新工科和專業集群視角下機器人工程專業建設研究

溫宏愿 孫松麗 瞿志俊 劉超 牛綠原

摘 要 機器人工程專業是一個典型的新工科專業，同時也是一個新設立的專業，各個高校都對其建設開展積極探索和實踐?；趯鴥葯C器人領域本科教育發展現狀的分析，可以看出以專業集群為形態特征的機器人專業技術人才培養模式將是下一階段的研究重點。從新工科和專業集群的視角出發，以南京理工大學泰州科技學院近幾年的實踐為例，對機器人工程專業建設邏輯線路、人才培養方案的設計進行探討，對課程體系的構建、教學改革實施的方法進行深入剖析，以期為其他高校的專業建設提供參考和借鑒。

關鍵詞 新工科;專業集群;機器人工程;專業建設

中圖分類號 G642 文獻標識碼 A 文章編號 1008-3219（2020）14-0030-05

圍繞著“中國制造2025”戰略規劃，智能制造被定位于中國制造的主攻方向。作為制造業創新發展中最為耀眼的明星，機器人已成為智能制造的關鍵抓手，呈現爆發式增長態勢，而作為支撐機器人產業未來發展基礎的專業人才則嚴重缺乏，教育部、人社部、工信部聯合印發的《制造業人才發展規劃指南》預測，到2025年機器人技術領域人才缺口達450萬。相對而言，高職類院校在機器人技術領域的人才培養較早，這是與其人才培養定位在機器人的維護、保養等有關，但是隨著人工智能等技術的興起，這一層次人才培養已難以滿足越來越大的機器人系統集成應用方面人才的缺口。

近幾年來，尤其是2018年和2019年，本科層次新設機器人工程專業（專業代碼：080803T）的招生在各個高校中如雨后春筍般出現。但是作為典型的新工科專業，機器人工程專業如何更好地開展建設和進行高質量人才培養，也成為諸多高校尤其是應用型本科高校亟待解決的問題。

一、國內機器人領域本科教育發展現狀

與國內機器人專業人才逐年增長的需求相比，機器人領域本科專業人才的培養卻處于相對滯后狀態，其培養路徑大致可以分為四個階段。

（一）第一階段：萌芽階段，個別先行試點

這一階段主要是由于機器人技術在研究課題中出現或者在部分業界中的應用問題需要解決，在研究型大學開始了小范圍的人才培養。例如，東北大學自20世紀后期開始進入機器人研究領域，但以智能機器人為主，是中國國內較早開展智能機器人領域研究的機構之一，取得了一些研究成果，但這個階段在人才培養上尚未形成明顯效應。哈爾濱工業大學、北京航空航天大學等重點高校也依托各自的科研課題，對機器人領域人才培養進行先行嘗試，但并未進行大規模有意識地培養。

（二）第二階段：嵌入專業，按照方向培養

2000年左右，以研究型或應用研究為主的少量本科院校在自動化、機械電子工程等專業開設了機器人方向，但培養的大多為從事機器人原理研究、本體開發及特種機器人開發等方向的機器人研發型人才。例如，東南大學、南京工程學院依托教師的科研積累和自動化專業長期開設機器人控制以及智能信息處理相關選修課程的經驗，圍繞機器人控制系統設計開發和機器人自動化成套設備的設計應用，培養機器人方向人才。

（三）第三階段：設置專業，明確專業培養

2016年，東南大學在全國首個申報機器人工程專業并獲批;2017年、2018年和2019教育部又先后批準同意25所、60所、101所高校開設機器人工程專業。目前為止，全國普通高校中開設機器人工程專業的數量共計187所，其中應用型本科高校的數量約占九成。由此，各個高校開始了按單一專業獨立進行機器人人才培養的探索，但是不同層次、類型高校的定位不同，所依托的前期科研、課堂教學、實踐平臺等資源不同，機器人工程專業人才培養的目標定位和培養方式也存在差異。機器人作為一種典型的多學科交叉融合的系統，涉及機械、電氣、控制、信息等多個學科專業領域，因而依托單一的專業僅能培養側重于機器人產業鏈某一特定行業所需的機器人技術人才，存在天然的缺陷。

（四）第四階段：構建集群，對接產業需求

教育部、國家發改委、財政部在下發的《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》提出，要“圍繞產業鏈、創新鏈調整專業設置，形成特色專業集群”。據此，筆者認為，以專業集群為形態特征構建機器人專業技術人才培養模式，將是機器人領域本科教育今后要研究的重點。

二、新工科和專業集群的邏輯統一

（一）歷史邏輯統一：全新技術革命多元化特征倒逼專業集群的出現

當今第四次工業革命的新技術、新產業的快速發展給全球高等教育和學科專業帶來了巨大沖擊[1]。這次的技術浪潮不再由單一技術引爆，多項技術融合是趨勢，出現了“互聯網+”“人工智能+”等技術集群，并彼此推進、迭代演進，全球產業變革驅動新工科建設，因此目前高校中以學科導向的單一分離性專業結構已經無法適應技術、產業變化的速度、多元化和復雜性。專業集群相較單一專業能更多地專注于人才培養和產業鏈的匹配度、更強調依據產業需求進行專業的動態建構[2]，將是新工科應對新技術、新產業發展的最普遍解決方案。

（二）理論邏輯統一：新工科專業交叉共融明確了專業集群的建設路徑

新工科提出要以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑[3]，除了要求對傳統工科專業進行更新升級、調整，讓傳統工科重新煥發出生機之外，更需要不斷加強對新興工科專業的研究與探索。然而新的專業形態并非憑空就能快速建設好的，它離不開相關專業的支撐和幫助。從專業集群的外在形式和內涵建設上來看，其與新工科的要求在邏輯上亦是統一的：專業集群的外在表現形式為面向全產業鏈多個相關專業的集合;其內在架構一般為以某個專業為核心、多個專業對接特定產業鏈上的不同崗位（群）的有序集合。這樣既充分發揮了專業集群內各專業之前的系統辦學效應，在產業所需的人才培養上各自有所側重，培養差異化和特色化人才，從而形成外在形式和內涵建設的有機統一。

（三）實踐邏輯統一：新工科復合型人才的培養需要借助于專業集群的架構

戰略新興產業是伴隨著社會不斷發展和新經濟新業態的產生而產生的，并將會隨著時代的變化而將繼續調整。在人才的知識廣度與深度方面，新工科急需一批具有跨界整合能力、高素質的各類交叉復合型工程科技人才[4]，不僅需要強化跨學科知識涉獵與積累的要求，同時也要強化對知識理解和創新運用的要求，但是這種對跨學科復合型人才的培養顯然是無法通過傳統的單一專業培養模式來實現，也是新時代下新工科本科教育所需要解決的問題?？v觀全球，無論是德國“工業4.0”、日本“機器人計劃”、美國“工業互聯網”，還是我國提出的“中國制造2025”，其目的都是搶占世界制造業的主導權[5]，要在新一輪時代浪潮和第四次工業革命中跑在前頭，本科高校要立足當下、瞄準未來、主動變革，緊緊圍繞服務制造強國等國家戰略，按照產業需求導向對新興專業進行布局，按照跨界交叉融合對專業進行重新整合，依托專業集群為傳統專業升級賦能，在機器人、人工智能等重點領域深入開展研究與實踐，為國家培養出適應和引領新一輪科技革命和產業變革的工程科技人才。

三、專業集群下的機器人工程專業人才培養方案設計

為適應新產業、新技術、新業態對應用型人才培養提出的新要求，作為地方應用型本科高校和新型工科高校，南京理工大學泰州科技學院（以下簡稱“學?！保┯?016年初通過整合調整相關二級學院，強化專業之間的聯系和協同，探索了基于機器人專業集群的機器人領域應用型人才培養新模式，全方位打造機器人領域卓越工程師培養新途徑。

（一）“畫像-塑像-成像”的專業（群）建設邏輯線路

以中國工程教育專業認證、新工科、OBE等理念為指導，以教育部《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》為依據，以培養應用型人才為目標，提出專業（群）建設的“畫像-塑像-成像”的人才培養邏輯線路：“畫像”即按照崗位群要求明確專業人才培養目標和畢業要求;“塑像”即根據能力標準要求，制訂人才培養方案，構建課程體系，實施教學;“成像”即對人才培養結果實行有效反饋和評價，確保畢業生符合“畫像”要求，詳見圖1。

（二）機器人產業鏈對人才的需求

業界通常把機器人分為工業機器人、服務機器人、特種機器人三大類。相較于處于產業發展初級階段的其他兩種機器人，工業機器人的體量最大、發展更為成熟、市場應用程度更高，對傳統制造業的轉型升級和裝備智能化等的推動起到了極為關鍵的作用[6]，因而分析工業機器人產業鏈對人才需求的現實和未來意義更大。由于工業機器人產業鏈上游的零部件、元器件廠商和中游機器人本體廠商的產業鏈已經成熟，且遵循標準流程生產，僅需要少量高層次的研發人才;而隨著機器人定制化的應用，下游的系統集成應用廠商以及終端客戶目前人才缺口較大，其中系統集成缺口最大，這也是本科層次的人才培養對位所在。如圖2所示，機器人系統集成、方案設計與應用開發所需要的專業知識，也不僅僅是對機械、電氣知識的簡單延伸。

（三）機器人工程專業與專業集群中其他專業的關聯

機器人產業鏈是一個典型多學科交叉的應用領域，所涉及范圍廣、技術應用多，因而機器人專業集群中各專業的關系確定為“明確核心、協同辦學、各自側重方向”，即該專業集群以機器人工程專業為核心，以自動化、機械電子工程等相關專業為支撐，以“工業機器人的集成應用”為主導特色，對接機器人產業鏈中人才缺口最大的崗位群。圖3是從產業鏈的視角來看各專業的方向側重點。

（四）機器人工程專業的人才培養方案設計

機器人工程專業緊跟產業發展動態，面向制造企業轉型升級對機器人系統的需求，重點聚焦工業機器人系統應用方案設計、系統集成、二次開發方面，具有自動化、機械工程、智能科學與技術、管理科學與工程等多學科交叉融合的特征。機器人工程專業以機器人系統集成應用內涵需求為導向，兼顧產品全生命周期管理，適度拓展智能服務機器人領域，構建專業人才培養方案，形成大平臺、多層次、模塊化課程體系;以“學生中心、產出導向、持續改進”的工程教育理念為引導，與ABB、GE等相關行業深度融合，以機器人行業學院為載體，以項目驅動為牽引，產教深度融合，競賽學研一體，持續提升人才培養質量，為制造企業實現自動化和智能化提升與改造培養所需的高素質復合型新工科技術人才。

四、機器人工程專業應用型課程體系的構建和教學實施

（一）“大平臺、多層次、模塊化”的應用型課程體系頂層設計和建設

在新工科專業建設中，有學者認為需要基于工業價值鏈的人才培養模式來構建新的課程體系[7]。機器人工程專業建設團隊經過實踐研究，提出了在專業集群層面下，以機器人產業鏈技術需求平臺作為一條“橫”線，將側重于機器人行業不同領域方向的機器人工程、自動化等專業作為多條“縱”線，形成了“一橫多縱、機電融合”的專業集群課程體系形態;在機器人工程專業層面，根據“素質教育和專業培養融合”“科學思想和人文教育并重”的設計思路和整體要求，專業根據“畫像”結果，形成以專業課程為核心，跨學科通識課程為基礎，創新創業課程、新技術選修課程為特色的大平臺、多層次、模塊化的應用型課程體系，如圖4所示。

（二）“政校行企”共建機器人行業學院助推人才培養

機器人平臺是該校重點建設的平臺之一，在學校辦學雙方南京理工大學和泰州市政府以及ABB、GE、北京華晟經世公司、泰州市機器人學會等多方主體共同參與下，2016年底已入選首批教育部“互聯網+中國制造2025”產教融合創新基地建設試點項目。依托機器人平臺，“政校行企”深度產教融合，創建了機器人行業學院，組織架構如圖5所示，形成了“人才共育、過程共管、成果共享、責任共擔”的多方合作長效機制，貫穿人才培養全過程;在“六共同”的協同育人主框架下，即通過共同制訂人才培養方案、共同打造“雙師雙能型”師資隊伍、共同開發教學資源、共同實施課堂教學、共建實訓實踐基地、共同開展項目開發等方式，各方提供了強大的軟硬件資源支撐，全面助力人才培養。

（三）以“金課”為抓手強化資源建設，推進教學改革

機器人工程專業建設團隊在籌建專業之初，便以學校推進網絡課程、微課、翻轉課堂的試點項目為契機，積極建設“高階性、創新性、挑戰度”的金課，鼓勵教師建設網絡教學資源，探索“線上+線下”混合式教學、翻轉課堂教學等，與企業駐校工程師探索“一課雙師”的組織實踐;同時依托機器人平臺打造立體式智慧學習工場，從教學觀念、教學內容、教學方式方法、教學組織、評價手段等多方面進行全方位綜合性改革。目前專業已承擔省部級教改課題、產教融合項目6項;新編教材《智能工廠設備通信技術》已獲批2019年江蘇省高等學校重點教材立項建設;以學習者視角專門編撰的《工業機器人技術及應用》《工業機器人編程與仿真》等教材已出版，相關配套的立體化數字教學資源在實際使用中效果良好。

（四）立德樹人，加強課程思政的融入與引導

新工科人才不僅需要知識能力方面的培養，更要強化品格方面的培養[8]。專業圍繞“培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人”這一根本問題，堅持立德樹人、德學兼修，在專業基礎課程及專業核心課程教學中，開展課程思政教學設計，通過深入挖掘思政元素，并將其與課程知識點有機融合，按照灌輸與滲透相結合等方式，把知識傳授、能力培養融入到課程教學過程中。

（五）知行耦合、能力導向，依托平臺構建特色鮮明的實踐教學體系

新工科對人才的研究能力、創新能力等方面提出了較高要求，為了達到這一目標要求，學校機器人工程專業構建了與理論教學體系相適應的實踐教學體系。同時，針對機器人技術模塊與傳統學科區別度較大，在充分尊重學生認知規律的前提下，依托機器人平臺，以真實的機器人工程項目貫穿始終，實施以“分級遞進式+全項目驅動”為特色的實踐教學模式，利用“點-線-面”系統化、“理（理論）-虛（仿真）-實（實操）”一體化的實踐教學模式，實現學生機器人領域工程項目實踐能力的漸進式培養，切實保障和提升了人才培養質量。

（六）加強反饋、持續改進，建立教學質量保障環路

學校機器人工程專業以“PDCA”（計劃-實施-檢查-改進）思想為指導，建立了教學質量保障的螺旋環路，并形成了一套融“計劃、組織、監測、互動、反饋”于一體的專家、師生、家長、行（企）業全員參與、貫穿教學全過程的教學質量評價保障運行體系。通過專家評價，實現教學全程督教、督學、督管;通過行業、企業評價，不斷優化人才培養方案，更新教學內容;通過教師評價，促進教師相互交流、相互學習，健全教師互評機制;通過學生評價，了解學生的學習需求及對本專業課程設置、教育教學工作的意見和建議，合理利用學生評教結果;通過家長評價，征求學生家長對學校發展和人才培養等方面的意見和建議。

參 考 文 獻

[1]任羽中，曹宇.“第四次工業革命”背景下的高等教育變革[J].中國高等教育，2019（5）：13-16.

[2]顧永安.應用本科專業集群：地方高校轉型發展的重要突破口[J].中國高等教育，2016（22）：35-38.

[3]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[4]林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017（2）：26-35.

[5]古天龍，魏銀霞.以新工科理念推動地方高校建設一流本科教育[J].中國大學教學，2018（2）：32-35.

[6]蔡自興.中國機器人學40年[J].科技導報，2015（21）：23-31.

[7]朱正偉，李茂國.面向新工業革命的中國工程教育發展戰略研究[J].中國高教研究，2018（3）：44-50.

[8]姜曉坤，朱泓，李志義.面向新工業革命的新工科人才素質結構及培養[J].中國大學教學，2017（12）：13-17，23.

Research on Robotics Engineering Specialty Construction from Perspective of Emerging Engineering Education and Specialty Clusters

Wen Hongyuan， Sun Songli， Qu Zhijun， Liu Chao， Niu Lvyuan

Abstract? The robotics engineering specialty is a typical specialty of emerging engineering education， and is also a newly established specialty. The various higher education institutions carry out active exploration and practice in the establishment of specialty clusters. Through the analysis of development status of undergraduate education in robotics field within China， it is showed that the training mode of robotics specialty talents with specialty clusters as the morphological characteristics will be the research focus in the next stage. This article， from the perspective of emerging engineering education and specialty clusters， taking the practice in recent years of Taizhou Institute of Sci. & Tech. of Nanjing University of Science and Technology （NJUST） as an example， explores the logical route of robotics engineering specialty construction and the design of talent training program， and deeply studies the construction of curriculum system and the implementation of teaching reform， in order to provide reference for other universities to construct the specialties.

Key words? emerging engineering education; specialty clusters; robotics engineering; specialty construction

Author? Wen Hongyuan， professor of Taizhou Institute of Sci. & Tech.， NJUST （Taizhou 225300）; Sun Songli， associate professor of Taizhou Institute of Sci. & Tech.， NJUST; Qu Zhijun， Liu Chao， Niu Lvyuan， Taizhou Institute of Sci. & Tech.， NJUST