機器人工程專業卓越工程師培養實踐教學體系構建和模式探索

許德章 汪步云

［摘 要］面對機器人產業的快速興起和人才短缺，教育部于2016年首次批準普通本科院校設置機器人工程本科專業。該專業產業屬性和學科交叉融合性明顯，要求從業人員具有復合能力。機器人工程專業人才培養，尤其是實踐性教學體系構建與教學組織實施，對所有高校來說都是一項全新課題。文章詳細分析了安徽工程大學機器人工程專業畢業生的就業領域，以及機器人產業對從業人員的要求，圍繞學科交叉和能力復合兩個關鍵點，基于“先模塊后合成”的思路，闡述了機器人工程專業實踐教學體系的規劃過程，介紹了在實踐教學模式創新方面推出的舉措。

［關鍵詞］機器人；學科交叉；學科融合；實踐教學；教學體系

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）10-0028-04

汽車行業是工業機器人應用最成功的范例。奇瑞汽車股份有限公司基于自身需求，從工業機器人應用和維護開始，在哈爾濱工業大學的幫助下，開展工業機器人整機研發、生產和應用，培育了埃夫特智能裝備股份有限公司，工業機器人產量形成了一定的生產規模，為蕪湖市培育和發展機器人產業創造了初始條件。2010年，國務院印發了《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》，并提出建成一批產業鏈完善、創新能力強、特色鮮明的戰略性新興產業集聚區，致力于打造一批戰略性新興產業發展策源地、集聚區和特色產業集群，形成區域增長新格局。蕪湖市委和市政府主要領導拜訪了全球及國內知名機器人企業，邀請了國家“863計劃”先進制造領域智能機器人主題專家進行論證，廣泛聽取了各方面的意見，選擇了機器人產業作為蕪湖戰略性新興產業的突破口。經過數年的艱苦努力，2013年10月18日，國家發展改革委、財政部批復了安徽省戰略性新興產業區域集聚發展試點實施方案，重點支持以蕪湖為龍頭打造具有國際競爭力的機器人產業集聚區，揭開了蕪湖機器人產業集聚區建設的序幕。2015年9月18日，“蕪湖機器人及智能裝備產業基地”獲批為安徽省首批戰略性新興產業集聚發展基地。2017 年 11 月 8 日，時任安徽省省長的李國英調研蕪湖機器人及智能裝備產業基地，提出打造國際一流、國內具有重要影響力產業基地的目標。

在勞動力成本快速上升和用工短缺雙重壓力下，我國制造業紛紛采取“機器換人”策略，工業機器人的應用得到了迅速推廣，但人才供給不足嚴重制約了我國機器人產業發展和機器人應用普及。2016年，東南大學在國內率先開設機器人工程本科專業。為了滿足蕪湖市機器人產業集聚區對于機器人領域人才的迫切需求，安徽工程大學于2017年開設了機器人工程專業。2017年以來，教育部積極推進新工科建設，國內高校紛紛開設了機器人工程專業。截至2020年，全國開設機器人工程專業的高校達到了245所。但機器人工程專業的人才培養目標設定、課程和實踐教學體系構建、實驗室建設等，逐漸成為開設該專業高校面臨的共性問題。工業機器人是集機械、電子電氣、控制、計算機、傳感器和人工智能等學科知識于一體的作業裝備，要求從業人員具備多學科知識融合的特質。在開設機器人工程專業的245所高校中，多數高校存在師資不足、實驗實訓裝備缺失、實踐教學體系不健全等問題。

實訓是培養學生面向生產一線解決工程問題的根本途徑。本文針對機器人工程專業人才培養的特點，從卓越工程師培養的角度，探討實踐教學模式和實踐教學內容組織的問題。針對學生工程能力的培養，國內外工程教育界的同行開展了不懈探索。德國“雙元制”模式，項目教學法、案例教學法、合作學習教學法、任務驅動教學法等多種教學方式，取得了公認的成效[1]。東北大學教師王之堅等針對自動化實訓教學，提出了“教做學研”的綜合教學模式[2]，在實踐教學中融入探究式學習。針對智能制造復合型人才培養的特點，在實踐教學過程中，安徽工程大學教授許德章倡導“動腦”+“動手”的理念[3]；江蘇城市職業學院教師張紅霞，提出了基于任務驅動的遠程實訓教學[4]；哈爾濱理工大學教師王進科開展了面向“卓越軟件工程師培養”的校企聯合實訓模式探索[5]；湖北工業大學教師蘇明等探索了“校企合作 、工學結合”的實訓模式[6]；湖南工業大學教師彭成等提出了一種集豐富的實訓資源、便捷的實訓服務、客觀的實訓評價于一體的智能化工程實訓模式[7]。這些都彰顯了新時代高等教育背景下廣大教師的探索精神。九江學院教師閔娟娟認為，理論指導的缺失和低層次的實訓操作訓練，造成實訓課程一味強調乏味的技能練習，沒有將本來密切關聯的各門課程有機結合起來，缺少對綜合能力的訓練，將實訓課變成了實驗課的翻版[8]。考慮到工業機器人涉及多學科交叉的屬性，針對學科融合和能力復合在理論課教學中難以全面達成的問題，安徽工程大學（以下簡稱“我校”）努力探索實踐性教學與各學科相融合、形成能力復合的新途徑，并取得了積極成效。

一、機器人工程專業工程能力剖析

目前，機器人工程專業學生的就業主要去向包括工業機器人整機廠、工業機器人集成應用開發企業、工業機器人應用企業等。其中，工業機器人應用企業就業容量最大，涉及行業包括汽車及零部件制造、金屬制品制造、制藥和食品、電子產品、家用電器、陶瓷和衛浴、家具制造等。工業機器人集成應用開發企業往往專注于工業機器人作業裝備和生產線研發的細分領域，是我國工業機器人應用推廣的主力軍，常涉及機械、驅動和控制等眾多技術集成與應用，往往要求從業人員具備多領域技術集成創新能力。按照作業任務劃分，工業機器人通常用于焊接、碼垛、噴涂、涂膠、打磨、裝配、激光切割等。以工業機器人作業任務為依據，針對工業機器人運行和維護的專業技能，2020年，人力資源和社會保障部、工業和信息化部聯合制定了工業機器人系統運維員國家職業技能標準，細化了工業機器人運行和維護職業技能標準，設定了四個技能等級，分別為四級/中級工、三級/高級工、二級/技師和一級/高級技師[9]，要求從業人員能夠熟練操作工業機器人、編寫和調試工業機器人應用程序、維修和保養工業機器人本體和控制系統、排除常見故障、正確安裝和調試工業機器人、熟悉1～2種工業機器人典型應用，具體包括以下11項操作技能：（1） 工業機器人基本操作；（2） 工業機器人零點標定；（3） 工業機器人坐標系設定；（4） 工業機器人工具校正（TCP校正）；（5） 工業機器人運動編程；（6） 工業機器人邏輯編程；（7） 工業機器人作業工具和輔具安裝、調試；（8） 工業機器人機械本體保養維護；（9） 工業機器人電氣系統保養維護；（10 ）工業機器人典型應用作業工藝擬定；（11）工業機器人外部設備校正，工業機器人外部控制裝置安裝、編程、調試與維護（PLC編程）。

上述11項技能僅局限于技能型人才，對于機器人工程專業學生，則要求他們不僅要掌握上述11項常規操作技能，還要掌握機器人運動學和動力學基本理論知識，具備機器人本體和控制系統設計能力、機器人作業工藝規劃和夾具等輔具開發能力、工業互聯網組網能力和系統集成能力等。專業主干課程見圖1，包括8個課程模塊，涉及多個一級學科，分別為力學類、機械類、電工電子類、計算機類、驅動類、控制類、信息感知類和機器人類。上述課程在理論講授過程中，難以從根本上解決多學科交叉和融合、能力復合的問題，而實踐教學在學科交叉融合和能力復合方面能發揮至關重要的作用。

二、機器人工程專業課程教學目標與內容設定

（一） 教學目標

課題組依據機器人領域從業人員知識結構和專業能力構成，以及機器人工程專業主干課程，規劃構建了實踐教學體系，以實現多學科交叉融合和能力復合教學目標的達成。

（二） 實踐教學內容設定

基于“先模塊后合成”的思路，設定了機械設計、電路+計算機+驅動、機器人、學科交叉融合和能力復合四大實踐教學模塊，規劃構建了機器人工程專業實踐教學體系，具體如圖2所示。其中，機械設計模塊突出機械傳動和結構設計、零部件表達、鉗工和車工基本操作技能。電路+計算機+驅動模塊完成基本電路裝調實驗實訓、微機（單片機）接口電路設計與調試、嵌入式系統軟件編寫練習、PLC控制系統實驗、液壓和氣動回路控制實驗，選用電機、電磁閥等作為PLC和微機接口控制對象，完成裝置統調，實現特定功能，達成硬件、軟件、控制、驅動知識的綜合和工程能力初步復合的目標。機器人模塊突出工業機器人機械結構、控制系統組成和功能的剖析，以及操作技能和編程能力的培養。在完成分模塊訓練和工程能力初步復合的基礎上，設定了學科交叉融合和能力復合模塊，包括機器人作業單元設計、云制造生產線設計、畢業實習與設計三個遞進環節，達成機器人工程專業主干課程知識獲得綜合應用的目標。上述實踐教學體系的執行，巧妙地實現了機械、計算機、控制和人工智能等學科的交叉融合，工程能力的復合也得到了生動的詮釋。

三、機器人工程專業實踐教學模式探索

除教學體系要科學合理外，教學目標達成的關鍵還在于教學模式的有效性。針對機器人工程專業學科交叉融合和能力復合的特點，我校在實踐教學模式創新方面積極探索，取得了初步成果。我校探索的主要思路是設定“普適性要求”和“個性化提升”兩個層級目標。按照圖2的實踐教學體系，要求機器人工程專業全體學生完成全部實踐教學內容和能力測試評價，達成“普適性要求”的目標。此外，策劃了安徽省大學生工業機器人應用大賽、工業機器人應用技能認定等活動，利用我校機器人特色實驗室的設備條件，以及與蕪湖安普機器人產業技術研究院有限公司（簡稱“安普公司”）建立的產教融合機制，向學生開放校企雙方實驗場地，以便于學生利用課余時間開展集訓或突擊性訓練，借助競爭性賽事和規范化考評機制，促進學生工程能力的進一步提升，挖掘學生的潛力，最終達成“個性化提升”的教學目標。圖3為學生在安普公司實訓的場景，圖4為2020年度安徽省大學生工業機器人應用大賽的賽場。

安徽省大學生工業機器人應用大賽以滾動自動裝配作業為應用場景，要求采取雙機器人協作方式，在工裝夾具等的輔助配合下，自動執行滾動軸承內圈和外圈拾取、灌注、分珠、放保持架等裝配操作，考查選手的機械夾具和電氣裝調、氣動系統調試、上下位機組網通信、PLC和工業機器人應用程序編寫等綜合技能，評判選手是否具備多學科交叉融合和能力復合素養。圖5為選手正在完成電氣裝調操作。

安普公司被安徽省發展改革委、安徽省人力資源和社會保障廳、安徽省教育廳聯合認定為安徽省首批培育的產教融合型企業，以及蕪湖工業機器人定點培訓機構，其面向機器人工程專業學生開設了機器人工程專業技能培訓班，參照職業技能認定辦法，考評測試“機器人基本知識”“機器人操作與編程”“機器人集成應用”“機器人協調作業”和“機器人拆裝”五個方面的專業技能，為考核合格者頒發技能認定證書，如圖6所示。

四、結語

機器人工程專業是面向機器人產業和智能制造領域開設的新工科專業，與機械設計及其自動化、機械電子、自動化等傳統工科專業相比，其多學科交叉融合特征更為明顯，對于畢業生能力復合性要求更為全面。我校基于“先模塊后合成”的思路，規劃構建了機器人工程專業實踐教學體系；按“普適性要求”和“個性化提升”兩個層級開展實踐教學模式探索。針對青年學生好勝心強的特點，我們在實踐教學過程中引入了對抗性訓練；為了解決實踐教學效果評測嚴謹性不足的問題，我們引用了職業技能認定辦法。經過我校一屆學生完整的教學實踐的驗證，本次改革效果得到了學生的充分認可，人才培養質量得到了用人單位的高度肯定。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 蔡如意. 人工智能背景下中職工業機器人專業實訓課程設計研究[D]. 天津：天津職業技術師范大學，2020.

[2] 王之堅，錢曉龍. 基于應用型人才培養的自動化實訓教學模式探索[J]. 實驗室研究與探索，2017（3）：235-237.

[3] 許德章. 面向智能制造的復合型人才培養實踐教學體系構建[J]. 大學教育，2020（10）： 161-164.

[4] 張紅霞. 基于任務驅動的遠程實訓教學及其實現方法[J]. 信息化建設，2016（6）：219.

[5] 王進科. 面向“卓越軟件工程師”培養的校企聯合實訓模式探索[J]. 教育教學論壇， 2014（31）：20-21.

[6] 蘇明，劉世金，徐昕. 基于來料加工的專業實訓教學實踐與探索[J]. 黑龍江教育學院學報，2010（10）：88-90.

[7] 彭成，周曉紅，文鴻，等. 地方高校計算機類工程實訓智能化服務模式的研究與實踐[J]. 計算機教育，2019（1）：162-166.

[8] 閔娟娟. 計算機專業軟件類課程群的實訓教學模式方案[J]. 計算機教育，2015（15）：100-102.

[9] 中華人民共和國人力資源和社會保障部，中華人民共和國工業和信息化部.工業機器人系統運維員 職業編碼：6-31-01-10［S］.北京：中國勞動社會保障出版社，2020.

［責任編輯：鐘 嵐］