新工科背景下機器人工程專業人才培養體系建設思考

朱銀龍 馬晨波 楊青 劉英

摘? 要：機器人工程作為我國剛起步的新工科專業，其建設成效將直接影響未來國家經濟的發展和中國在全球經濟中的主導地位。文章通過分析現階段國內外大學機器人工程專業發展歷程及特點，梳理機器人工程專業建設中存在的問題，提出機器人工程專業建設思路與改革辦法。

關鍵詞：新工科;機器人工程;專業建設;人才培養

中圖分類號：C961? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）14-0025-05

Abstract： As a new engineering specialty in China， robot engineering will directly affect the future economic development of the country and China's dominant position in the global economy. This paper analyzes the development history and characteristics of the university robot engineering at home and abroad， and sorts out the problems existing in the construction of robot engineering， and puts forward the ideas and reform methods of the robot engineering.

Keywords： new engineering specialty; robotics engineering; construction of specialty; talent development

機器人和高檔數控機床是“中國制造2025”重點發展的十大領域之一，國家對此十分重視。由工信部、發改委和財政部聯合印發的《機器人產業發展規劃（2016-2026年）》，提出五年內我國形成較為完備的機器人產業體系。文件指出，大力發展機器人關鍵零部件，強化產業基礎能力，著力推進應用示范，積極培育龍頭企業，從多方面助推制造業轉型升級，實現“智能化”+“信息化”，解放人類勞動生產力[1]。預計到2021年，我國機器人應用人才的需求量將達到100萬。

為了滿足未來新興產業和新經濟對掌握機器人技術的專門人才的迫切需求，我國高校積極開設機器人工程新專業：2016年1所，2017年增加25所，2018年增加60所，2019年申請備案的101所，合計為187所。目前開設機器人工程專業的大學發展迅速，既有985和211高校，也有普通本科高校和民辦高校。行業發展的需求對新工科背景下機器人工程專業教學和建設提出了新的要求，機器人工程專業面臨著新機遇、新挑戰。然而短時間內，眾多高校競相開設的機器人工程專業面臨著課程體系建設不充分、基本教材不足、實驗實踐教學體系論證不完全等問題，這些關乎機器人工程專業的未來發展。在新工科建設背景下，如何以新理念、新模式培養具有扎實的機器人專業基礎知識、卓越工程實踐能力、勝任行業發展需求的創新型人才，已經成為機器人專業發展急需解決的關鍵問題。

一、國內外大學機器人工程專業發展現狀與特點

就世界范圍而言，美國、日本、韓國、歐洲等國家地區的機器人技術發展較為領先。下面對這幾個發達國家地區的機器人教育現狀做深入分析和探討。

美國的卡耐基梅隆大學于1979年率先成立機器人研究所，并于1988年設立了機器人學博士項目。發展到今天，卡內基梅隆大學可覆蓋從本科到研究生的全方位機器人教育。機器人專業學位課程主要包括四個模塊：（1）數學基礎;（2）力學知識包括機器人運動學、動力學及控制;（3）機器人感知理論（譬如機器視覺、各類傳感器及應用等）;（4）機器人的認知與推理（機器學習、人工智能等）。另外，機器人專業還提供了提升學生動手能力的實踐課和選修課。依據學生的興趣自由選擇仿人機器人、移動機器人、機電一體化等選修課。美國的Worcester理工學院[2]于2006年，加州大學Santa Cruz分校于2011年、Lawrence理工大學于2011年相繼成立機器人工程本科專業，根據各個學校的特點，依托不同學科，發揮學科交叉的特點和優勢，凸顯機器人這一交叉學科的主體地位。這些高校的機器人教學具有如下特點：以機電、自動化、計算機作為專業基礎課程，以機器人相關課程作為專業課，提倡培養學生實踐能力，積極開展機器人競賽，同時利用機器人教育平臺與其他課程教學交叉融合。美國其他知名高校一般將機器人作為研究方向，尚未開設本科專業。如麻省理工學院的野外與空間機器人實驗室掛靠機械工程系、斯坦福的機器人實驗室則隸屬人工智能實驗室。但是，這些高校的研究生課程設置也都參考借鑒了卡耐基梅隆大學的課程設置方法。

2004年，全球第一個機器人本科教育的專業在英國Plymouh大學開設。該校的辦學思想是全面提升學生的動手實踐能力，圍繞機器人這一應用型、實踐性強的專業特點。將動手能力的培養貫穿機器人課程教學中，將電子設計、嵌入式編程、機電開發、人工智能等領域相關知識和分析問題的能力、實踐技能的培養貫穿大學四個年級。

眾所周知，日本的機器人教育以及機器人應用在全球領先。這一現象并非偶然，主要在于日本的很多高校都為學生開設機器人課程，同時每個學年都定期舉行各種機器人競賽。學生將在課堂上所學知識用于機器人的制作開發，通過競賽發現問題，這激發了學生的學習興趣，提升了學生分析問題、解決問題的能力，達到以賽促學的作用。

日本的機器人教育給全球國家做出了較好的榜樣。近年來，世界各國特別是德國、新加坡、韓國等，也逐步認識到機器人教育的重要性，并加大了在中學、大學各個階段的機器人教育和機器人競賽方面的投入。

調研結果顯示國外高校的機器人教育中表現出兩個特征：（1）實踐環節所占學時比例較大;（2）在其他課程的教學中將機器人作為培養復雜工程問題解決能力的一個有效載體。

與世界發達國家相比，我國機器人技術領域的研究相對較晚，發展水平與世界發達國家有一定的差距。同時，機器人方面的教學也比較滯后。目前機器人相關教育主要分為兩類：一類以清華大學、哈爾濱工業大學、上海交通大學等重點高校為代表的研究生階段教育;另一類以一些高職類院校為代表的工業機器人應用型教育，在課時安排上，理論課程所占比重遠大于實踐環節的比重。其他大部分本科高校均是開設一些概論或選修性質的課程，機器人的教育教學并未形成體系。

國外機器人本科專業相對較少，且集中在一些知名高校。反觀國內，自2015年東南大學申請的全國第一個機器人工程專業并于2016年獲批，至今短短四年內已有187所學校（北京大學、東北大學、浙江大學、南京航空航天大學、湖南大學、南京林業大學、南京工程學院等）獲批機器人專業。國內各高校的機器人工程專業的教育由于師資來源不同主要分為三個發展方向：（1）以自動化為主，側重機器人的驅動與控制;（2）以機電為主，側重機器人的機電一體化系統;（3）以計算機為主，側重機器人的人工智能和軟件方面。

二、機器人工程專業建設面臨的問題

（一）各學校支撐學科不同，機器人專業建設方向與課程體系差異大

近年來國內開設機器人工程專業的學校規模與層次均不太相同，機器人工程專業這一新工科專業的學科代碼與自動化類專業相近，然而在各高校所屬的學院也完全不同。主要分為三類：（1）隸屬機械工程學院，如中國礦業大學和南京航空航天大學等;（2）隸屬自動化學院，如東南大學、南京工程學院等;（3）直接成立新學院，如東北大學。迄今為止，對機器人工程專業的建設尚無統一建設目標。各學校對機器人工程專業的理解不同，導致課程體系和建設方向存在較大差異。

（二）對新工科專業的理解不深，內涵不夠，學生創新能力培養有待提高

針對新工科專業的改革與探索，國內各高校都投入了極大的精力和人力。但是總體而言，對新工科內涵的理解層面還不深。大多數高校對新工科的理解還停留在“校企合作”等形式上，并未深入理解新工科與傳統工科專業的區別和聯系，多數校企合作多流于形式，重儀式、輕內容[3]。各高校未能有效對傳統專業進行升級、改造，依然采用陳舊的課程體系和教學方法，無法有效培養學生的創新意識和實踐能力。部分教學改革仍然是“新瓶裝舊酒”，形式改變，但課程體系和內容依舊[4]。

（三）缺乏有效教材指導，專業師資配置不合理

機器人工程專業的知識體系比較廣，其工程基礎課程、專業基礎課程和專業課程與傳統專業差別較大。目前市面上的教材主要是以前機械電子工程專業開設的機器人選修課教材和一些科研專著，不能滿足機器人工程專業的實際教材需求。

各高校的機器人工程專業主要師資力量來源為機械電子工程專業或自動化專業，機器人專業師資人才缺乏，短期內如何高效解決師資配置是急需解決的問題。

三、機器人工程專業建設與發展思路

圍繞機器人工程專業的建設，我們急需抓住機遇，積極探索與建設新工科背景下的機器人工程專業的課程體系[5]，根據設置機器人新專業的學校特點，分析學校特色、支撐學科對不同學校機器人工程這一新工科專業課程體系建設的影響。建立針對不同學校定位及支撐學科特色的差異化機器人工程專業課程體系建設指導方案，同時深入探討課程體系建設中的實踐創新方法。對目前存在的問題提出解決辦法和機器人工程專業未來建設思路。

（一）突破學科壁壘，制定“機電+智能”的機器人工程專業課程體系結構

機器人工程專業是面向未來社會和技術發展，滿足未來經濟發展需求的新工科專業。新工科專業的發展和新經濟的發展密切相關，其所面向的生產組織形式和客戶需求與傳統專業完全不同。面向新形勢，各高校在辦學時不能用傳統的高等教育組織模式和教學理念、方法來理解機器人工程專業內涵。各高校對機器人工程專業的機器人課程體系還處在摸索階段，機器人工程專業的核心課程資源不足，實踐教學環節面臨巨大挑戰，課程體系建設在短期內更是一個急需解決的問題。破除機械類、控制類學科關于機器人專業課程體系偏機電、偏控制之間的爭議，依據各個學校的學科特點，制定適合學校特色的機器人工程課程體系不失為一種選擇。這里以南京林業大學的機器人工程專業為例，闡述該專業課程體系建設思路與未來發展途徑。

圖1所示為南京林業大學機器人工程專業課程體系，四個學年的主要課程按照知識培養層級和知識模塊分布如下：從低年級到高年級;從工程基礎/通識課程、專業基礎、專業課程到綜合課程;從機器人認識、機器人機電基礎設計、機器人驅動與控制到機器人系統設計;以及從認識實習/金工實習、課程設計、生產實習到畢業設計的遞進實踐環節培養。課程充分體現“機電+智能”的特點，分為專業基礎課、專業核心課、專業選修課。專業課程按照知識結構劃分為三大課程群。

1. 機器人本體設計分析課程群。主要涵蓋機器人本體設計、工程圖學、工程力學、機械設計基礎等課程，讓學生掌握機器人機構學等相關知識，可進行機器人本體及相關機電裝備結構設計、建模仿真。

2. 機器人感知與控制課程群。主要包括機器人測試與傳感技術、人工智能原理與應用、機器視覺與圖像處理，移動機器人控制等課程。學生需要掌握機器人傳感與控制知識，利用新手段如人工智能技術實現機器人系統的智能控制、決策、規劃等，解決復雜工程問題。

3. 機器人系統集成與應用課程群。此模塊主要培養學生綜合實踐能力，包括工業機器人應用、機器人學、機器人操作系統、機電傳動控制等課程。讓學生掌握機器人工作站系統構建、熟悉使用機器人操作系統并將其用于機器人系統開發。

（二）打破傳統的教學方式，構建具有新工科特質的協同創新能力和創業能力訓練的實踐教學平臺，推進信息技術與實驗教學深度融合

新工科人才教育注重學生實踐能力的培養，解決傳統教學過程所導致的理論教學與實踐教學未能有效融合、實踐教學模塊連續性弱、實驗教學知識碎片化等問題。通過機器人工程專業培養方案的頂層設計，重新優化課程體系，實踐教學有效連接理論教學，建立新型實踐教學模式。引入工程認證教育理念，以學生為中心，注重學生分析問題和實踐能力的培養。充分利用新型教學模式，如項目教學法，通過具體項目引導學生探究，啟發學生思考。項目教學法的實施使得學生在完成項目的過程中，加強對專業基礎知識和技術技能的掌握，培養職業素養的同時，也達到培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力。大力引進企業兼職教師，在常規的教學基礎上充分利用企業兼職教師的工程背景和工程經驗，發揮他們的行業背景優勢，實現授課方式的多樣化和實用性[6]。

在機器人專業建設中將依托國家級現代林業裝備及其自動化虛擬仿真實驗教學中心和江蘇省機械工程虛擬仿真共享平臺，虛實結合，引入協同育人項目，實現產教融合，充分發揮學生社團作用，構建好協同創新能力和創業能力訓練的實踐教學平臺，將人工智能、智能制造等融入實驗教學，推進信息技術與實驗教學深度融合（見表1）。

立德樹人，以生為本、致力于培養“基礎知識厚、專業能力強、綜合素質高、具有國際視野和社會責任感”的創新創業人才，是新工科建設的重要目標。建立從低年級的新生研討課、科技文化節、創新實驗課程到高年級的創新實踐項目、創業訓練項目、大學生研究計劃的大學階段全覆蓋式創新能力培養課程。做到因材施教，吸納學生參與教師的國家自然基金、省重點研發項目和企業課題，培養學生科研能力;鼓勵引導學生參加機器人大賽、“挑戰杯”競賽、“大學生創新項目”、“互聯網+”競賽及其他各類創新創業大賽，多渠道、多層次培養創新創業人才。

（三）積極開展機器人工程專業教材的規劃和編寫

工作，豐富機器人工程專業師資隊伍層次結構

教材是教學的基本工具，承載教學內容和教學方法，同時，也是深化教育教學改革，全面提升素質教育，培養創新人才的重要保證。如何合理規劃和編寫好教材，需要我們科學合理設置專業知識模塊，做到橫向、縱向規劃合理，知識體系一脈相承，課程之間知識有交叉聯系但無重復，理論與實踐相結合，為專業培養創新人才提供有力保障。對于機器人工程新專業教材不多的現狀，各校應針對人才培養目標定位，細化課程目標，選用適合課程培養體系的現有教材，或者根據需要與出版社合作編寫教材。

機器人工程專業是機械、電子、控制、信息多領域知識的融合，應依據各高校不同培養目標和畢業要求確定的課程體系和學科發展需求配置機器人工程專業師資，建設一支多學科交叉、學緣合理的高素質師資隊伍。為解決師資短缺問題，各校可引培結合，即引進國內外高校高層次人才的同時，注重培養本校優秀的青年教師，形成學緣合理、結構優化、多學科交叉、具有工程經驗的師資隊伍，推動機器人工程專業建設與學科發展。

四、結束語

機器人是典型的機電一體化產品，機器人工程專業則是機械、自動化、計算機等多學科交叉的應用型專業。從長遠看，機器人工程的專業建設應該立足國家經濟發展需求，通過認真調研就業市場需求，根據各校具體情況，確立機器人工程專業人才培養目標定位，相應制定適合各高校特點的人才培養方案和課程體系。突破學科壁壘，通過智能驅動培養學生高階思維能力，從注重知識傳授轉變為“知識、能力、素質”并重的系統培養;通過建立四年制全覆蓋式創新創業能力培養課程，多渠道、多層次培養創新創業人才。

參考文獻：

[1]周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[2]姚威，胡順順.美國新興工科專業形成機理及對我國新工科建設的啟示——以機器人工程專業為例[J].高等工程教育研究，2019（5）：48-53，87.

[3]胡而已，唐超權.機器人工程新工科專業建設探析[J].教育教學論壇，2019（19）：244-245.

[4]胡而已，唐超權.機器人工程新工科專業人才培養模式淺析[J].教育教學論壇，2019（32）：259-260.

[5]李正良，廖瑞金，董凌燕.新工科專業建設：內涵、路徑與培養模式[J].高等工程教育研究，2018（2）：20-24，51.

[6]溫宏愿，孫松麗，劉超.工業機器人專業集群建設探索與實踐[J].高等工程教育研究，2019（3）：47-51.