工業機器人專業教材建設的思考

余 皡

（機械工業出版社高等教育分社，北京 100037）

機器人是典型的集光、機、電、儀、信息、自動化為一體的高技術產品。工業機器人作為機器人中發展最早、最成熟的一類產品，最具代表性。特別是《中國制造2025》的提出，將工業機器人產學研推向了國家戰略層面。中國制造產業升級需要大量的工業機器人，更需要大量的掌握工業機器人專業知識的人。而目前我國高等教育領域工業機器人專業相關人才的培養從質和量上來說，都是遠遠不能滿足社會和行業需求的。為了盡快培養出合格的人才，亟需推進工業機器人專業課程和教材的建設。

一、國內工業機器人行業的人才需求情況

（一）國內機器人行業發展

目前我國已經成為全球第一大工業機器人應用市場，但遺憾的是，我國工業機器人產業發展較晚，受相關技術和加工工藝等因素影響，中國工業機器人市場基本被以ABB、庫卡（已被我國美的集團收購）、發那科和安川四大巨頭為主的機器人品牌占據著，國產機器人品牌僅占約8%的市場份額（如圖1所示）。作為關鍵核心部件的控制器市場，也同樣被外企所占據。

圖1 國內工業機器人市場份額

令人欣慰的是，很多國內企業在紛紛發力，如美的、新松、華中數控、廣州數控、哈工大機器人集團等都在不斷研發新產品，努力追趕國際先進產品。

（二）工作崗位情況分析及人才需求特點

工業機器人在實際使用中，一次性定位精度受場地和生產工藝的制約，很難提高，但其重復定位精度可以做到非常高，所以多采用現場示教編程的方式來進行安裝和工藝調試，這種使用方式非常消耗人力和時間。另外，工藝改進和生產變更也需要人工重新調試。因此，目前大多數生產制造企業針對工業機器人的機器換人作業，需要龐大的現場調試和生產線監控人員；而對于工業機器人的研發領域來說，其光、機、電、儀、信息、自動化一體的高技術性，使得高端研發人員非常缺乏。表1所示為教育部、人力資源和社會保障部、工業和信息化部三部委聯合印發的《制造業人才發展規劃指南》的制造業重點領域人才需求預測。

表1 制造業重點領域人才需求預測（單位：萬人）

二、普通高等教育工業機器人教材和教學現狀分析

如上所述崗位人才的需求呈現兩極化趨勢，一方面，應用型現場操作人員需求量大；另一方面，復合型研發人才因為要求高而緊缺。這就使人才培養的目標產生了很大差異。一方面，要求心靈手巧，執行能力強，嚴格最受標準，上手快；另一方面，要求基礎知識過硬，機、電、控甚至人工智能等方面知識全面，還有更高的創新能力和團隊合作能力。下面簡單概括目前普通高等院校一般人才培養的情況。

（一）普通高等教育工業機器人專業建設情況

截至2018年初，教育部一共審批通過60所本科高校開展機器人工程專業建設。在2017年初僅有25所高校獲批。這說明，在本科階段機器人專業的起步很晚，甚至第一批專業學生可能還沒有入學，或者剛剛開始本科基礎課程的學習，離畢業參加工作還很遠。也就是說，大規模、專業化的定向培養還沒有真正準備好。甚至機器人工程專業是放在自動化學院，還是放在機械工程學院都還在爭論之中，各不相同。從而形成目前參與工業機器人工作的高校畢業生更多是分布在機械工程、電子工程、計算機工程、自動化、電氣工程等相關專業。而課程主要是通過增加選修課內容，專業互補，概念灌輸來實現專業突出、兼顧整體的人才培養模式。

（二）普通高等教育工業機器人專業教材出版情況

針對目前高校這種培養模式，主要出版社出版的工業機器人本科教材多以《工業機器人概論》《工業機器人導論》《工業機器人技術基礎》為主。其內容大體包括：工業機器人結構、工業機器人機構學、工業機器人動力系統、工業機器人控制技術、工業機器人感知系統、工業機器人編程、工業機器人生產線布置等。這其中不乏近年來工科中的優秀教材和獲獎教材，而且市場反響很好，為課堂教學的開展提供了有力的支撐。

還有一些專業出版社與相關高校合作，進行專業課程的建設，根據工業機器人涉及的內容知識將工業機器人課程細化分類，進一步提高。出版了一些具體的、單學科的、有針對性的教材。比如，《機器人機構學的數學基礎》《工業機器人操作及編程》《機器人視覺與控制》《工業機器人生產線裝配與維護》等教材。但因為讀者體量的缺乏，以及與各高校目前確實沒有如此多的課時開展這些課程的教學工作，所有使用效果不是很理想。

三、工業機器人專業方向教材建設

未來幾年隨著國內制造業的不斷轉型、升級，工業機器人、服務機器人等將不斷走進生產和生活之中，成為必不可少的一部分。企業和社會對人才的需求，緊逼高校人才培養加速，亟需盡快確定行之有效的課程大綱，編寫出質量上乘的課程教材。作為出版社，我們可以從三方面著手進行教材的建設，即教材體系建設、教材內容建設、教材形式建設。

（一）教材體系的建設

教材體系的建設，離不開課程體系的建設。大部分的教材其實都是由成熟的課程轉化而來的。其路徑一般有引進國外教材，重點院校試點，特色專業建設試點，國家統編統籌等。但隨著我國產業化進程的加速，特別是智能制造、高精尖制造等領域沒有那么完備的體系和課程供我們學習和借鑒，而是進入了探索創新的階段。學校的師資力量甚至也沒有完善系統的課程方案。這就要求出版社要積極主動開展工作，要整體調研，多分析，多思考，多實踐，把社會的真實需求和學校的教學實際結合起來，真正做到為人才培養服務，為學生服務，提供系統性的學習方案和教材。

具體來說，出版社應當組織一線教師和行業專家，將工業機器人、服務機器人產業所需要的知識整理出知識圖譜，再結合目前高校各專業的教學實際和課程大綱進行分別對應。

可以利用現有的各專業課程教材和大綱，穿插引入、替換為更針對工業機器人應用的知識或者實例。比如，機械工程專業開設的“機械原理”“機械設計”課程，完全可以貼切合理地加入工業機器人機構學、工業機器人結構設計的內容。再比如，工程專業大多數開設的“傳感器技術”課程，很大程度上就是工業機器人傳感器所要講授的內容。因此，為了快速形成課程體系和建設教材，可以利用現有課程進行針對性的知識改造。

但是，這樣改造出來的教材和課程的知識畢竟是點狀的，比較難照顧到工業機器人的整體性，很難形成真正的工業機器人知識體系，使學生學習結果碎片化，很難達到廣泛的專業能力培養目的。因此，要盡快提煉對整體工業機器人的研發、使用中的能力需求，結合知識圖譜，歸納總結出針對機器人專業的幾門專業課和選修課程大綱，著手組織進行編寫，全面形成理論課、設計課、實踐課的體系，并不斷隨著產業的發展修訂、提高。

（二）教材內容的建設

不論采用改造還是重構的方式建設工業機器人專業的教材體系，最重要的還是教材內容的建設。工業機器人發展很快，服務機器人可以說更是日新月異。因此，在機器人專業教材內容建設上，一定要突出“新”字。落后的計算方式，陳舊的設計理念，傳統的輔助工具，能拋棄的應該大膽拋棄。而先進的計算軟件，智能化的控制模式，新時代的設計工作方式應該更多地被引入到課程學習中、實踐教學中、課外比賽中。誠然，深厚扎實的科學基礎知識能為學生今后的發展打下更好的基礎，但工程教育教材如果講授太多的理論、推導、計算，在有限的學時中很難讓學生寬泛地掌握機器人的方方面面知識，更不利于實踐教學的開展。因此，在教材內容建設上，應該更注重實際工程設計、理論方法的應用、真實工況的介紹，并拋出實際工程問題，引導啟發學生學以致用。

這也符合教育部目前推行的多種工程學科教改項目的精神，如新工科建設、卓越工程計劃、工程認證等。其強調的是學生工程能力的培養和多學科復合型的知識體系重構。機器人教材的內容建設應該按照工程教育認證的12條要求，循序漸進將能力培養的核心——解決復雜問題的能力作為重點。利用多種教學手段和體例編排方式，如項目制學習、問題導向教學、同伴式教學等。同時，編寫各種輔助學習的實驗指導書和課程設計指導書，并推薦拓展讀物。以此優化教學內容和課程內容標準，大范圍加速國內機器人專業的人才培養建設，提高畢業生質量。

（三）教材形式的建設

除了教材的體系和內容建設外，還要注重教材形式建設。當前社會信息技術空前發達，各種電子設備使用已經非常普及，大數據、云計算、校園網、智能手機、平板電腦已經在高校普及，成為學生生活學習中不可或缺的物品。因此，進行教材形式建設不能只專注于傳統的出版，形式配套數字化也是重中之重。近幾年，教育部、各高校、各出版社甚至很多互聯網公司都制作了大量的數字化教學配套產品。其呈現形式也多種多樣，如教學網站、MOOC、SPOC、光盤、APP、二維碼、AR、VR等，各具特色。細分其具體內容形式基本包括PPT、電子書、微視頻、視頻課、動畫演示、互動實驗室、題庫、有聲書等，豐富多彩。但其建設也存在質量把控難、成本高、周期長、版權不清等諸多問題。

因此，我們建設新的專業教材，需要正視數字化資源的優勢，充分利用數字化資源的比較優勢，具體包括以下方面。

1.改變現實時間尺度展現。就是指緩慢的過程快速展現，或者高速的過程慢速展現。

2.改變現實空間尺度展現。就是指微小的、肉眼不可見的結構放大展現，或者太過巨大的形體縮小后可以看到整體。

3.改變靜態表述為動態。就是指讓圖片動起來，讓文字活起來。

4.把觀看形勢改為互動形式。就是指利用虛擬現實技術，讓用戶參與到現場之中，可以操作場景中的所有物體。

5.展現事物內在的結構。就是指很多內部運行的原理和過程很難直觀地看見，通過剖切或者剝離外結構就可以方便地展示內在結構和運行過程。

6.改變順序學習的形式。就是指使搜索、查詢、記錄變得更加方便，通過與考核和檢查學習效果，自動重新組織下面所學內容。使學習真正達到循序漸進，不斷鞏固，不斷提高。

數字化教學資源的建設非常重要，對學生學習有重大幫助。但在數字教學資源的建設過程中，需要認清數字化配套建設的特點，避免重復建設，過度建設，做到有的放矢，把好鋼用在刀刃上，真正起到為教學服務、為教師服務、為學生服務的作用。

《中國制造2025》從國家層面確定了我國建設制造強國的總體戰略，明確提出：要以新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，實現制造業由大變強的歷史跨越。發展智能制造是中國制造業轉型升級的主要路徑，其內涵是先進制造技術與新一代信息技術的深度融合，貫穿于產品、制造、服務全生命周期的各個環節及制造系統集成，實現制造的數字化、網絡化、智能化，不斷提升企業的產品質量、效益、服務水平，推動制造業創新、綠色、協調、開放、共享發展。而機器人就是其中的關鍵領域之一，是實現制造業強國夢想的必要支撐。如果說工程教育是引領未來國家發展的基石，那么做好機器人專業的人才培養工作，編制、出版好優秀的相關教材，就是制造業升級的重要基石。希望出版界同仁和社會各界積極參與，盡早完善機器人專業教材體系、內容和配套，為我國建設制造強國的總體戰略實施添磚加瓦。