新工科背景下機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系構建的探索

龍迎春，韓竺秦，曾祥鋒，彭昕昀

摘? 要：機器人產業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇，但與之相關的專業(yè)人才缺口巨大，給機器人專業(yè)人才培養(yǎng)帶來了重大的挑戰(zhàn)。文章從新工科人才培養(yǎng)定位、課程體系的“新結構”、應具備的“新素養(yǎng)”等方面分析了機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案制定時考慮的幾個問題，圍繞“新素養(yǎng)”“新能力”的培養(yǎng)，以韶關學院機器人工程專業(yè)建設為例，對地方性應用型高校機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標、課程體系進行探討，構建了強化信息技術能力和工程實踐能力的課程體系新結構、新內容。

關鍵詞：機器人工程;新工科;人才培養(yǎng);課程體系

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）30-0147-05

Abstract： The robotics industry is facing unprecedented development opportunities， but the gap of related professionals is huge， which brings great challenges to the training of robot professionals. This paper analyzes issues considered in the formulation of talent training plan for robot engineering specialty from the aspects of talent training orientation of new engineering specialty， the "new structure" of curriculum system and the "new literacy" that new engineering talents should have. Focusing on the cultivation of "new literacy" and "new ability"， taking the construction of robot engineering specialty of Shaoguan University as an example， this paper discusses the training objectives and curriculum system of robot engineering professionals in local application-oriented universities， and constructs a new structure and content of the curriculum system to strengthen the information technology ability and engineering practice ability of robot professionals.

Keywords： robot engineering; emerging engineering education; personnel training; curriculum system

當前我國正逐步推進從制造大國向制造強國的轉變，被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”的機器人已成為衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志[1]，為推進機器人產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，提升機器人技術對產業(yè)轉型升級的驅動作用，國家先后發(fā)布了《中國制造 2025》[2]、《機器人產業(yè)五年發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》[3]等制造強國戰(zhàn)略，機器人產業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇。與此同時，與機器人相關的高層次技術研發(fā)、管理、操作、維護、營銷等方面人才需求大幅上升，據(jù)國際機器人聯(lián)合會研究表明，每增加一臺機器人將創(chuàng)造3.6個就業(yè)崗位，按此趨勢，未來幾年我國機器人新增崗位需求人才缺口巨大[4]。

前期，我國機器人專業(yè)人才培養(yǎng)體系多為機械、自動化等相關專業(yè)兼顧培養(yǎng)，其培養(yǎng)目標與定位、課程體系與設置均乏缺專業(yè)性、系統(tǒng)性[5]。為此，培養(yǎng)高素質的機器人專業(yè)人才已成為國家與各高校關注的焦點。在教育部2016年首次批準東南大學設置機器人工程本科專業(yè)以來，機器人工程專業(yè)在高校中獲得快速的發(fā)展，到2021年，已有260所高校開設了機器人工程專業(yè)。

機器人工程專業(yè)的設置契合了科技革命與產業(yè)變革、新工科人才培養(yǎng)這一時代背景，是新工科專業(yè)的典型代表，“新”是一種取向，是新工科建設的關鍵[6]。如何在“工科”本質的基礎上，做好“新”這一文章，是接下來機器人工程專業(yè)建設與人才培養(yǎng)面臨的關鍵問題。文章以韶關學院為例，探討地方高校機器人工程專業(yè)新工科人才培養(yǎng)方案的制定，力圖結合我校辦學基礎與特點，通過構建新的課程體系與知識結構，培養(yǎng)與新工科人才相適應的“新素養(yǎng)”“新能力”，為新工科背景下地方高校機器人工程專業(yè)建設和新工科人才培養(yǎng)提供一定的參考。

一、人才培養(yǎng)方案制定時需要考慮的幾個問題

（一）人才培養(yǎng)定位

人才培養(yǎng)定位是開展專業(yè)建設、制定人才培養(yǎng)方案的基礎。該定位包括人才培養(yǎng)層次、人才就業(yè)領域和發(fā)展方向等方面。

目前高職類院校在工業(yè)機器人操作、使用和維護的技能型人才培養(yǎng)方面已形成了較好的辦學基礎與特點[7-8]，作為應用型本科院校，如何從系統(tǒng)層面提高人才培養(yǎng)層次，使培養(yǎng)的人才既具備基本的操作技能，又具備進行機器人領域內的應用研究、二次開發(fā)及系統(tǒng)集成能力，是人才培養(yǎng)方案制定時需要考慮的問題。

目前機器人種類很多，從應用環(huán)境角度來看，主要分為面向制造業(yè)的工業(yè)機器人、面向人類服務的服務類機器人，以及面向特種行業(yè)需求的特種機器人三大類，究竟選擇哪一類機器人作為專業(yè)建設方向，將直接決定人才培養(yǎng)方案的制定，影響到人才就業(yè)領域和發(fā)展方向。因此，機器人專業(yè)人才培養(yǎng)發(fā)展方向定位是人才培養(yǎng)方案制定時需要考慮的又一問題。

（二）課程體系的“新結構”

機器人呈現(xiàn)多學科交叉復合的特點，包括控制、機械、檢測、計算機、人工智能、運動學與動力學等眾多學科知識，各高校因辦學基礎和條件的不同，在人才培養(yǎng)方案課程體系構建上存在較大差異[9]。目前主要有兩大類型，其一是以服務機器人為主要對象，以自動化專業(yè)課程體系為主線來確定人才培養(yǎng)課程體系，其二是以工業(yè)機器人為主要對象，以機械類專業(yè)課程體系為主線來確定人才培養(yǎng)課程體系。如何樹立多學科的理念，通過對專業(yè)邊界、課程邊界的再設計，構建機器人專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系的“新結構”，是機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案制定時需要考慮的問題。具體到課程設置的一些問題如：機械類、控制類課程的重構，信息技術類、人工智能類等新技術課程的開設，實踐類課程的安排，課程的必修與選修等等。

（三）新工科人才應具備的“新素養(yǎng)”

傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)過程中，過多關注于專業(yè)素質與技能的培養(yǎng)，存在過窄過細的弊端，人才適應面窄，創(chuàng)新力不足。如何在人才培養(yǎng)方案中融入“新素養(yǎng)”的培養(yǎng)方案，是新工科人才培養(yǎng)需要特別考慮的一個重要問題。李培根院士將“新素養(yǎng)”歸結為“形而上”“使命感和價值感”“空間感”“關聯(lián)力”“想象力”“宏思維”“批判性思維”[10]。這既有傳統(tǒng)意義上的專業(yè)素質與能力方面的“新素養(yǎng)”，也有非專業(yè)素質與能力方面的“新素養(yǎng)”。

二、我校機器人工程專業(yè)建設概況

韶關學院是廣東省屬的區(qū)域性應用型本科院校，地處粵北，緊臨粵港澳大灣區(qū)，所在區(qū)域有厚實的工業(yè)基礎，隨著人口紅利下降，生產成本提高，以及“機器換人”、產業(yè)升級的倒逼作用，高素質的機器人專業(yè)人才需求強烈。為此，我校從2015年開始，在自動化專業(yè)中開設了“機器人方向”，有針對性地開展機器人專業(yè)人才的培養(yǎng);2017年，學校申報設置機器人工程專業(yè);2018年3月通過了教育部的審批、備案; 2019年開展了首屆機器人工程專業(yè)招生。

為配合機器人工程專業(yè)的建設，學校近三年新投入700萬元，在原自動化專業(yè)實驗室的基礎上，新建了工業(yè)機器人仿真與實訓中心、機器人運動控制實驗室、智能機器人實驗室、人工智能實驗室、機器視覺實驗室、工程實踐實訓中心、機器人創(chuàng)客空間等專業(yè)實驗實訓室，滿足機器人工程專業(yè)工程化實踐教學及科研需要。同時與巨輪（廣州）機器人與智能制造有限公司、廣東利元亨智能裝備有限公司開展深入的產學共建，開展機器人工程專業(yè)人才聯(lián)合培養(yǎng)。

三、人才培養(yǎng)目標

基于新工科人才“新素養(yǎng)”的培養(yǎng)要求，以及我校地方性應用型大學的辦學定位，我校機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標如下：

培養(yǎng)立足廣東，服務區(qū)域經濟社會發(fā)展，具有良好職業(yè)道德和人文素養(yǎng)，具有高度的社會責任感和團隊協(xié)作精神，具備數(shù)學、物理等方面的自然科學基礎知識和機器人工程領域相關基本理論、基本方法及基本技能，具備較好的科學思維能力和解決機器人工程領域復雜工程問題的能力，能勝任機器人工程及相關行業(yè)領域的技術開發(fā)、工程設計、系統(tǒng)運行與維護等工作，具有創(chuàng)新精神和專業(yè)自主發(fā)展能力的高素質應用型人才。

學生畢業(yè)后五年左右，預期達成的目標：

1. 具有良好職業(yè)道德和人文科學素養(yǎng)，在工作中體現(xiàn)較強的社會責任感、事業(yè)心，積極服務于國家和社會;

2. 能夠勝任機器人相關領域工程設計、技術開發(fā)、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)運行管理與維護、工程應用等方面的工作，在工程實踐中體現(xiàn)創(chuàng)新能力，成為單位的工程技術和業(yè)務骨干;

3. 具有良好的團隊合作、溝通和項目管理能力，能勝任項目主管或團隊負責人的崗位，能夠在企業(yè)或其他相關部門從事各類技術管理工作;

4. 能通過技術培訓、自主學習等多種方式跟蹤機器人專業(yè)相關領域國內外的發(fā)展，更新機器人專業(yè)領域的新知識、新方法，提升職業(yè)持續(xù)發(fā)展能力。

四、課程體系構建

機器人工程專業(yè)具有多學科交叉融合的特點，在利于形成合理知識結構和能力結構原則的前提下，從通識教育、專業(yè)基礎、專業(yè)素質、職業(yè)發(fā)展等方面，構建“類別+模塊”形式的課程體系，突出機器人工程專業(yè)人才所需的“新素養(yǎng)”“新內容”。各類別中分別設置不同的模塊課程，如表1。

（一）通識課程

培養(yǎng)學生的人文素養(yǎng)、社會責任、科學精神、邏輯思維、語言溝通、批判性思維能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維等非專業(yè)素質與能力的“新素養(yǎng)”，相應的課程模塊如表1所示。

（二）專業(yè)基礎課程

以“夯實基礎”為原則，包括數(shù)理基礎、機電基礎、基本技能三大模塊，全部為必修課。其中數(shù)理基礎模塊課程為學生分析、研究機器人領域工程問題提供基本的物理學、微積分、工程數(shù)學等方面的知識;機電基礎及基本技能模塊為分析、研究、解決機器人領域工程問題提供必備的基礎理論、基本方法和基本技能。課程設置如表2所示。

（三）專業(yè)課程

機器人是一個完整的機電系統(tǒng)，其核心知識體系包括機器人學、感知、規(guī)劃、執(zhí)行等方面的內容，如圖1所示。

專業(yè)課程設置圍繞這四大領域展開，重點培養(yǎng)學生建立起機器人核心知識體系，同時結合工業(yè)機器人和服務機器人結構、原理、應用領域的不同，采取“方向+模塊”的柔性化課程設置形式，設置專業(yè)選修方向課程，拓寬專業(yè)知識結構，培養(yǎng)學生跨領域學習和適應發(fā)展的能力，實現(xiàn)學生個性化的培養(yǎng)。主要課程設置如表3所示。

兩選修方向的限選課程，可作為另一選修方向的任選課程修讀。

五、優(yōu)化課程內容教學，拓展知識結構

（一）優(yōu)化電子技術類、微機類課程教學安排與教學內容

將數(shù)字電子技術課程、模擬電子技術課程分別安排在第2、第3學期開設，將單片機原理及應用課程安排在第3學期。這種安排學生將較早接觸到單片機，有利于培養(yǎng)學生基于軟件編程的數(shù)字化控制技術能力，有利于學生在后續(xù)學習過程中，自主開展基于單片機的實踐項目、學科競賽，也利于創(chuàng)新意識的培養(yǎng)與學風的建設。

課程調整帶來知識結構不完整而引起的學習困難問題，在具體教學實施過程中，通過調整、補充教學內容，協(xié)調做好各知識結構的銜接來解決。

配合理論課程的學習，第2、3學期開設機器人認識實踐I、機器人認識實踐II兩門實踐課程。兩課程均以具備感知、決策、驅動、執(zhí)行等環(huán)節(jié)的智能車作為機器人認識實踐載體開展教學。其中機器人認識實踐I課程配合數(shù)字電子技術課程，以邏輯電路來實現(xiàn)智能車的決策控制，機器人認識實踐II課程以單片機編程方式來實現(xiàn)智能車的決策控制，同時配合模擬電子技術課程，在感知環(huán)節(jié)加入對模擬量信號處理的設計與訓練。

（二）開設具有一定前沿性的新課程，拓展知識結構

圍繞機器人核心知識體系，開設前沿性知識課程，如機器人操作系統(tǒng)（以移動機器人軟件開發(fā)為教學實踐背景，引入ROS開源軟件體系，包括典型多任務分配調度、感知、控制、驅動、決策算法等）;圖像處理與機器視覺（含圖像處理的基本原理，如增強、幾何變換、圖像分割、邊緣提取、數(shù)學形態(tài)學、特征提取，機器視覺系統(tǒng)組成的相關技術，如鏡頭技術、工業(yè)相機、光源技術、圖像采集卡，機器視覺軟件開發(fā)環(huán)境及相關算法庫實際應用開發(fā)）;機器學習（含經典的監(jiān)督學習算法，如k近鄰算法、樸素貝葉斯算法、支持向量機、基于樹的回歸算法和分類回歸樹（CART）算法，無監(jiān)督學習算法：如k均值聚類算法、Apriori算法、FP-Growth算法。結合Python語言，通過實例闡述編寫機器學習的核心算法的實現(xiàn)）。

（三）優(yōu)化信息技術應用能力與工程實踐能力培養(yǎng)體系

機器人工程專業(yè)的“工科”本質決定了工程實踐能力在人才培養(yǎng)中的重要作用，同時隨著信息技術的迅速發(fā)展，計算機編程能力、工程軟件應用能力在機器人專業(yè)應用型人才培養(yǎng)中的作用也越發(fā)重要。針對這兩項能力的培養(yǎng)，從教學內容和教學安排上對人才培養(yǎng)方案進行優(yōu)化。教學內容上，盡量結合行業(yè)主流的工程軟件開展教學，縮短學生理論學習與工程應用間的數(shù)字鴻溝;教學安排上，遵循由淺入深、由認知到設計，保證工程實踐能力和信息技術能力培養(yǎng)過程四年不斷線，同時設置課外的創(chuàng)新實踐學分，以項目驅動方式開展，實現(xiàn)多層次、全方位的新工科人才“新素質”“新能力”的培養(yǎng)。相關課程安排及工程軟件選擇見表4。

六、結束語

機器人工程專業(yè)是我國從制造大國向制造強國轉型過程中，在新工科建設背景下設置的一個新型本科專業(yè)，其人才培養(yǎng)與產業(yè)需求對接還處于探索階段。文章通過對人才培養(yǎng)方案制定時需要考慮的人才培養(yǎng)定位、課程體系的“新結構”、應具備的“新素質”等方面的分析，結合我校所處區(qū)域經濟特點及專業(yè)建設的基礎，提出了我校機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標，重構了基于“新素養(yǎng)”“新能力”要求的機器人工程專業(yè)課程體系，為地方性應用型高校開展機器人專業(yè)新工科人才培養(yǎng)做了有益的探索和實踐。

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