“機器人學”課程思政建設(shè)

［摘 要］ “機器人學”是機器人工程、人工智能、自動化等專業(yè)的核心課程，探索“機器人學”課程思政建設(shè)對相關(guān)專業(yè)“三全育人”教學模式的實現(xiàn)具有重要意義。機器人技術(shù)發(fā)展迅速，對制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和應(yīng)對人口老齡化有著重要作用。“機器人學”課程蘊含了非常豐富的思政元素，從家國情懷、科學精神、工匠精神、人文關(guān)懷、哲學原理等五個方面充分挖掘了思政元素。通過巧妙的教學設(shè)計，在傳授顯性知識的同時，進行潛移默化的價值引領(lǐng)，實現(xiàn)了良好的思政育人效果。

［關(guān)鍵詞］ 機器人學；課程思政；家國情懷；人文關(guān)懷；科學精神

［基金項目］ 2021年度中南大學課程思政建設(shè)研究項目“‘機器人學導(dǎo)論’課程思政建設(shè)”（2021KCSZ033）

［作者簡介］ 謝 斌（1983—），男，湖南永州人，工學博士，中南大學自動化學院人工智能系副教授，主要從事智能機器人、智能網(wǎng)聯(lián)汽車和智慧醫(yī)療研究；陳白帆（1979—），女（苗族），湖南常德人，工學博士，中南大學自動化學院人工智能系副教授，主要從事智能機器人、機器視覺和機器學習研究；萬 輝（1974—），女，河南鄧州人，工學碩士，中南大學自動化學院助理研究員（通信作者），主要從事計算機科學與技術(shù)及教學管理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）29-0141-04 ［收稿日期］ 2023-03-13

2020年5月，教育部印發(fā)的《高等學校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》（以下簡稱《綱要》），要求把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量［1］。自此以后，各類高等院校掀起了一股課程思政建設(shè)熱潮，也涌現(xiàn)出一大批關(guān)于課程思政建設(shè)內(nèi)容設(shè)計［2］和具體課程思政元素的研究成果［3-4］。

“機器人學”是機器人工程、人工智能、自動化等專業(yè)的核心課程。中南大學從1987年開始，由蔡自興教授帶領(lǐng)教學團隊先后為自動化和智能科學與技術(shù)等專業(yè)開設(shè)了“機器人控制技術(shù)”“機器人概論”“工業(yè)機器人”“機器人學導(dǎo)論”等課程，至今已有30多年的歷史，是國內(nèi)最早開設(shè)該類課程的大學之一。課程建設(shè)團隊編寫了一系列機器人學教材，被全國高校廣泛使用，有力推動了我國“機器人學”課程的普遍開設(shè)［5-7］。從2019年起，課程建設(shè)團隊對“機器人學”課程開啟了課程思政建設(shè)教學改革，取得了初步的成效，相關(guān)課程思政元素和課程思政建設(shè)思路可供同類型課程參考。

一、“機器人學”課程簡介

機器人學是一門高度交叉的前沿學科，集機械工程學、計算機科學、控制理論與控制工程學、電子工程學、傳感技術(shù)、人工智能、仿生學、社會學等諸多學科知識之大成，是一項綜合性很強的新技術(shù)。“機器人學”課程主要介紹機器人學基本原理與技術(shù)，尤其是機器人的控制技術(shù)。該課程總體上以理論為指導(dǎo)，以工程為背景，緊密結(jié)合實驗，使學生掌握通用工業(yè)機器人（機械手）的基本原理、結(jié)構(gòu)、操作及編程等方法，學會機器人控制、通信、計算機視覺技術(shù)，達到融會貫通信息、電子、機械、傳感及控制等技術(shù)的機電一體化人才培養(yǎng)目標。通過對這門課的學習，使學生對機器人學有一個全面、深入的認識，培養(yǎng)學生綜合運用所學基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識進行創(chuàng)新設(shè)計的能力，能夠極大地提升學生解決復(fù)雜工程問題的能力。

“機器人學”課程的主要特點概況為新穎、有趣、學科高度交叉三點。世界上第一臺工業(yè)機器人也不過出現(xiàn)了60余年，尚未形成完整的學科體系。近年來，隨著制造業(yè)智能化和人口老齡化的發(fā)展，機器人技術(shù)正受到越來越高的社會關(guān)注，各類新技術(shù)層出不窮，導(dǎo)致機器人學本身的教材、教學內(nèi)容、實驗設(shè)備仍在快速發(fā)展中。根據(jù)技術(shù)的發(fā)展和專業(yè)學生的需求，課程團隊不斷更新優(yōu)化教學內(nèi)容。

“機器人學”內(nèi)容廣泛，針對不同專業(yè)、不同學時的課程，可以在教學內(nèi)容和教學重點方面有所取舍。以人工智能本科專業(yè)為例，主要講授了坐標變換、運動學、動力學、機器人傳感器、機器人視覺、軌跡規(guī)劃、機器人控制等內(nèi)容。其中坐標變換以矩陣的形式處理機器人系統(tǒng)中各個物體的相對位置，是一切機器人操作的基礎(chǔ)；運動學以DH參數(shù)為核心，求解機器人末端位姿與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系；動力學主要介紹拉格朗日法和牛頓歐拉法，求解機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動與對應(yīng)運動之間的關(guān)系；機器人傳感器分為內(nèi)傳感器和外傳感器，分別用于感知機器人內(nèi)部的位姿狀態(tài)以及外部所處的環(huán)境；機器人視覺是一類最為常見的外部傳感器應(yīng)用，主要用于作業(yè)環(huán)境的感知，相機標定和手眼標定是機器人視覺的兩項關(guān)鍵技術(shù)；軌跡規(guī)劃主要有關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間兩種類別，用于生成特定末端軌跡所需的關(guān)節(jié)軌跡；機器人控制采用各類經(jīng)典控制方法和智能控制方法，用于確保機器人能按期望的軌跡進行運動。對人工智能本科專業(yè)，運動學、機器人視覺和軌跡規(guī)劃是課程講授的重點。相較于傳統(tǒng)的“機器人學”課程，我們新增了機器人視覺部分的內(nèi)容，為了控制總學時數(shù)，去除了機器人編程語言等相關(guān)內(nèi)容。人工智能專業(yè)“機器人學”課程的主要教學內(nèi)容如圖1所示。

二、“機器人學”課程思政設(shè)計

《綱要》指出，要深入梳理專業(yè)課教學內(nèi)容，結(jié)合不同課程特點、思維方法和價值理念，深入挖掘課程思政元素，有機融入課程教學，達到潤物無聲的育人效果［1］。工學類專業(yè)課程，要在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養(yǎng)結(jié)合起來，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力，注重強化學生工程倫理教育，培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

根據(jù)《綱要》的要求，我們從家國情懷、科學精神、工匠精神、人文關(guān)懷、哲學原理等五個方面充分挖掘“機器人學”課程的思政元素。在傳授顯性知識的同時，進行潛移默化的價值引領(lǐng)。

機器人技術(shù)的應(yīng)用關(guān)乎全球制造業(yè)發(fā)展的國際競爭，是當下和未來大國競爭的重要領(lǐng)域。我國作為全球最大的制造業(yè)國家，正在走向高質(zhì)量發(fā)展的道路，這期間機器人技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用變得至關(guān)重要。我國已經(jīng)連續(xù)多年成為全球最大的工業(yè)機器人市場，但國產(chǎn)機器人只占據(jù)不到1/3的市場份額。除了品牌、技術(shù)積累方面的差距，核心零部件受制于人是非常重要的原因。在《緒論》和《機器人應(yīng)用》的章節(jié)中，給學生介紹全球機器人市場的最新數(shù)據(jù)和發(fā)展態(tài)勢，既要為我國超大規(guī)模的市場感到自豪，同時也要清醒地認識到我國在機器人關(guān)鍵技術(shù)上的短板，激勵學生投身基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，突破“卡脖子”技術(shù)難題。

機器人技術(shù)的研究需要尊重科學，吸取全人類科技的精華和經(jīng)驗教訓(xùn)，在新領(lǐng)域、關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域做出新的突破。例如，張正友相機標定法是計算機視覺領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的相機標定方法，?由中國人張正友博士于1998年提出。又如，機器人技術(shù)在星球探測中的應(yīng)用，我們可以通過探月計劃、天問計劃中星球探測機器人的設(shè)計和應(yīng)用，弘揚追逐夢想、勇于探索、協(xié)同攻堅、合作共贏的探月精神。

我國是全球最大的制造業(yè)國家。相比于德國制造、日本制造、美國制造，中國制造給人最大的印象在于物優(yōu)價廉。我們應(yīng)通過課程實例，培養(yǎng)學生敬業(yè)、精益、專注、創(chuàng)新的工匠精神，進一步提升中國制造的競爭力。

機器人技術(shù)的應(yīng)用，還存在著良好的人文關(guān)懷價值。機器人不僅可以在惡劣工種中減輕或消除勞動者的壓力，還可以在抗災(zāi)搜救等領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。隨著老齡化社會的到來，我們會面臨適齡勞動力短缺的困境。機器人技術(shù)是應(yīng)對人口老齡化的一條可能的解決辦法。當然，機器人本身可能帶來的社會問題（如搶占就業(yè)等）、倫理問題（如軍事應(yīng)用等），也給我們帶來了許多思辨的絕佳案例。

“機器人學”課程中也蘊含了非常豐富的哲學原理。在講授相關(guān)知識點時，用哲學原理輔助進行講解，不僅有助于學生深入理解相關(guān)概念的原理，還有助于促進馬克思主義哲學原理在分析問題時的應(yīng)用，構(gòu)建辯證的思維模式。例如，在講授動力學時，可以通過因果原理解釋受力與運動的關(guān)系，受力是產(chǎn)生運動的原因，而運動是受力的結(jié)果，進而可以從原本比較晦澀的動力學公式中理解其本質(zhì)。

從上述視角出發(fā)，我們從“機器人學”每個章節(jié)中都挖掘了若干思政元素點，進而進行了相應(yīng)的教學設(shè)計，各章節(jié)的課程思政教學設(shè)計如表1所示。

三、課程思政建設(shè)思考

我們從2019年起開始對“機器人學”課程進行思政建設(shè)的嘗試，迄今已經(jīng)經(jīng)過3年6輪的授課。從一開始幾乎沒有相關(guān)具體經(jīng)驗可以借鑒，到一點點生搬硬套其他課程的思政設(shè)計，再到思政元素的不斷深入挖掘，進而逐步凝練出愛國主義、科學精神、工匠精神、人文關(guān)懷、哲學原理等核心思政要素，初步形成了具有自身特色的課程思政體系。課程思政建設(shè)過程中也遇到不少困惑，下面幾點思考不一定全面準確，僅供相關(guān)課程的思政建設(shè)參考。

（一）課程思政的建設(shè)應(yīng)標準化、規(guī)范化

教育部對中小學課程制訂了統(tǒng)一的課程方案和課程標準，盡可能保障了不同地區(qū)教育的均衡化。但在大學階段，由于辦學層次、專業(yè)設(shè)置和師資力量的偏差過大，一直沒有統(tǒng)一的課程標準，各校的課程標準一般由各專業(yè)培養(yǎng)方案和對應(yīng)課程大綱確定。現(xiàn)階段課程思政建設(shè)的標準化規(guī)范化尚處于早期探索階段，可以嘗試先剛性要求課程思政內(nèi)容編入課程大綱，通過教學設(shè)計、課件及隨堂聽課等形式檢查，確保課程思政進入授課的全環(huán)節(jié)。

（二）課程思政建設(shè)的核心在于恰當思政元素點的挖掘

教育的本質(zhì)目的是立德樹人，專業(yè)課的主要目的在于培養(yǎng)學生的專業(yè)素養(yǎng)。良好的思政元素點應(yīng)從每次課程的具體內(nèi)容中脫穎而出，不能為了滿足課程思政的要求，在每堂課上生搬硬套思政案例，或使用非常牽強的例子進行思政講解，其效果只會適得其反。

（三）良好的課程思政教育效果需要進行精心的教學設(shè)計

從教學內(nèi)容中發(fā)掘思政元素點后，還需要精心設(shè)計具體的引入形式和講解方式，確保思政教育潤物無聲和恰如其分。案例講解、播放視頻和師生互動是較好的引入方式。思政講解無須過度展開，最好是能起到水到渠成、畫龍點睛的效果，才是課程思政應(yīng)追求的目標。

（四）課程思政內(nèi)容有待于進入教材，推動更大范圍和更高水平的思政教育

教育部提出全面開展課程思政建設(shè)的要求以來，各地各校課程思政的比賽、研究項目和教改論文，甚至專著層出不窮，但真正將課程思政內(nèi)容融入教材的還很少。優(yōu)秀教材對于提升課程質(zhì)量的作用有目共睹，如能將課程思政內(nèi)容融入未來的教材，無疑會在更大范圍內(nèi)促進課程思政建設(shè)的質(zhì)量。

結(jié)語

根據(jù)《綱要》的要求，我們對“機器人學”課程進行了課程思政建設(shè)的改革，通過思政元素的深入挖掘，逐步構(gòu)建家國情懷、科學精神、工匠精神、人文關(guān)懷、哲學原理等五個方面的思政要素。在傳授顯性知識的同時，進行潛移默化的價值引領(lǐng)。

下一步我們將嘗試將課程思政內(nèi)容引入《機器人學》教材中去，為更大范圍地推動我國“機器人學”課程的思政建設(shè)水平做出貢獻。課程思政教育效果的評價是另一項很有意義的研究，通過科學的評價可以對課程思政建設(shè)進行持續(xù)改進。本文提出的思政要素不僅可以在機器人學類課程中得到應(yīng)用，相關(guān)課程思政建設(shè)思路也可以供其他課程的思政建設(shè)參考。

參考文獻

［1］教育部.關(guān)于印發(fā)《高等學校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》的通知：教高〔2020〕3號［A/OL］.（2020-05-28）［2023-02-13］.https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-06/06/content_5517606.htm.

［2］陳華棟，蘇镠镠.課程思政教育內(nèi)容設(shè)計要在六個方面下功夫［J］.中國高等教育，2019（23）：18-20.

［3］林旭梅，朱文杰，唐旭，等.課程思政在“機器人學”課程中的應(yīng)用探索［J］.教育教學論壇，2022（11）：109-112.

［4］余娜.“工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)”課程思政教學探索［J］.南方農(nóng)機，2021，52（21）：157-159.

［5］蔡自興.機器人原理及其應(yīng)用［M］.長沙：中南工業(yè)大學出版社，1988：20-24.

［6］蔡自興.機器人學基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009：2-6.

［7］蔡自興，謝斌.機器人學［M］.4版.北京：清華大學出版社，2022：2-4.

Curriculum Ideology and Politics Construction of Robotics Course

XIE Bin， CHEN Bai-fan， WAN Hui

（School of Automation， Central South University， Changsha， Hunan 410083， China）

Abstract： Robotics is the core course of majors such as robotics engineering， artificial intelligence， automation， etc. Exploring the curriculum ideology and politics construction of robotics course is of great significance to the realization of the teaching mode of “Three-wide Education” for related majors. Robot technology develops rapidly， and it plays an important role in the high-quality development of manufacturing industry and the response to the aging population issue. The robotics course contains abundant ideological and political elements， which have been explored from five aspects， such as sense of national identity， scientific spirit， craftsman’s spirit， humanistic care， and philosophical principles. Through ingenious teaching design， it has achieved good ideological and political education effect by teaching explicit knowledge while carrying out implicit value guidance.

Key words： Robotics; curriculum ideology and politics; sense of national identity; humanistic care; scientific spirit