：樹立社會主義核心價值觀，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情與社會責(zé)任感。圍繞目標(biāo)設(shè)計(jì)的思政融入點(diǎn)為當(dāng)前中美貿(mào)易戰(zhàn)的相關(guān)討論。例如：美國為了打壓我國的高新技術(shù)發(fā)展，將我國以機(jī)器人技術(shù)為代表的高新技術(shù)領(lǐng)域列入貿(mào)易戰(zhàn)打擊名單，由此引入到當(dāng)今大學(xué)生如何做到技術(shù)自強(qiáng)等問題的討論。教學(xué)方法和途徑為：1）通過線上平臺，如雨課堂做課前時事調(diào)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(guān)時政新聞或知識點(diǎn)背景引入知識點(diǎn)，進(jìn)行啟發(fā)和討論，再結(jié)合課程知識點(diǎn)開展課堂討論，增進(jìn)學(xué)生對落后就要挨打的認(rèn)識，增強(qiáng)民族憂患意識；4）課后實(shí)踐則提倡學(xué)以致用，要求學(xué)生閱讀相關(guān)文獻(xiàn)。

（二）第2章機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本章的課程目標(biāo)為：了解機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動器、傳感器、機(jī)器人視覺和機(jī)器人控制等；掌握機(jī)器人的驅(qū)動與傳動的基本類型和基本方法；理解機(jī)器人系統(tǒng)各部分的基本設(shè)計(jì)方法。圍繞目標(biāo)設(shè)計(jì)的思政融入點(diǎn)為：以本專業(yè)歷屆畢業(yè)生在工作中的實(shí)際設(shè)計(jì)案例培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和工匠精神。例如：由歷屆畢業(yè)生親自介紹四足機(jī)器人控制器的實(shí)際設(shè)計(jì)。從分析到設(shè)計(jì)制作，每一步都實(shí)事求是、精益求精，由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和對實(shí)現(xiàn)個人價值的向往。教學(xué)方法和途徑為：1）課前線上預(yù)習(xí)知識點(diǎn)；2）以實(shí)際案例引入知識點(diǎn)進(jìn)行課堂啟發(fā)、討論，再結(jié)合課程知識點(diǎn)開展課堂討論，了解做設(shè)計(jì)如何達(dá)到精益求精；3）課后實(shí)踐；4）學(xué)以致用，選擇實(shí)際案例提出合理的設(shè)計(jì)步驟。

（三）第3章機(jī)器人運(yùn)動學(xué) 本章的課程目標(biāo)為：了解機(jī)器人建模的基本形式，理解坐標(biāo)變換的數(shù)學(xué)推理、D-H參數(shù)和正逆運(yùn)動學(xué)的基本理論，掌握機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型的建立和逆運(yùn)動學(xué)方程的求解，圍繞目標(biāo)設(shè)計(jì)的思政融入點(diǎn)為以我國機(jī)器人技術(shù)發(fā)展作為融入點(diǎn)，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力與工匠精神精神。例如：我國古代發(fā)明了木牛流馬等技術(shù)，但隨著西方國家的文藝復(fù)興等運(yùn)動，使得我國與國際上的先進(jìn)技術(shù)不斷拉開差距，由此引入到當(dāng)今大學(xué)生如何自強(qiáng)不息，發(fā)揚(yáng)奮斗精神等問題的討論。教學(xué)方法和途徑為：1）播放工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動相關(guān)視頻，由此切入課程主題；2）以相關(guān)的時政新聞或知識點(diǎn)為背景，引入知識點(diǎn)進(jìn)行啟發(fā)和討論，再結(jié)合課程知識點(diǎn)開展課堂討論了解我國在該技術(shù)的掌握上的優(yōu)勢與劣勢；3）課后實(shí)踐；4）學(xué)以致用，要求學(xué)生參加相關(guān)的學(xué)科競賽；5）以精益求精的態(tài)度完成課程實(shí)驗(yàn)。

（四）第4章機(jī)器人靜力學(xué)及動力學(xué)分析 本章的課程目標(biāo)為：了解機(jī)器人動力學(xué)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(jī)器人靜力學(xué)和動力學(xué)的分析方法。圍繞目標(biāo)設(shè)計(jì)的思政融入點(diǎn)為與學(xué)生共勉，克服畏難情緒，堅(jiān)定“四個自信”，攻克難關(guān)保持前進(jìn)動力。以美國波士頓動力公司的機(jī)器狗例子做為引入點(diǎn)，在課程知識點(diǎn)的講授過程中，穿插我國在革命戰(zhàn)爭期間經(jīng)受的一次次苦難，由此與學(xué)生共勉，共同攻克理論學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。教學(xué)方法和途徑為：1）播放工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)和其它工業(yè)操作視頻，由此切入課程主題；2）以相關(guān)的時政新聞或知識點(diǎn)為背景，引入知識點(diǎn)進(jìn)行啟發(fā)和討論，再結(jié)合課程知識點(diǎn)開展課堂討論如何保持艱苦奮斗作風(fēng)，攻下動力學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn)，通過線上教輔平臺，如雨課堂鞏固本章學(xué)習(xí)內(nèi)容；3）克服難點(diǎn)，完成課程實(shí)驗(yàn)。

（五）第5章機(jī)器人的軌跡規(guī)劃 本章的課程目標(biāo)為：理解機(jī)器人運(yùn)動的基本概念，了解多點(diǎn)數(shù)值插值方法。掌握機(jī)器人的關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間運(yùn)動規(guī)劃。掌握運(yùn)動規(guī)劃的方法。圍繞目標(biāo)設(shè)計(jì)的思政融入點(diǎn)為鼓勵學(xué)生注意觀察，對所見所聞要及時分析，充分吸收已有的先進(jìn)技術(shù)以充實(shí)自己，激發(fā)創(chuàng)新動力。以愛國熱情與歷史復(fù)興重任為導(dǎo)向，鼓勵學(xué)生規(guī)劃好自己的人生，發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神，努力為建設(shè)國家添磚加瓦。例如：結(jié)合機(jī)器人為完成指定任務(wù)，必須事先規(guī)劃好末端軌跡、速度和加速度，以實(shí)現(xiàn)操作的平穩(wěn)性。教學(xué)方法和途徑為：1）課前完成雨課堂相關(guān)知識點(diǎn)和時事討論問答；2）以相關(guān)的時政新聞或知識點(diǎn)為背景，引入知識點(diǎn)進(jìn)行啟發(fā)和討論，重溫“不忘初心、牢記使命”的精神，結(jié)合課程知識點(diǎn)分小組開展課堂討論保持機(jī)器人軌跡規(guī)劃的出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，做好軌跡規(guī)劃，使得中間過程銜接更平穩(wěn)；3）課后實(shí)踐；4）學(xué)以致用，要求學(xué)生課后通過線上平臺，如雨課堂鞏固所學(xué)內(nèi)容，或?qū)λ鶎W(xué)內(nèi)容總結(jié)拓展，形成主題小結(jié)匯報(bào)；5）完成課程實(shí)驗(yàn)，探索、創(chuàng)新。

（六）第6章移動機(jī)器人 本章的課程目標(biāo)為：了解移動機(jī)器人的類型及特點(diǎn)，理解輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動分析，理解其它類型的移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)并進(jìn)行運(yùn)動分析。圍繞目標(biāo)設(shè)計(jì)的思政融入點(diǎn)為關(guān)注國家高新技術(shù)，如航天航空、探測領(lǐng)域事業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生如何在受限條件下利用高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)人類尚未能親臨探究的領(lǐng)域，同時避免生態(tài)的破壞，加強(qiáng)安全、節(jié)能、環(huán)保意識，從實(shí)際出發(fā)分析、解決工程實(shí)際問題。教學(xué)方法和途徑為：1）課前查閱相關(guān)資料，由此切入課程主題；2）以相關(guān)的太空探測、環(huán)境微量探測或知識點(diǎn)背景引入知識點(diǎn)進(jìn)行啟發(fā)和討論，再結(jié)合課程知識點(diǎn)，開展課堂討論。例如：如何在受限條件下利用高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)人類尚未能親臨探究的領(lǐng)域、移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)如何發(fā)揮作用等，再通過作業(yè)練習(xí)鞏固本章學(xué)習(xí)內(nèi)容；3）克服難點(diǎn)，完成課程實(shí)驗(yàn)。

（七）第7章機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動 本章的課程目標(biāo)為：了解機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動的類型及特點(diǎn)，理解雙機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動情況，理解多指靈巧手的協(xié)調(diào)運(yùn)動情況。圍繞目標(biāo)設(shè)計(jì)的思政融入點(diǎn)為從康復(fù)醫(yī)學(xué)需求方面，引入社會服務(wù)的需求對應(yīng)高科技研究方向，加強(qiáng)社會責(zé)任感，提高為社會服務(wù)的主觀能動性，了解社會健康事業(yè)。教學(xué)方法和途徑為：1）課前查閱相關(guān)資料，由此切入課程主題；2）以相關(guān)的康復(fù)醫(yī)學(xué)方面或知識點(diǎn)背景引入知識點(diǎn)進(jìn)行啟發(fā)和討論，再結(jié)合課程知識點(diǎn)開展課堂討論。例如：如何理解機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動設(shè)計(jì)與人的手臂或腿腳更符合實(shí)際應(yīng)用，通過作業(yè)練習(xí)鞏固本章學(xué)習(xí)內(nèi)容；3）完成課程實(shí)驗(yàn)。

（八）第8章并聯(lián)機(jī)器人 本章的課程目標(biāo)為：了解并聯(lián)機(jī)器人的定義與特點(diǎn)和典型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，理解并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算，掌握并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置分析。圍繞目標(biāo)設(shè)計(jì)思政融入點(diǎn)。以某個工程為例，讓學(xué)生意識到團(tuán)隊(duì)合作的意義，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神，明晰工程中分工與合作對生產(chǎn)效率的提高具有重要作用。教學(xué)方法和途徑為：1）課前查閱相關(guān)資料，由此切入課程主題；2）以相關(guān)的工程生產(chǎn)事例或知識點(diǎn)為背景，引入知識點(diǎn)進(jìn)行啟發(fā)和討論，再結(jié)合課程知識點(diǎn)開展課堂討論，例如：類比機(jī)器人的并聯(lián)與團(tuán)隊(duì)合作的優(yōu)勢及如何克服出現(xiàn)的困難，通過課后思考題鞏固本章學(xué)習(xí)內(nèi)容；3）完成課程實(shí)驗(yàn)。

四、機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)課程考核評價

課程教學(xué)應(yīng)對課程目標(biāo)達(dá)成的效果進(jìn)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(shí)驗(yàn)占比30%。平時成績再進(jìn)一步細(xì)化，著重考查學(xué)生平時在出勤、互動討論、作業(yè)測試、課后拓展或?qū)嵺`小結(jié)匯報(bào)等方面，如積極完成雨課堂線上任務(wù)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(xiàng)目或小結(jié)匯報(bào)每項(xiàng)加2分，完成優(yōu)秀的組另加分。

結(jié)束語

“機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)”課程作為的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的一門專業(yè)課程，具有很強(qiáng)的思政特點(diǎn)，適合開展思政教育改革。將課程教學(xué)目標(biāo)的教育性、知識性、技能性相互交融，將學(xué)生的專業(yè)知識技能與激發(fā)家國情懷、社會責(zé)任感等進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，改變傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)模式，引入雨課堂等教學(xué)平臺及啟發(fā)式、嵌入式等教學(xué)手段，結(jié)合國際形勢和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢，通過思政教育引導(dǎo)，讓學(xué)生了解自己肩負(fù)的時代責(zé)任，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。隨著思政元素在教學(xué)中融入，通過改革考核項(xiàng)目分類和成績比例的分配等，不僅有助于優(yōu)化考核方式和細(xì)化考核標(biāo)準(zhǔn)，還有利于提升思政成效。

參考文獻(xiàn)

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

研究方向：機(jī)器人技術(shù)教學(xué)。

陸晶晶（1991— ），女，壯族，廣西百色人，廣西科技大學(xué)自動化學(xué)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(xué)自動化學(xué)院，教授，碩士。

研究方向：機(jī)器人技術(shù)研究。

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

研究方向：機(jī)器人技術(shù)。

基金項(xiàng)目：2023年度廣西科技大學(xué)“課程思政”教學(xué)改革與研究專項(xiàng)項(xiàng)目“機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)課程思政教學(xué)改革與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號：2023KCSZ08）。