“人工智能+”機器人工程微專業的構建與探索

趙 峰 張廣淵

（山東交通學院 信息科學與電氣工程學院（人工智能學院），山東 濟南 250357）

人工智能作為新科技時代的核心驅動力，正在引發第四次工業科技革命。人工智能已成為世界科技創新創業熱點和焦點，已在多個專業領域和行業場景中深入應用，帶來了巨大的經濟效益和社會效益，為人類生產生活帶來了許多便利，也大大提高了現代人的生活品質。與此同時，機器人被譽為“制造業皇冠上的明珠”，機器人工程專業為國家緊缺熱門復合型新工科專業且人才缺口巨大，隨著人工智能與機器人技術快速融合發展，其在各個行業大規模普及應用，社會對于具有人工智能和機器人工程專業背景的復合型人才的需求將會更加迫切。為此，教育部印發了《高等學校人工智能創新行動計劃》，要求各高校大力推進“新工科”建設，并高度重視人工智能與其他學科專業教育的交叉融合，形成“人工智能+X”的復合型專業培養新模式。

一、微專業的內涵及特點

為主動適應新技術、新業態、新產業的重大需求，微專業是由MOOC巨頭Udacity最早提出的一種創新人才培養模式，是為構建新型跨學科專業組織模式，促進學科專業交叉融合和產學研用協同發展而實施的多樣化辦學模式探索。微專業將碎片化的在線課程進行體系化、專業化和職業化，以就業求職為導向，滿足學生發展自我興趣的需求，以適應新時代人才培養的發展需求[1]152-155。微專業一般是通過在線開放的慕課平臺向學習者提供課程學習，所需學習課程是針對某一專業或特定職業的微小化、定制化課程，一般由5-10門左右的核心專業課程組成。這些專業課程涵蓋了某一專業或崗位群的核心課程或核心技能，以線上和線下混合式教學培養方式，讓學習者快速達到某個專業的畢業要求或某一領域的工作技能要求。

微專業具有以下特點：（1）線上線下的混合式教學模式，學生學習時間靈活；（2）通過核心專業課程的學習，可實現跨學科復合型人才培養；（3）課程體系設置以就業為導向，重視職業綜合實踐能力的培養。

二、“人工智能+”機器人工程微專業的構建與實施

為滿足“人工智能+X”國家戰略的重大需求，山東交通學院率先開設了“人工智能+”機器人工程微專業，旨在讓學生通過微專業的課程學習，能夠系統掌握人工智能和工業機器人的理論知識、核心技術與實踐操作技能，熟悉工業機器人典型應用領域，掌握如何將人工智能和工業機器人技術與所學本科專業融合應用，進而提升學生動手操作與實踐能力、創新創業能力和綜合應用能力，助力學生成為具有核心競爭力的創新型、復合型、應用型技能人才[2]133-136。

（一） 微專業的培養目標與課程體系構建

“人工智能+”機器人工程微專業旨在培養具有良好職業道德和創新精神，掌握人工智能與工業機器人應用領域相應崗位所必備基本理論、專業知識和實踐操作技能，能夠從事工業機器人自動化生產線和智能制造工作站設計、現場編程、調試維護、系統集成等技術工作，具備終身學習意識與能力、具有團隊協作意識、精益求精的工匠精神和高度責任感的創新型、復合型、應用型技能人才[3]119-125。

“人工智能+”機器人工程微專業共設置6門專業課程[4]35-37，共計11學分176學時。其中包括2門微專業的專業基礎課：人工智能基礎、計算機技術基礎（C）；4門微專業的專業核心課：機器人概論、機器人三維建模技術、工業機器人應用基礎、工業機器人離線編程仿真技術。“人工智能+”機器人工程微專業學習時間為一年，分三個學習階段進行，每階段4個月開設兩門專業課程，微專業的課程設置如表1所示。

表1 “人工智能+”機器人工程微專業課程設置

1.人工智能基礎

本課程旨在普及人工智能基礎概念、工作原理及典型應用。通過本課程的學習，學生能夠熟悉人工智能基本概念、發展歷程和范式；熟悉機器學習的原理及主要方法：分類方法、回歸方法和聚類方法；掌握神經網絡的結構、工作原理與神經網絡參數訓練常用方法；熟悉深度學習的原理及應用，掌握人工智能典型應用：圖像信息處理和自然語言處理。為后續深入學習人工智能及行業應用打下良好基礎。

2.計算機技術基礎（C）

本課程采用基于問題驅動的教學方式，引導學生理解程序在機器人中的作用及工作原理，掌握C語言基本語法知識、常用編程指令、編程方法與調試方法，熟練掌握利用編程解決實際問題的編程思維和設計方法，培養學生高級編程語言程序設計能力，鍛煉學生計算邏輯思維，為后續的工業機器人離線編程奠定基礎。

3.機器人概論

本課程旨在普及機器人相關知識及國內外最新、最先進的機器人科技。通過本課程的學習，學生能夠全面了解機器人的發展歷史、構成、工作原理及典型行業應用等，熟悉機器人典型機械結構、運動控制方法、感知與多傳感器融合、智能導航定位、協同控制、人機交互等關鍵核心技術，了解機器人未來發展前景。為后續“人工智能+”機器人工程微專業相關課程的學習打下良好基礎。

4.機器人三維建模技術

通過本課程的學習，讓學生能夠熟練掌握機器人三維建模軟件的使用方法，熟練掌握常用工業機器人零部件的二維草圖設計方法、零部件造型設計方法、零部件裝配仿真方法、零部件工程圖設計方法，熟悉工業產品三維逆向建模設計方法及應用技術，培養學生利用三維建模軟件進行機器人三維設計能力和創新實踐能力。

5.工業機器人應用基礎

通過本課程的學習，讓學生進一步了解工業機器人的發展現狀、分類和典型應用場景，熟悉工業機器人的基礎術語、功能技術參數和運動空間分析，掌握工業機器人系統的基本組成及功能、常用的三種類型的驅動系統、機器人內部和外部常用的傳感器、智能控制系統，熟練掌握工業機器人在線編程與離線仿真編程方法、綜合調試與應用方法，能夠熟練利用示教器手動操作工業機器人和示教編程，為后續工業機器人離線編程仿真技術及綜合設計應用打下堅實的基礎。

6.工業機器人離線編程仿真技術

本課程旨在讓學生熟練掌握工業機器人的離線編程及仿真方法。通過本課程的學習，讓學生熟練掌握ABB工業機器人的離線編程軟件RobotStudio和工業機器人的軌跡編程及仿真運行方法，熟悉ABB工業機器人的通訊方法和基礎數據建立方法、應用RAPID語言編程建立常用工業機器人工作站并離線仿真，為學生后續在不同行業及場景下建立工業機器人工作站打下良好基礎。

（二）微專業的教學方式與考核方式設計

“人工智能+”機器人工程微專業采用線上+線下混合教學方式[5]58-60，以線上自主靈活學習為主、線下見面課和線下實踐課為輔。

1.線上自主靈活理論學習。通過智慧樹在線課程管理平臺或智慧樹知到APP，學生自行靈活安排學習時間在線學習“人工智能+”機器人微專業的視頻講解及操作課程，并在線完成章節彈屏知識點問答、章節內容測試與在線期末考試。

2.線下見面課互動交流學習。按照“人工智能+”機器人工程微專業課程負責老師的約定時間參加線下見面課，完成老師布置的作業、調研報告、設計報告與實踐報告，并參加老師組織的各種小組討論與課程匯報。

3.線下實踐操作技能學習。利用群機器人智動化系統教學實驗平臺、發那科視覺焊接機器人綜合實訓平臺、ABB工業機器人綜合實訓平臺、20套慧靈工業機器人綜合實訓平臺進行工業機器人實踐操作與綜合應用，利用實驗平臺可實現機器人自動裝配、機器人焊接、機器人3D打印、機器人視覺分揀、機器人激光雕刻等，提高學生的綜合實踐操作能力。

“人工智能+”機器人工程微專業課程考核均采用集中時間考核方式[6]88-91，考核內容在智慧樹網站線上考試或工業機器人項目設計，未通過課程考核者允許補考一次。學生如有特殊情況未能在規定時間修完學分，可進行課程補修，最長學習時間不超過錄用日期后24個月。“人工智能+”機器人工程微專業實行學分制，學生在其規定的修業年限內修滿該微專業培養方案所規定的11個必修學分，成績考核合格后，由學校頒發“人工智能+”機器人工程微專業合格證書。

（三）微專業的人才培養實施

“人工智能+”機器人工程微專業課程自成體系，學生入門門檻低，無需前置課程學習要求，在校全日制各年級本科生包括研究生均可報名，不限定學生的專業。該微專業2021年開始，在山東交通學院全校招生運行，通過學校網站、智慧樹網站、山東交通學院微信公眾號、信電U視角微信公眾號、校內海報等統一發布“人工智能+”機器人工程微專業介紹和招生信息。微專業招生信息發布后，全校學生參加“人工智能+”機器人工程微專業的熱情高漲，受到工業機器人實訓設備數量和實訓時間的限制，第一批次“人工智能+”機器人工程微專業在山東交通學院校內共錄取90人，其中包括84名本科生和6名碩士研究生。確定“人工智能+”機器人工程微專業錄取名單后，組織學生在智慧樹網站選課、組班并統一開通智慧樹學習賬號入班學習。

本批次“人工智能+”機器人工程微專業錄取的學生共來自我校的9個學院：信息科學與電氣工程學院、汽車工程學院、軌道交通學院、航空學院、理學院、工程機械學院、交通與物流工程學院、交通土建工程學院、經濟與管理學院，錄取人數最多的學院是信息科學與電氣工程學院，共29人，本批次微專業錄取學生的學院及人數分布如圖1所示。

圖1 微專業錄取學生學院分布圖

“人工智能+”機器人工程微專業錄取前10名專業分別為：電氣工程及其自動化、車輛工程、物聯網工程、自動化、機械電子工程、信息與計算科學、飛行器設計與工程、數據科學與大數據技術、交通信號與控制、機械工程，微專業錄取人數最多的專業為電氣工程及其自動化專業，為15人，本批次微專業錄取學生人數前10名的專業和人數分布如圖2所示。

圖2 微專業錄取學生專業分布圖

“人工智能+”機器人工程微專業錄取學生主要包括山東交通學院長清校區的大學一年級、二年級、三年級學生和碩士研究生。考慮到大四學生面臨畢業，學習時間不足等原因，本批次“人工智能+”機器人工程微專業未錄取大四學生。同時，考慮到“人工智能+”機器人工程微專業有線下工業機器人實踐技能操作學習，本批次也未錄取山東交通學院威海校區的學生。本批次微專業錄取最多的是大一學生共54名，大二學生24人，大三學生和碩士研究生各6人。

三、“人工智能+”機器人工程微專業的特色與優勢

（一）“人工智能+”機器人教學內容融合設計

基于人工智能和工業機器人行業所需崗位及崗位能力需求，融合創新設計微專業的教學體系與課程內容[7]，使學生能夠系統掌握人工智能和工業機器人的理論知識、核心技術與實踐操作技能，靈活應用人工智能和工業機器人技術，提升學生動手操作與綜合應用能力、創新創業能力，使學生成長為具有核心競爭力的復合型應用技能人才。

（二）線上線下混合式教學模式

利用智慧樹在線課程管理平臺，學生可靈活安排時間學習“人工智能+”機器人微專業的線上課程在線教學視頻，完成每一章節的在線彈屏互動問答與章節測試[8]68-71；線下參加老師組織的見面課，師生互動交流學習，匯報機器人課程設計作業，并參加線下小組討論；學生線下到機器人實驗室參加實踐操作技能練習，熟練掌握工業機器人的操作、編程與綜合應用。

（三）項目驅動式的教學方法

“人工智能+”機器人工程微專業實施項目驅動式的教學方法。微專業在實施過程中以教學項目為核心組織教材內容，可在最大程度上提高微專業學生的實踐能力與解決問題能力[9]74-75。同時，項目驅動式教學方法能夠有效突出學生的主體地位，保障微專業學生學習自主性的提升，在實際的教學過程中更加重視師生之間的協作與對話，進而促進微專業教學任務的高質量完成[10]172-175。

（四）思政元素融入微專業

通過引入人工智能與機器人工程專業密切相關的思政案例，將思政教育潤物細無聲地融入到“人工智能+”機器人工程微專業，不僅讓學生加深對人工智能、機器人專業知識的理解及綜合應用，而且能引導學生樹立正確的人生觀和價值觀，培養求真務實的工匠精神，激發學生報效祖國的家國情懷，培養具有愛國情懷、科學精神、職業素養和社會責任感的高素質“人工智能+”機器人工程微專業人才。

四、“人工智能+”機器人工程微專業的未來規劃

（一）建設基于數字孿生技術的虛擬仿真平臺

在《工業機器人離線編程仿真技術》課程基礎上，未來規劃建立基于數字孿生技術的“人工智能+”機器人工程微專業虛擬仿真系統平臺，以企業亟需的技能需求為主導，以企業實際開發的人工智能與機器人項目案例為主線，優化設計微專業的綜合實訓方案，進而高質量提升微專業學生的實踐技能和從業技能。

（二）引入企業師資，建設雙師型教師隊伍

“人工智能+”機器人工程微專業現有專業教師10余人，只有少部分教師具有企業和研究所工作經歷，雙師型師資比例偏低。未來規劃與人工智能和機器人龍頭企業合作，聯合制定微專業的培養方案和課程質量標準，并聘任具有“人工智能+”機器人工程相關開發經驗的工程師授課，建設一支業務素質精良、實踐能力強的“雙師型”教師隊伍，提高微專業課程的實踐教學質量。

五、結語

創新構建了“人工智能+”機器人工程微專業并設計了微專業的課程體系、教學方式和考核方式，并在校內招生第一批微專業學生90人。學生學習微專業積極性高，線上線下混合式教學模式和項目驅動式的教學方法，學生反饋教學效果良好。學生能夠基本掌握人工智能與機器人領域的理論知識、核心技術和關鍵技能，滿足國家和社會對人工智能與機器人工程專業人才的需求。