面向新工科的海洋機器人專業教學改革探索

莊佳園 張磊 曹建 孫玉山

摘 ?要：在新工科背景下，針對哈爾濱工程大學海洋機器人專業人才培養的現狀和面臨的挑戰，以一流學科建設、一流人才培養為著眼點，根據海洋機器人專業特點，擴充學科交叉教學內容，探索“一個核心、四輪驅動、綜合評價”的教學模式。以立德樹人為核心，通過思政教育、興趣培養、科研創新、產學融合四大抓手驅動學生的主觀能動性，考慮學生個體差異，進行“發展性、過程性、形成性”三步綜合評價，做到“學與教”“實踐與雙創”有機結合、相輔相成，培養具備綜合實踐能力和創新能力的高素質復合型新工科人才。

關鍵詞：新工科；海洋機器人；立德樹人；綜合評價；教學改革

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2023）33-0037-05

Abstract： In view of the current situation and challenges of talent training of ocean vehicle in Harbin Engineering University， The course of Introduction on Ocean Vehicle expands the interdisciplinary teaching content， and proposes the teaching mode of "one core， four wheel， comprehensive evaluation" with the focus on the first-class discipline construction and first-class talent training in the development of Emerging Engineering Education （3E）. With cultivating morality and talent as the core， students' subjective initiative is driven through ideological and political education， interest cultivation， scientific research and innovation， and industry-education integration. Considering students' individual differences， the three steps comprehensive evaluation of "development， process， and formation" is carried out to achieve the organic combination and complement of "learning and teaching"， "practice and innovation， entrepreneurship". The goal is to cultivate high-quality 3E talents with strong practical ability， strong innovation ability and strong international competitiveness.

Keywords： emerging engineering education; ocean vehicle; cultivating morality and talent; comprehensive evaluation; teaching reform

2017年以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設[1-3]。新工科建設需要重點把握學與教、實踐與創新創業、本土化與國際化三個任務，關鍵在于實現立法保障、擴大辦學自主權、改革教育評價體系三個突破[4]，如圖1所示。

新工科（Emerging Engineering Education，3E）是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向。新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才，具有戰略型、創新性、系統化、開放式的特征。

哈爾濱工程大學海洋機器人專業于2018年獲準設立，這是我國首個也是當前唯一一個海洋機器人專業。海洋機器人專業深度結合學?！叭Ｒ缓恕碧厣?，依托水下機器人技術重點實驗室等優勢平臺，以培養“具有良好的思想道德素質、人文科學修養和創新意識，適應社會經濟發展與國防建設需要，德智、體全面發展，具有扎實的人工智能、控制、力學基礎，掌握海洋機器人基本理論和專業知識，具備從事相關行業工作所需技能，能夠勝任海洋機器人研究、設計、建造等工作的一流工程師、行業領軍人才和科學家”為目標，全面推進“雙一流”建設工作。教學團隊結合海洋機器人專業特點及本科生課程海洋機器人專業導論與研究生課程海洋機器人平臺技術的教學實踐，對該課程的教學內容和教學方式進行改革探索。

一 ?以“立德樹人”為根本任務，多學科交叉擴充教學內容

海洋機器人專業主要研究智能水下機器人、遙控水下機器人、水面無人艇等海中無人平臺的基礎理論和應用技術，是一門將水動力分析、控制技術、傳感器技術、人工智能和計算機仿真等高科技手段綜合運用于海洋領域的新興交叉學科。海洋機器人專業導論及海洋機器人平臺技術分別作為海洋機器人專業本科生、碩士研究生的第一門專業課，不僅學術性和專業性需要仔細斟酌，激發學生的專業興趣和主觀能動性，更要在內容上進一步豐富拓展，為同學們建立海洋機器人學科的基本知識框架的同時，培養同學們為中華民族偉大復興的中國夢做出積極貢獻的信心和決心。

圖1 ?新工科建設的內涵與行動指導

課程組以“立德樹人”為根本任務，育才先育人，將家國情懷融入本科生及研究生人才培養全過程。海洋機器人作為深海裝備，為進入、認識深海，開發利用深海油氣、礦產、自然和生物資源提供技術裝備，之前一直是由美國、日本等國領跑，直到中國蛟龍號作業型載人潛水器的成功，極大地拓展了人類探索海洋的深度和廣度，也在世界發出了中國聲音[5-6]。以第一艘核潛艇設計工作總體顧問鄧三瑞、水下機器人技術重點實驗室創建人徐玉如、為祖國“深潛”三十年的黃旭華等老一輩科學家“為國鑄劍、精忠報國”的感人事跡和愛國情懷，把愛國主義的種子埋在學生心中；以“蛟龍”號、“奮斗者”號、歷代“智水”號、全海深AUV“悟空”號和“天行一號”USV等科研成果為例，介紹海洋機器人學科對提升我國海洋裝備、建設海洋強國的作用，以及海洋機器人的發展現狀和未來發展趨勢，灌溉學生心中的愛國之樹。

海洋機器人將人工智能、自主控制、模式識別、信息融合與理解以及系統集成等技術應用于傳統的海洋運載體上，自主地完成復雜海洋環境中的預定任務，是一項技術密集性高、系統性強的工程[7]。顯然，單個傳統學科專業所教授的知識不足以滿足海洋機器人方向人才培養的需求。針對多學科交叉特色，課程組以學科交叉點為知識增長點，擴充專業知識。

在海洋機器人專業導論課堂上，通過引導學生解構某仿生類海洋機器人，同學們通過小組討論，凝練了總體技術、運動機理及其機構實現、海洋仿生形態與行為、仿生感知技術、仿生智能技術、仿生材料六大關鍵問題。通過探索各個問題對應的基礎理論，尋求多學科協同的整體技術及各分支之間的內在聯系。以海洋機器人與人工智能交叉點為例，在課堂上，通過工業案例引導，同學們紛紛發表自己的見解：“為了滿足未來民用和軍用的需求，水下機器人需要具備足夠的自主能力以保證其能夠在作業過程中根據周圍形勢的變化及時作出正確的決策”“自主能力的增強將會大大提高水下機器人系統作業的效率，降低風險，適時根據自身狀態及外部環境的變化作出調整，從目前腳本式智能轉變為自適應智能”“智能水下機器人的自主性是指在很長時間內沒有人員的輸入系統仍能夠運行，在完成指派任務并在適當會合點成功回收。這是水下機器人具有的感覺、認知、分析、通信、規劃、決策和行動的能力”等等?？梢?，學科的交叉點不是生搬硬套，而是在專業發展的需求下發展、演化的，是符合科學發展規律的，是同學們可以通過思考找到關聯及必要性的。

海洋機器人平臺技術是研究生課程，不僅要關注基礎知識的掌握，更要達成解決問題能力的培養，實現新工科背景下多學科、多領域交叉融合培養，推進本研貫通培養[8]。課程組通過“小組實踐-全體提問”的形式推進課程內容，以各個小組之間的交叉碰撞促進學科與學科之間的交叉融合?；诤Ｑ髾C器人系統構成，按照功能將整個海洋機器人系統劃分為動力與推進系統、智能控制系統、環境感知系統、監控系統、導航通信系統、任務載荷系統和布放回收系統等子系統，如圖2所示。每個研討小組對應每個子系統，進行現狀及關鍵技術凝練，并完成對其他小組答疑。學習和過程以學生為教學主體，面向實際問題，完成從“總體（海洋機器人）到局部（功能子系統），再交叉（教學內容增長點）”的教學過程，打破學科理論體系的完整性和眾多分散學科的獨立性，通過以工程設計為核心的課程流“串聯”起不同學科的知識模塊，循序漸進地搭建起完整的海洋機器人知識體系；在開放、柔性的學習體驗中訓練跨界技能和系統性思維。

學科的交叉與系統的集成，不僅豐富了海洋機器人專業導論、海洋機器人平臺技術等課程的講授內容，也進一步響應了新工科對學科實用性、交叉性和綜合性的要求；通過啟發學生的學科交叉視野，提高了學生的學習興趣和創新能力，激發了學生學習的內在驅動力。

二 ?“一核四輪、綜合評價”教學模式探討

（一） ?海洋機器人專業人才培養面臨的重大挑戰

新工科建設行動路線著眼于國家“兩個一百年”的奮斗目標和中華民族偉大復興中國夢的宏偉設想，哈爾濱工程大學面向新工科建設背景，以國家需求為牽引，以培養頂用可靠人才為出發點，大力發展海洋機器人專業，主動應對新一輪科技革命與產業變革，并支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略，為實現“兩個一百年”奮斗目標和中華民族偉大復興的中國夢做出積極貢獻。在海洋機器人專業人才培養過程中，面臨以下挑戰。

1 ?“學與教”任務及其挑戰

新工科將“學與教”作為第一項主要任務，更強調的是探索以學生為本，注重學生個性發展的新模式，使學生能夠掌握對知識探索的正確方法。因此，必須下大力氣改變傳統的“老師滿堂灌，學生不動腦”教學模式，將學生“被動學”轉化為“主動學”。

2 ?“實踐與雙創”任務及其挑戰

受傳統教育理念的制約影響，我國大學生群體在科研實踐活動中普遍缺少懷疑精神[9]，缺少進行獨立思考的能力，不善于提出問題，而是習慣于被動接受和服從于教師指導，創新意識、創新精神不足。而海洋機器人專業的培養目標是“創新型的綜合人才”，如何“幫助學生獨立思考、發現問題，鼓勵學生提問問題，并引導學生合作解決問題”是海洋機器人專業人才培養中面臨的又一挑戰。

3 ?“本土化與國際化”任務及其挑戰

習近平總書記多次強調，“辦好中國的世界一流大學，必須有中國特色”“扎根中國大地辦大學”。新工科建設必須堅持面向國家重大戰略需求和國民經濟主戰場，探索同我國歷史、國情、文化更加適應，同我國發展的現實目標和未來方向更加緊密的工程教育體制機制，為人民服務，為中國共產黨治國理政服務，為鞏固和發展中國特色社會主義制度服務，為改革開放和社會主義現代化建設服務，向世界發出中國聲音。海洋機器人專業作為本校圍繞“一帶一路、海洋強國、走向深藍”等國家總體布局的發力點，必須做到在教導學生學習先進理論知識的同時，既要拓展學生的全球視野，更要樹立道路自信、理論自信、制度自信、文化自信，培養家國情懷。

（二） ?“一核四輪、綜合評價”應對挑戰

“授人以魚，不如授人以漁”，傳統的人才培養上側重于基本理論和基本知識的教學，開展實踐教學和培養學生創新意識和能力的力度不夠[10]。為了應對海洋機器人專業建設中面臨的以上挑戰，使所培養的學生成為有能力的卓越人才，課程組嘗試了“一個核心、四輪驅動、綜合評價”的教學模式。即以立德樹人為核心，通過思政教育、興趣培養、科研創新、產學融合四大抓手驅動學生的主觀能動性，考慮學生個體差異，進行“發展性、過程性、形成性”三步綜合評價。

1 ?思政教育方面

堅持“思政課程”與“課程思政”同向同行[11]，引導學生關注時事政治及社會熱點，了解“海洋強國”“交通強國”等國家戰略，比如：在講解海洋機器人動力系統時，強調習近平主席第七十五屆聯合國大會上宣布中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和的決定。這體現了我國為保護全球環境展現的大國擔當，也對我國海洋裝備的發展提出了更高的要求。同學們也在討論思考后，提出了采用波浪能、仿生技術等技術手段進行節能減排。

通過“家國情懷教育”教導學生要擁有堅定的理想信念、高尚的道德修養、健康的人格品質，引導學生立志扎根祖國、報效人民，將自己個人夢想與理想融入到國家和民族復興的偉大事業中，用實際行動為實現中華民族偉大復興的中國夢做出自己應有的貢獻。通過專業知識與課程思政的協調聯系，調動了同學們的學習興趣和創新的內在動力。

2 ?興趣培養方面

根據海洋機器人實際裝備和工程需求引發討論，啟發學生主動思考探索，并鼓勵學生積極發言，最大限度地調動學生的主動學習能力和發散思維潛力。教學中突出學生的主體地位，采用分組討論、翻轉課堂等教學方式，提升學生對海洋機器人領域的系統性理解；通過增強現實及虛擬現實技術增加學生在海洋機器人方向的真實參與度，從而激發學生的專業熱情。通過多種手段使枯燥的理論學習變得生動有趣，在輕松的氛圍中培養興趣愛好。

3 ?科研創新方面

依托水下機器人技術重點實驗室，把創新創業教育融入專業教育各環節和人才培養全過程。課程組著眼行業需求，針對海洋機器人專業，搭建了創客模式、眾創空間等多樣化的學生成長平臺，將學生的實踐創新創業能力落到實處，強化教學實驗、科學實踐、實習實訓，著力提高學生的實踐、交流溝通、組織協調等綜合能力，塑造學生成為創新型綜合人才。

4 ?產學融合方面

加強學校、企業、政府等多主體協同，服務海洋機器人領域人才需求，形成人才培養的資源共享優勢。本校海洋機器人專業具有軍民兩用行業特色，堅持國家需求、市場需求雙導向，堅持科教、產教雙融合，圍繞支撐海洋裝備發展的關鍵核心技術和前沿技術，完善技術轉移與成果轉化體制機制和服務體系，加快推動工程科技創新成果轉化為經濟社會發展的現實動力。

5 ?學生考核方面

建立了重在過程增量的綜合能力評價體系。本校海洋機器人專業將課程劃分為理論課程、試驗課程、實踐環節三大類學業，考慮學生個體差異，進行“發展性[12]、過程性、形成性”三步綜合評價，突出教學過程中學生的學習能力、表達能力、合作能力、提出問題并自主探索能力的增量評價。以海洋機器人專業導論課程為例，課前通過自測判斷學生對專業的了解程度及興趣所在，計入發展性評價；課中鼓勵學生開展“演示—互評”，充分展示學生的創造力與想象力，開展“頭腦風暴”，為解決問題提供更多的創新思維，計入過程性評價；課后完成測試及作業，對知識點進行鞏固；最后，開展寫作環節，培養學生歸納問題、解決問題的能力，計入形成性評價。而海洋機器人平臺技術以培養能夠勝任海洋機器人行業發展的一流工程師、行業領軍人才和科學家為目標，課程更重視動手實踐環節，課前通過自測判斷學生的掌握情況及薄弱環節，計入發展性評價；課中與企業導師聯合，基于行業需求及發展，鼓勵學生開展科創，計入過程性評價；形成性評價則通過試卷及應用測驗形式，確保學生達成培養目標，真正掌握知識及實際應用能力。

三 ?結束語

哈爾濱工程大學海洋機器人專業以立德樹人為核心，建設中國特色社會主義高等教育。致力于滿足產業需要和引領未來發展并重，將工程教育改革拓展到多學科交叉領域、提升到國家戰略和未來發展的高度。旨在推進“世界一流大學和一流學科”建設，落腳于人才培養。培養面向未來、面向世界，具有創新精神和綜合工程實踐、跨界整合能力的積極探索創新型工程人才及引領未來的領袖人才。為加快工程教育改革創新、抓住新技術創新和新產業發展機遇提供人才保障，引領我國高等教育改革、推動我國邁向高等教育強國，加速形成工程教育“中國力量”。

通過本科生課程海洋機器人專業導論與研究生課程海洋機器人平臺技術的教學實踐，教學小組根據海洋機器人專業特點及行業發展熱點，擴充學科交叉教學內容，引導同學們搭建海洋機器人學科體系；以立德樹人為核心，培養同學們對行業的家國情懷及學習熱情；通過思政教育、興趣培養、科研創新、產學融合四大抓手驅動學生的主觀能動性，培養同學們獨立思考并團隊協作解決問題的能力；最后，采用“發展性、過程性、形成性”綜合評價體系，幫助每個同學找到自己的發力點。

今后，還要不斷探索教學知識的落腳點，提高教學方法的有效性，提升教學質量，為培養出更多滿足新工科建設要求的海洋機器人專業人才做出積極貢獻。

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