機器人工程專業在智能制造背景下的人才培養思考

李騫 王碩 史岳鵬 隋繼學

摘?要：在智能制造背景下發展起來的機器人工程展示出人才匱乏等劣勢，因此在國家“新工科”發展背景下，機器人工程專業建設的核心是培養有競爭力的人才，提升學科主動服務制造行業的能力。國內高校在發展專業時，應結合智能制造基礎研究、地方經濟或國家經濟需求，將培養模式多層化，注重培養學生的實操技能，提升應用實踐能力、理解創新能力。

關鍵詞：機器人工程;人才培養;理論與實踐課程

科技飛速發展帶動了新產業的出現與變革，提升應對新時代科技產業革命與挑戰的能力，支撐創新驅動制造業發展的號召，在傳統制造業的基礎上，國家提出“互聯網+中國制造2025”等一系列戰略措施。為了加快中國經濟發展的轉變，各大院校廣泛推進人工智能技術和機器人技術的發展，將這些新興技術融入到國家制造業產業當中，立志為國家培養一大批高技術、高端的專業應用型人才，為提升產業發展與國際競爭力打下基礎[1]。機器人工程的高端人才培養需要高校發展其專業特色，結合學校定位和特點展開機器人工程發展方面的專業性人才培養。在智能制造的背景下，更強調專業學科的實用性、交叉性與綜合性，在傳統自動化、機械化、電子電工等基礎上，發展人工智能、控制技術、軟件仿真等方向[2]。

一、智能制造背景下機器人工程專業人才培養特點

（1）培養的新標準。機器人工程作為新工科專業的代表專業，根據工程教育的思想，要將專業工程教育與人文教育及科學教育融合。在傳統工程教育的基礎上，以學校專業和社會經濟產業為導向，向交叉學科領域發展，著重培養的學生解決復雜機器人工程問題的能力，這是新時代人才培養的新標準，也是專業工程技術人才的新要求[3]。

（2）培養的新特點。為適應國家智能制造戰略發展，機器人工程專業教學目標是掌握機器人工程的基礎理論和自然科學專業知識，具備從事機器人領域的實踐能力。這就要求學生既要掌握自動化控制技術的基本概念和先進的技術理論，又要掌握機械、電氣電子、計算機軟件等的基本理論及使用、編程調試技術，成為一名在工業、服務業等機器人應用現場從事系統操作、管理調試、故障診斷維護、科研設計的工程技術人員。

（3）培養的新模式。社會教育環境的發展、知識與信息傳播的形式變化，帶來了人才培養模式的變化與挑戰。大學教育面臨著教育不平衡、教學改革（以MOOC為例）等挑戰，機器人工程專業建設面向新工科的教育理念，應創建多層級、多元化的教育模式。

二、機器人專業人才培養模式實踐

不同地區高校人才培養定位不同，特色和優勢不同，人才培養模式側重點不同。在全國積極發展先進制造業的背景下，河南牧業經濟學院結合地方經濟進行工業機器人方向的機器人專業人才培養方案制定。

（一）理論課體系建設

隨著機器人技術的不斷發展，課堂教學學時數少，但是教學內容卻逐漸增多。機器人專業具有多學科交叉的特點，同時又具有時代性與創新性，且要結合學校定位和發展特色，給人才培養方案課程體系建立帶來了難題。

依托新工科教學理念，培養新工科人才主要涵蓋自動化技術、控制原理、機械原理和人工智能等多方面的知識和技能，也就是“機、電、控”的鐵三角框架。機械代表課程為其中機械原理、機械制圖、電機與液壓拖動技術等，電子類課程包含電路原理、數電模電、傳感器原理等課程，控制類課程包含自動控制原理、現代控制理論等課程，除此之外機器學習與人工智能也必不可少，具有顯著的多學科交叉特性。此外，我校機器人技術研究在專業教師培養、課程體系建設及培養模式創新上都發揮了重要作用，機器人方向的選修課程也融合了最新的研究方向和成果。為了培養學生的專業綜合素質，提升應用能力，我院在機器人工程課程設置時主要從以下幾個層次進行培養：（1）行業專業素質。機器人認知、建模、設計、實操與創新。（2）學科基礎知識。高數、線性代數、復變函數、大學物理、電路原理等基礎，以及機械制圖、運動仿真與控制。（3）機器人硬件。機械原理、電氣控制與PLC應用、單片機原理與接口技術、嵌入式系統、液壓與氣動技術等。（4）機器人感知。傳感器與檢測技術、機器人驅動集運動控制、人工智能與機器學習、機器視覺應用等。（5）機器人集成。機器人系統建模、機器人控制系統設計、工業機器人編程與仿真、工業機器人系統集成設計。

（二）實踐課程體系建設

實踐課程體系包括創新課程設計、綜合課程實驗、專業實踐周等部分。要發展機器人專業在智能制造業的優勢和地位，實踐教學的培養方案占核心位置，越早讓學生接觸到相關技術，就越能激發學生的實踐動手能力。在實踐課程體系建設中考慮以下幾個方面：（1）實踐教學與工程技術對接，用工程項目驅動實踐教學，用實踐教學創新工程技術，比如PLC或單片機等控制類的課程，以及ROS機器人編程等應用型課程。（2）實驗內容要兼容深度和廣度，在完成教學目標的同時，也要實現教學內容與最新技術相結合;（3）鼓勵教學方法變革與創新，采用項目驅動型、團隊研究性、互動型等教學實驗方法，在教學中普遍應用探究式教學方法，目的是提升學生自主學習能力、解決綜合復雜問題的能力。此外，還設立多門設計類課程，探索實驗方法的可能性，設計多方案的實驗內容，培養學生設計與創新思維能力。

我校機器人工程專業為了實現實踐教學可持續發展，培養學生創新意識，在課程體系中保證實踐內容具有較好的開放性和拓展性，機器人專業實踐的教學課時占比37%以上。通過機器人虛擬仿真實驗、自動化控制實驗室、智能制造裝配平臺、機器示教平臺等多種方式來開展實踐教學。打破傳統的只給學生提供實驗方案和實驗步驟的課程模式，以工程項目和技術作為索引設計教學內容，秉承授之以漁的思路，引導學生自主探索，

實踐課程體系以增強學生思維創新和綜合能力為目的，打造了“課程—實訓—應用—創新”一體化實踐體系。

課程——固基礎，培養工程思維，引入人工智能與機器學習等新技術。以項目促學，以學科競賽促學，鞏固理論課程。

實訓——強應用，培養解決問題能力，競賽輔助激發興趣，鞏固實踐能力。增加設計型、綜合型實驗內容的比例，創造全天候開放的實驗教學環境，形成課內外相結合的實驗教學模式，培養學生自主學習能力。

應用——重協同，培養跨領域應用能力，解決生產一線急需關鍵技術問題。

創新——明發展，培養創新創造能力，鼓勵向研發端延伸。

此外，學生科技競賽是培養學生實踐能力非常重要的一個環節，河南牧業經濟學院鼓勵學生參加包括全國機器人大賽、“互聯網+”、單片機應用設計大賽等。學生們積極參加機器人創新團隊，本科生就可以進入實驗室，圍繞實驗室的研究方向開展本科設計工作，并通過省內國外一系列機器人比賽，引導學生將理論知識轉化到實際應用中，促進學生理論與實踐認知的結合。通過這些措施，進行學生實踐動手能力與技能的培養，同時提高了機器人專業實踐教學課時的占比。

（三）校企合作建設

河南牧業經濟學院所提倡的校企合作的特色是產教融合，其特色優勢可以從四個方面來闡述：（1）產教融合最大限度地激發了學生對于機器人工程專業的興趣，特別是對于剛入校的大一新生，生動展示了學生在校期間的培養目標和方向，提高學生學習積極性，增強了學生對于專業的理解程度。（2）校企合作增強了教師與企業的聯系，有助于培養雙師雙能型教師，授課教師在了解企業需求的前提下進行教學，能夠培養出最滿足企業需要的高層次人才，并且教師深入企業，掌握豐富的實踐經驗，有利于提高教師授課內容和教學水平，從而提升人才培養質量，促進學生就業。（3）提升學院發展專業特點，有利于找到最符合社會需要的人才培養模式，有助于創新教學模式，促進機器人工程專業的良好發展。（4）實現機器人企業與高校共同發展，有利于企業創新機器人相關技術，解決工作一線技術難題，達到促進學生就業的目的，完成培養專業型應用人才的目標。

我院與國內外機器人企業如法納克機器人、埃斯頓機器人等相關企業合作建立了學生實踐合作關系，并與本地機器人企業簽署合作協議建立多個實踐基地。我院于2020年9月成功建成“互聯網+中國制造2025”產教融合創新實踐基地，把真實生產流水線“搬進”教室，學生學以致用，激發學習潛力。通過實際的工程項目教學形式培養學生解決復雜工程問題的能力。

實驗室由學院統籌管理，共有7個子實驗室，包括“互聯網+”智慧學習工場實驗室、機器人智能裝配實驗室、機器人示教編程與開發實驗室、機器人虛擬仿真實驗室、機器人控制實驗室、機器人傳感與機器視覺實驗室、自動化工程綜合實驗室等。實驗室占地超1000m2，大型設備總數80余臺，投資約1000萬，極大地推進產教學融合、校企協同育人的機制。院長具體負責日常管理工作，聘任企業專家和工程師同在校老師共同指導學生。機器人創新實驗室實際由學生自行運營，專業負責人監管的開放性實驗室，面向全院師生，承擔機器人領域的創新創業實踐活動，包括各類課程和社團實訓，省內外學科競賽，鼓勵學生綜合運用所學知識進行多學科融合和研究，擴展思維、拓展解決問題的方法，進行科技創新，嚴格踐行產學研結合的新工科模式。

三、結語

機器人工程專業雖然以新工科的理念探索創新人才培養模式，但在未來的發展中應以制造業智能化的發展為契機，不斷吸取國內外先進經驗，順應行業對人才的需求，探索出一種滿足學校定位、適應地區經濟發展的人才培養模式。建設出先進的開放機器人實踐平臺，培養出符合國家戰略發展和機器人產業發展需求的高素質復合型人才，助力傳統制造業轉型升級。

參考文獻：

[1]李亮星，張樂平，吳晨剛，黃茜林.智能制造背景下機器人工程專業人才培養研究與實踐[J].科教導刊（上旬刊），2020（08）：59-60.

[2]王帥，吳成東，賈子熙，王斐.面向新工科的機器人工程專業創新人才培養模式探索[J].教育教學論壇，2020（14）：52-54.

[3]李坤全，李輝，李大慶.智能制造背景下機器人工程專業教學模式探索[J].時代農機，2020，47（02）：151-152+155.

基金項目：2020.3，河南省教育廳，新工科背景下機器人工程專業產教融合校企合作模式探索與實踐（項目編號2020JGLX081）

作者簡介：李騫（1989—?），女，漢族，河南鄭州人，博士研究生，講師/專業負責人，研究方向：農業機器人、大數據與物聯網。

通訊作者：隋繼學。