“機(jī)器人學(xué)”課程思政建設(shè)

［摘 要］ “機(jī)器人學(xué)”是機(jī)器人工程、人工智能、自動(dòng)化等專業(yè)的核心課程，探索“機(jī)器人學(xué)”課程思政建設(shè)對(duì)相關(guān)專業(yè)“三全育人”教學(xué)模式的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和應(yīng)對(duì)人口老齡化有著重要作用?！皺C(jī)器人學(xué)”課程蘊(yùn)含了非常豐富的思政元素，從家國情懷、科學(xué)精神、工匠精神、人文關(guān)懷、哲學(xué)原理等五個(gè)方面充分挖掘了思政元素。通過巧妙的教學(xué)設(shè)計(jì)，在傳授顯性知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)行潛移默化的價(jià)值引領(lǐng)，實(shí)現(xiàn)了良好的思政育人效果。

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

［基金項(xiàng)目］ 2021年度中南大學(xué)課程思政建設(shè)研究項(xiàng)目“‘機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論’課程思政建設(shè)”（2021KCSZ033）

［作者簡(jiǎn)介］ 謝 斌（1983—），男，湖南永州人，工學(xué)博士，中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院人工智能系副教授，主要從事智能機(jī)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(xué)博士，中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院人工智能系副教授，主要從事智能機(jī)器人、機(jī)器視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)研究；萬 輝（1974—），女，河南鄧州人，工學(xué)碩士，中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院助理研究員（通信作者），主要從事計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及教學(xué)管理研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 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(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》（以下簡(jiǎn)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(jìn)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(jì)［2］和具體課程思政元素的研究成果［3-4］。

“機(jī)器人學(xué)”是機(jī)器人工程、人工智能、自動(dòng)化等專業(yè)的核心課程。中南大學(xué)從1987年開始，由蔡自興教授帶領(lǐng)教學(xué)團(tuán)隊(duì)先后為自動(dòng)化和智能科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)開設(shè)了“機(jī)器人控制技術(shù)”“機(jī)器人概論”“工業(yè)機(jī)器人”“機(jī)器人學(xué)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(xué)之一。課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)編寫了一系列機(jī)器人學(xué)教材，被全國高校廣泛使用，有力推動(dòng)了我國“機(jī)器人學(xué)”課程的普遍開設(shè)［5-7］。從2019年起，課程建設(shè)團(tuán)隊(duì)對(duì)“機(jī)器人學(xué)”課程開啟了課程思政建設(shè)教學(xué)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(jī)器人學(xué)”課程簡(jiǎn)介

機(jī)器人學(xué)是一門高度交叉的前沿學(xué)科，集機(jī)械工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論與控制工程學(xué)、電子工程學(xué)、傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)、社會(huì)學(xué)等諸多學(xué)科知識(shí)之大成，是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的新技術(shù)?！皺C(jī)器人學(xué)”課程主要介紹機(jī)器人學(xué)基本原理與技術(shù)，尤其是機(jī)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(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握通用工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械手）的基本原理、結(jié)構(gòu)、操作及編程等方法，學(xué)會(huì)機(jī)器人控制、通信、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，達(dá)到融會(huì)貫通信息、電子、機(jī)械、傳感及控制等技術(shù)的機(jī)電一體化人才培養(yǎng)目標(biāo)。通過對(duì)這門課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人學(xué)有一個(gè)全面、深入的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，能夠極大地提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

“機(jī)器人學(xué)”課程的主要特點(diǎn)概況為新穎、有趣、學(xué)科高度交叉三點(diǎn)。世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人也不過出現(xiàn)了60余年，尚未形成完整的學(xué)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(jī)器人技術(shù)正受到越來越高的社會(huì)關(guān)注，各類新技術(shù)層出不窮，導(dǎo)致機(jī)器人學(xué)本身的教材、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)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(xué)生的需求，課程團(tuán)隊(duì)不斷更新優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

“機(jī)器人學(xué)”內(nèi)容廣泛，針對(duì)不同專業(yè)、不同學(xué)時(shí)的課程，可以在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)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(biāo)變換、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人傳感器、機(jī)器人視覺、軌跡規(guī)劃、機(jī)器人控制等內(nèi)容。其中坐標(biāo)變換以矩陣的形式處理機(jī)器人系統(tǒng)中各個(gè)物體的相對(duì)位置，是一切機(jī)器人操作的基礎(chǔ)；運(yùn)動(dòng)學(xué)以DH參數(shù)為核心，求解機(jī)器人末端位姿與關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系；動(dòng)力學(xué)主要介紹拉格朗日法和牛頓歐拉法，求解機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)與對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系；機(jī)器人傳感器分為內(nèi)傳感器和外傳感器，分別用于感知機(jī)器人內(nèi)部的位姿狀態(tài)以及外部所處的環(huán)境；機(jī)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(jī)標(biāo)定和手眼標(biāo)定是機(jī)器人視覺的兩項(xiàng)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(jī)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(jī)器人能按期望的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。對(duì)人工智能本科專業(yè)，運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人視覺和軌跡規(guī)劃是課程講授的重點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的“機(jī)器人學(xué)”課程，我們新增了機(jī)器人視覺部分的內(nèi)容，為了控制總學(xué)時(shí)數(shù)，去除了機(jī)器人編程語言等相關(guān)內(nèi)容。人工智能專業(yè)“機(jī)器人學(xué)”課程的主要教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。

二、“機(jī)器人學(xué)”課程思政設(shè)計(jì)

《綱要》指出，要深入梳理專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合不同課程特點(diǎn)、思維方法和價(jià)值理念，深入挖掘課程思政元素，有機(jī)融入課程教學(xué)，達(dá)到潤(rùn)物無聲的育人效果［1］。工學(xué)類專業(yè)課程，要在課程教學(xué)中把馬克思主義立場(chǎng)觀點(diǎn)方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來，提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問題、分析問題和解決問題的能力，注重強(qiáng)化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

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

機(jī)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(jìng)爭(zhēng)，是當(dāng)下和未來大國競(jìng)爭(zhēng)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(jī)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(jī)器人市場(chǎng)，但國產(chǎn)機(jī)器人只占據(jù)不到1/3的市場(chǎng)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(jī)器人應(yīng)用》的章節(jié)中，給學(xué)生介紹全球機(jī)器人市場(chǎng)的最新數(shù)據(jù)和發(fā)展態(tài)勢(shì)，既要為我國超大規(guī)模的市場(chǎng)感到自豪，同時(shí)也要清醒地認(rèn)識(shí)到我國在機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)上的短板，激勵(lì)學(xué)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(jī)器人技術(shù)的研究需要尊重科學(xué)，吸取全人類科技的精華和經(jīng)驗(yàn)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(jī)標(biāo)定法是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的相機(jī)標(biāo)定方法，?由中國人張正友博士于1998年提出。又如，機(jī)器人技術(shù)在星球探測(cè)中的應(yīng)用，我們可以通過探月計(jì)劃、天問計(jì)劃中星球探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，弘揚(yáng)追逐夢(mèng)想、勇于探索、協(xié)同攻堅(jiān)、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(jià)廉。我們應(yīng)通過課程實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生敬業(yè)、精益、專注、創(chuàng)新的工匠精神，進(jìn)一步提升中國制造的競(jìng)爭(zhēng)力。

機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，還存在著良好的人文關(guān)懷價(jià)值。機(jī)器人不僅可以在惡劣工種中減輕或消除勞動(dòng)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(huì)的到來，我們會(huì)面臨適齡勞動(dòng)力短缺的困境。機(jī)器人技術(shù)是應(yīng)對(duì)人口老齡化的一條可能的解決辦法。當(dāng)然，機(jī)器人本身可能帶來的社會(huì)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(jī)器人學(xué)”課程中也蘊(yùn)含了非常豐富的哲學(xué)原理。在講授相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，用哲學(xué)原理輔助進(jìn)行講解，不僅有助于學(xué)生深入理解相關(guān)概念的原理，還有助于促進(jìn)馬克思主義哲學(xué)原理在分析問題時(shí)的應(yīng)用，構(gòu)建辯證的思維模式。例如，在講授動(dòng)力學(xué)時(shí)，可以通過因果原理解釋受力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，受力是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原因，而運(yùn)動(dòng)是受力的結(jié)果，進(jìn)而可以從原本比較晦澀的動(dòng)力學(xué)公式中理解其本質(zhì)。

從上述視角出發(fā)，我們從“機(jī)器人學(xué)”每個(gè)章節(jié)中都挖掘了若干思政元素點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，各章節(jié)的課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)如表1所示。

三、課程思政建設(shè)思考

我們從2019年起開始對(duì)“機(jī)器人學(xué)”課程進(jìn)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(yàn)可以借鑒，到一點(diǎn)點(diǎn)生搬硬套其他課程的思政設(shè)計(jì)，再到思政元素的不斷深入挖掘，進(jìn)而逐步凝練出愛國主義、科學(xué)精神、工匠精神、人文關(guān)懷、哲學(xué)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(diǎn)思考不一定全面準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化

教育部對(duì)中小學(xué)課程制訂了統(tǒng)一的課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，盡可能保障了不同地區(qū)教育的均衡化。但在大學(xué)階段，由于辦學(xué)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(biāo)準(zhǔn)，各校的課程標(biāo)準(zhǔn)一般由各專業(yè)培養(yǎng)方案和對(duì)應(yīng)課程大綱確定?，F(xiàn)階段課程思政建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)設(shè)計(jì)、課件及隨堂聽課等形式檢查，確保課程思政進(jìn)入授課的全環(huán)節(jié)。

（二）課程思政建設(shè)的核心在于恰當(dāng)思政元素點(diǎn)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(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。良好的思政元素點(diǎn)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(qiáng)的例子進(jìn)行思政講解，其效果只會(huì)適得其反。

（三）良好的課程思政教育效果需要進(jìn)行精心的教學(xué)設(shè)計(jì)

從教學(xué)內(nèi)容中發(fā)掘思政元素點(diǎn)后，還需要精心設(shè)計(jì)具體的引入形式和講解方式，確保思政教育潤(rùn)物無聲和恰如其分。案例講解、播放視頻和師生互動(dòng)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(diǎn)睛的效果，才是課程思政應(yīng)追求的目標(biāo)。

（四）課程思政內(nèi)容有待于進(jìn)入教材，推動(dòng)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(xiàng)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(duì)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(huì)在更大范圍內(nèi)促進(jìn)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(duì)“機(jī)器人學(xué)”課程進(jìn)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(xué)精神、工匠精神、人文關(guān)懷、哲學(xué)原理等五個(gè)方面的思政要素。在傳授顯性知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)行潛移默化的價(jià)值引領(lǐng)。

下一步我們將嘗試將課程思政內(nèi)容引入《機(jī)器人學(xué)》教材中去，為更大范圍地推動(dòng)我國“機(jī)器人學(xué)”課程的思政建設(shè)水平做出貢獻(xiàn)。課程思政教育效果的評(píng)價(jià)是另一項(xiàng)很有意義的研究，通過科學(xué)的評(píng)價(jià)可以對(duì)課程思政建設(shè)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。本文提出的思政要素不僅可以在機(jī)器人學(xué)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(xiàn)

［1］教育部.關(guān)于印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》的通知：教高〔2020〕3號(hào)［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(jì)要在六個(gè)方面下功夫［J］.中國高等教育，2019（23）：18-20.

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［5］蔡自興.機(jī)器人原理及其應(yīng)用［M］.長(zhǎng)沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1988：20-24.

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

［7］蔡自興，謝斌.機(jī)器人學(xué)［M］.4版.北京：清華大學(xué)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