機器人專業(yè)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的思考

陳國棟 王鵬 樊鈺琳 高楓 王振華 孫立寧

【摘要】機器人專業(yè)人才教育對以機器人為核心的智能制造相關人才的培養(yǎng)、機器人及智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，起著重要作用。結(jié)合蘇州大學機器人與微系統(tǒng)研究中心在機器人創(chuàng)新教育上的發(fā)展成果，探討機器人專業(yè)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新。簡述學校青少年科普教育、本科機器人通識教育、研究生機器人創(chuàng)新教育、社會人員繼續(xù)教育等方面的情況。通過相關技術發(fā)展趨勢分析，提出機器人創(chuàng)新教育的建議與意見。

【關鍵詞】機器人教育創(chuàng)新教育 人才培養(yǎng)模式

一、引言

當前，世界新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正如火如荼地進行，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為主要特征的技術發(fā)展與應用正在加速經(jīng)濟和科技發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。隨著我國勞動力成本增加，生產(chǎn)方式向柔性化、智能化、多品種小批量方向發(fā)展，構(gòu)建以機器人為核心的智能制造體系已成為各類企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必經(jīng)之路。

智能制造系統(tǒng)是以自動化、網(wǎng)絡化為技術，以數(shù)字化為手段，以智能制造為目標，借助新一代信息通信技術，將工業(yè)軟件、生產(chǎn)和業(yè)務管理系統(tǒng)、智能技術和裝備進行有機的系統(tǒng)集成應用。而隨著人工智能技術的發(fā)展，智能制造向著新一代智能制造方向發(fā)展，而新一代智能制造則是以智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)、智能服務三大功能系統(tǒng)，以智能制造云和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)兩大支撐系統(tǒng)集合而成，從而形成系統(tǒng)解決方案。

傳統(tǒng)智能制造向新一代智能制造方向發(fā)展，以實現(xiàn)機械化、電氣化、自動化、數(shù)字化并存。到2020年，智能制造裝備國內(nèi)市場滿足率達到50%，重點領域企業(yè)數(shù)字化研發(fā)設計工具普及率為70%。

因此，基于以上技術的發(fā)展趨勢，機器人專業(yè)人才培養(yǎng)應以基礎技術與創(chuàng)新技術相結(jié)合模式為牽引，針對不同人群開展教育模式培養(yǎng)。

二、技術發(fā)展趨勢典型案例

目前，人工智能產(chǎn)業(yè)鏈包含基礎技術支撐、人工智能技術以及人工智能應用三個核心環(huán)節(jié)。首先是基礎技術支撐環(huán)節(jié)，計算機具有良好的運算能力和存儲能力，以計算智能為代表，其包括數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)挖掘等;有了基礎技術支撐的發(fā)展，進而形成人工智能技術，人工智能技術包含感知智能和認知智能兩大內(nèi)容;最后，由于人工智能技術的逐漸成熟，發(fā)展形成了人工智能應用環(huán)節(jié)，其包含工業(yè)4.0、智能教育、智能農(nóng)業(yè)等方面。

研究發(fā)現(xiàn)，人工智能的主要發(fā)展方向是計算智能、感知智能和認知智能。目前，人工智能開始邁入感知智能到認知智能的變遷階段，技術發(fā)展將更多融合感知智能與認知智能，因此，將從機器人感知與認知智能技術以及人工智能的應用方面進行主要分析。

1.機器人感知智能技術案例分析

人類具有敏銳的感覺器官，通過視覺、聽覺、觸覺等智能感知能力與自然界進行交互，從而獲取環(huán)境信息。相比之下，機器在感知方面更有優(yōu)勢，可以進行主動感知。機器人的感知智能是通過攜帶的傳感器獲取周圍環(huán)境信息，提取并且處理其中有效信息，以此來建立模型表現(xiàn)所處環(huán)境的情況。機器人智能感知技術主要以視覺感知為主，機器人視覺是使機器人具有視覺感知功能的系統(tǒng)，是機器人系統(tǒng)組成的重要部分。機器人視覺可以通過視覺傳感器獲取周圍環(huán)境的二維圖像，識別物體所在位置。感知智能以圖像識別為例，圖像識別涉及圖像處理的知識，包括圖像增強、平滑、分割、特征抽取等內(nèi)容。

2.機器人認知智能技術案例分析

在計算智能和感知智能的基礎上，人工智能在向認知智能的方向邁進，使計算機能夠形成自我的分析、思考、理解與判斷。以機器學習為例來分析機器人認知智能技術。機器學習領域主要研究對象是人工智能，如研究在經(jīng)驗學習中改善具體算法的性能。機器學習可分為四個類別：監(jiān)督學習，無監(jiān)督學習，半監(jiān)督學習，強化學習。這四種機器學習方法應用場合不同。在企業(yè)數(shù)據(jù)應用場景下人們最常用的監(jiān)督式學習和無監(jiān)督式學習的模型;半監(jiān)督學習目前在圖像識別的領域應用廣泛;在機器人控制及其他需要進行系統(tǒng)控制的領域更多地使用強化學習。近年來，以神經(jīng)網(wǎng)絡為基礎的深度學習發(fā)展快速，得到人工智能領域研究者的青睞。深度學習在圖像分類，物體識別跟蹤等方面展現(xiàn)出了驚人的優(yōu)勢，這也是機器人認知智能技術發(fā)展的典型案例。

3.人工智能在工業(yè)行業(yè)應用案例分析

目前，工廠生產(chǎn)線上的工業(yè)機器人應用廣泛，這些工業(yè)機器人不斷重復著各自的動作，完成各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的零部件制造、搬運、組裝及檢測等任務，使得過程更加智能化。工業(yè)機器人實現(xiàn)了智能應用，但智能和人工智能是有所區(qū)別的。人工智能的定義是：“它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學”。人工智能在工業(yè)領域的應用廣泛，以工件的缺陷檢測為例進行分析，將缺陷的特征進行識別訓練，通過機器學習的方式自動識別類似的缺陷，顯著提升了檢測的效率。

三、以技術為核心的機器人創(chuàng)新教育成果案例

1.蘇州青少年科普基地

蘇州創(chuàng)想機器人博物館是一家以機器人為主題的博物館，創(chuàng)始之初就承載著“普及機器人知識”的使命，館內(nèi)藏品豐富，集聚了眾多國家的前沿智能機器人，為青少年、機器人愛好者、社會行業(yè)人士等目標受眾提供平臺，并且安排了豐富的機器人教育課程和實踐活動，在此過程中參觀者可以學習機器人前沿知識，感受科技的魅力。

2.蘇州大學先進機器人技術競賽

全國機器人錦標賽與國際仿人機器人奧林匹克大賽是國內(nèi)規(guī)模最大、水平最高的全國智能機器人技術比武大賽，比賽活動涉及教育、藝術、娛樂等多個方面。蘇州大學經(jīng)過嚴格選拔，組織了一支由本科學生組成的參賽團隊，斬獲多個參賽項目的獎項。

蘇州大學醫(yī)療康復機器人團隊將智能機器人技術引入醫(yī)療領域，先后開展了多項研究工作。2014年，蘇大醫(yī)療康復機器人團隊入選大學生“小平科技創(chuàng)新團隊”，獲得國家級大學生科技創(chuàng)新團隊榮譽稱號。

3.蘇州大學研究生創(chuàng)新基地

（1）蘇州大學研究生工作站。人才培養(yǎng)是大學的本質(zhì)職能，一流本科教育是世界一流大學的根本特征，是“雙一流”建設的核心任務和重要基礎。蘇州大學研究生工作站是研究生培養(yǎng)的重要創(chuàng)新實踐基地，企業(yè)與學校雙方互相借力，共同提高科研水平。企業(yè)為研究生團隊提供實驗設施和指導意見，營造自由的學術氛圍;與此同時，學校利用科研和師資力量等資源優(yōu)勢，為建站合作單位提供技術咨詢和技術指導。蘇州大學研究生工作站在加強研究生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面發(fā)揮了重要的作用。

（2）校企聯(lián)合培養(yǎng)模式創(chuàng)新。江蘇匯博機器人技術有限公司專門從事機器人技術研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，采用校企聯(lián)合培養(yǎng)模式，“教育+工業(yè)”雙輪驅(qū)動，使學校根據(jù)地方產(chǎn)業(yè)需求組建高水平實驗室，從而提升學科建設的專業(yè)化程度。學生通過實訓平臺實現(xiàn)由理論知識到實際應用的迅速轉(zhuǎn)換，做到理論學習與生產(chǎn)實踐的零距離對接，針對教學需求做出各類優(yōu)化設計，開發(fā)出了一系列符合工業(yè)實際應用的機器人產(chǎn)品。

4.蘇州智能制造公共實訓基地

中國制造2025規(guī)劃中明確提出要將機器人及智能裝備產(chǎn)業(yè)列為高端裝備制造產(chǎn)業(yè)的重點方向。在此背景下，蘇州園區(qū)工業(yè)技術學校向相關政府申請建設機器人及智能制造技術人才公共實訓基地。該基地是以機器人及智能制造為核心和載體，面向最新產(chǎn)業(yè)技術、對接多個產(chǎn)業(yè)群、容納多專業(yè)進行實踐訓練的教學和科研平臺，建成后能夠適應不同層次機器人及智能制造技術領域人才開發(fā)需要。

四、以技術為核心的機器人專業(yè)人才培養(yǎng)模式建議

在新一代信息技術帶動產(chǎn)業(yè)變革和創(chuàng)新，先進制造技術加速推進制造業(yè)轉(zhuǎn)型的背景下，為了培養(yǎng)以技術為核心的機器人專業(yè)人才，從結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)需求、教學實訓要求、提高師資能力等三個方面給出建議。

1.結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)需求

首先結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求，打造以典型智能應用技術為核心的應用型、開發(fā)型實驗室，按照企業(yè)崗位要求設置教學環(huán)境，以滿足產(chǎn)業(yè)化教學需求。在“把學校看作企業(yè)，把企業(yè)看作客戶”的思維框架下，高校應該以培養(yǎng)高質(zhì)量且符合地方產(chǎn)業(yè)需求的專業(yè)化人才為重要目標，實現(xiàn)人才培養(yǎng)與地方產(chǎn)業(yè)需求無縫對接，構(gòu)建實現(xiàn)“項目引領、崗位實境”的人才培養(yǎng)模式。

2.滿足教學實訓要求

研究項目需要滿足學校相關專業(yè)建設和教學實訓要求，從各自專業(yè)特點出發(fā)，探究不同的工學結(jié)合人才培養(yǎng)模式。推動科技人才培養(yǎng)和重大技術突破，提升工科發(fā)展水平具體包括以下兩個方面：

（1）促進學科交叉。完善促進學科交叉的體制機制，推進學校與產(chǎn)業(yè)界之間的聯(lián)合培養(yǎng)，提供專業(yè)化培訓。

（2）提升工程教育。繼承和發(fā)揚學校工程教育的優(yōu)秀傳統(tǒng)，落實“三位一體”教育理念，創(chuàng)新適應新時代要求的工程科技人才培養(yǎng)模式。學生在吸收知識的同時強化滋生實踐創(chuàng)新能力，加強價值塑造，培養(yǎng)端正的職業(yè)態(tài)度。

3.提高師資能力

機器人專業(yè)人才的培養(yǎng)與師資能力密切相關。需要提高工科類專業(yè)教師的專業(yè)技術水平和教學實踐能力，將教師自身具備的理論知識與以能力為向?qū)У臄?shù)字化教學相結(jié)合，進一步明確工業(yè)機器人人才培養(yǎng)體系，以達到引領和培養(yǎng)智能制造人才的目標。相關教師可以通過項目實驗室的建設，把教育同國家發(fā)展的目標和需求緊密結(jié)合起來，增強人才培養(yǎng)的針對性和適應性。

五、結(jié)語

結(jié)合“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的方針，研究以技術為核心的機器人專業(yè)人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)行業(yè)急需的交叉復合型人才迫在眉睫。同時，打造基礎技術與創(chuàng)新技術相結(jié)合的機器人專業(yè)人才培養(yǎng)方案，將推動以機器人為核心的智能制造逐漸向新一代智能制造方向發(fā)展，對于推動我國實用型高端智能制造業(yè)建設具有深遠意義。

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