機器人工程新工科專業(yè)人才培養(yǎng)模式淺析

胡而已 唐超權

摘要：機器人技術本身屬于多學科交叉領域，涉及機械工程、計算機科學、電氣工程，甚至行為心理學等諸多學科。目前國內(nèi)外關于機器人工程人才培養(yǎng)模式多樣，專業(yè)分布在不同學院，本文通過對比分析國內(nèi)外相關情況，以期探尋到符合國內(nèi)特點的機器人新工科人才培養(yǎng)模式，為新時期人才寬口徑、復合型人才培養(yǎng)提供參考。

關鍵詞：機器人工程；新工科；人才培養(yǎng)；協(xié)同育人

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）32-0259-02

一、當前世界范圍內(nèi)機器人技術發(fā)展趨勢

機器人技術將會成為信息技術之后的下一個發(fā)展熱點和方向，谷歌公司的無人駕駛汽車、多足及仿人機器人、亞馬遜公司的倉儲自動導引車，以及好奇號火星車等都在吸引著全球媒體的目光。在德國提出的“工業(yè)4.0”和中國版本的“中國制造2025”計劃中，機器人均作為核心技術受到了前所未有的重視。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)重點發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)的省份有20多個，機器人產(chǎn)業(yè)園區(qū)40余個，機器人企業(yè)數(shù)量800余家，產(chǎn)業(yè)鏈相關企業(yè)超3400家。受勞動力不足、人口老齡化等因素影響，服務機器人（包含特種作業(yè)機器人）的應用及普及已成剛需，未來服務機器人行業(yè)發(fā)展空間巨大。“十三五”期間中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標為自主品牌工業(yè)機器人年產(chǎn)量需達到10萬臺，服務機器人年銷售收入超過300億元，整體技術水平達到或接近世界先進水平，關鍵零部件市場占有率達到50%以上。但不得不承認，產(chǎn)業(yè)火熱的背后我國機器人技術發(fā)展瓶頸仍存，中國與歐美日等發(fā)達國家在機器人領域還有相當明顯的差距。首先，國產(chǎn)機器人整機市場份額低。其次，機器人用精密減速器、伺服電機及驅(qū)動器、控制器等核心零部件，在性能、精度、可靠性方面均有待提高。

二、國內(nèi)外機器人技術人才培養(yǎng)概況

自第一臺工業(yè)機器人誕生至今已經(jīng)有50多年的歷史。全球不少學校都有與機器人相關的課程，在當今信息時代，如何合理、有效、系統(tǒng)地開展機器人方向的人才培養(yǎng)，對于很多學校來說可能都是一個新的課題。卡內(nèi)基梅隆大學的機器人研究所（Robotics Institute）是整個計算機學院（School of Computer Science）下屬的一個系。它成立于1979年，剛成立時只有一個主要研究方向，即計算機集成制造系統(tǒng)，后來在此基礎上不斷發(fā)展，它是當今世界上最大、最先進的機器人研究機構，包括在主校區(qū)的1萬平方米、國家機器人工程中心1萬平方米和專門的測試場地Robot City等。卡內(nèi)基梅隆大學的機器人研究所提供各個級別的教育，從本科到研究生，包括本科雙學位、本科輔修、本科加碩士5年制學位等。該校同時提供面向高中的實習拓展項目以及面向本科生的短期夏季學者實習項目等。主要雙學位課程設置包括四個模塊：數(shù)學（微積分、矩陣、機器人導論等）；運動學、動力學及控制；感知（計算機視覺、傳感器等）；認知與推理（機器學習、人工智能等）。此外還有一門實踐課和兩門選修課（仿人機器人、移動機器人、機電一體化等）。其他國外高校大多只是將機器人作為研究方向，如斯坦福大學、麻省理工學院、密歇根大學、佐治亞理工大學等，雖然在機器人學界具有較好的聲譽，但其機器人研究機構更多以實驗室的形式組建，如斯坦福的機器人實驗室是人工智能實驗室的一部分；而麻省理工學院的野外與空間機器人實驗室依托于機械工程學院，其課程設置與安排大多參考CMU的課程設置和安排。

目前，隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的推動及資本對機器人相關方向的追捧，國內(nèi)對于機器人技術相關人才的需求日益迫切，許多高校也隨之提出建立機器人專業(yè)。從我們了解的情況來看，2015年只有東南大學獲批了機器人工程專業(yè)，而在2016年就有25家全國各個層次的高校獲批機器人工程專業(yè)。這些學校的規(guī)模層次各不相同，機器人工程專業(yè)所屬學院也各不相同，如東南大學機器人專業(yè)隸屬自動化學院，安徽工業(yè)大學的機器人專業(yè)則隸屬機械工程學院，而東北大學則直接成立機器人學院。東北大學的機器人學院為東北大學、中科院沈陽自動化研究所與沈陽新松公司三方共建。

三、機器人工程人才培養(yǎng)基本要求

（一）培養(yǎng)目標

本專業(yè)培養(yǎng)具有扎實的自然科學、人文社會科學和工程技術基礎，掌握各類機器人機械本體結構及控制系統(tǒng)的設計，以及機器人集成應用、檢測與維修、生產(chǎn)運行與管理等專業(yè)知識，受到較強工程實踐和研究能力的訓練，能從事機器人工程領域內(nèi)的機器人整機、核心零部件、控制系統(tǒng)設計，以及機器人系統(tǒng)應用等相關領域的科學研究、技術開發(fā)、應用維護及管理工作，具有良好的經(jīng)濟、安全和環(huán)保意識，具有人文社會科學素養(yǎng)、社會責任感、工程職業(yè)道德及國際視野的機器人工程領域的高級技術人才，預期發(fā)展成為所在領域的專業(yè)技術骨干或管理骨干。

（二）對畢業(yè)生的基本要求

本專業(yè)畢業(yè)生在知識、能力和素質(zhì)方面應達到以下基本畢業(yè)要求，力求成為能參與國際競爭的高層次機器人工程技術人才和未來開拓者。

1.能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識用于解決機器人工程領域所涉及的研發(fā)及應用等復雜問題。

2.能夠應用數(shù)學、自然科學和機器人工程科學的基本原理，對復雜機器人工程問題進行識別、表達、建模和分析求解。

3.具有較強的創(chuàng)新意識，掌握基本的創(chuàng)新方法，具備對機器人工程領域新產(chǎn)品和新技術進行研究、開發(fā)和設計的初步能力，并能夠在解決方案中充分考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。

4.能夠針對特定的復雜機器人工程問題，基于科學原理并采用科學方法，進行建模分析、設計樣機開展實驗研究、進行數(shù)據(jù)處理、并通過信息綜合得到合理有效的結論。

5.能夠針對機器人工程領域中的設計開發(fā)、仿真分析及性能測試等特定需求，開發(fā)、選擇與使用恰當?shù)募夹g、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術工具，對復雜工程問題進行預測與模擬，并能夠理解其使用范圍。

6.了解與本專業(yè)相關的社會、健康、安全、法律以及文化方面知識，能夠基于工程相關背景知識，合理分析評價專業(yè)工程實踐和機器人工程復雜問題的解決方案對上述因素的影響，并理解應承擔的責任。

7.能夠理解和評價針對機器人工程領域復雜工程問題的專業(yè)工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。

8.愛國守法，具有人文社會科學素養(yǎng)和社會責任感，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，并履行相應的責任。

9.具有一定的人際交往能力和組織管理能力，能夠在多學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色。

10.能夠就機器人復雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告和設計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達或回應指令，并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。

11.理解并掌握機器人工程領域產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)運行維護等方面的管理原理及經(jīng)濟決策方法，并能在多學科環(huán)境中加以應用。

具有自主學習和終身學習的意識，有不斷學習和適應發(fā)展的能力。

（三）主要業(yè)務范圍及核心課程安排

本專業(yè)根據(jù)經(jīng)濟、社會發(fā)展對人才的需求，采取寬基礎、重實踐的培養(yǎng)模式。課程知識體系涵蓋機械工程、自動化、計算機等多學科，同時將部分專業(yè)課程分成中文、雙語和全英語三個不同層次，有利于拓展學生的知識面和國際視野。本專業(yè)學生主要學習機器人工程專業(yè)方向的基礎理論知識及基本技能。畢業(yè)生主要面向企業(yè)、科研機構及高等院校等單位，從事機器人工程領域內(nèi)的機器人整機、核心零部件、控制系統(tǒng)設計，以及機器人系統(tǒng)應用等相關領域的科學研究、技術開發(fā)、應用維護及管理工作。專業(yè)核心課程：工程力學、工程圖學、電工技術與電子技術、數(shù)據(jù)結構與算法、通信原理、機械原理、機械設計、機械制造工程學、自動控制原理、微機原理與接口技術、計算機控制技術、液壓與氣壓傳動、機電傳動與控制、傳感器原理與檢測技術、機器人學導論、機器人動力學與控制、機器人系統(tǒng)設計及應用。

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