新工科背景下機器人工程專業創新實踐體系分析與思考

孫明曉 欒添添 尤波 徐軍 李東潔

摘 ?要：機器人工程作為一個跨領域、廣交叉、大協作的新興專業，目前尚無適應新工科要求的系統性實踐體系范式。為此，文章以新工科專業建設為背景，將機器人專業相關的交叉知識系統化和實踐化，構建創新實踐體系模式，培養理論與實踐相結合的創新機器人專業人才。首先明確核心概念的界定和研究范圍的限定，進而提出創新實踐實驗室建設的具體目標和創新突破之處，并給出研究方法、具體措施以及實施步驟。以理工大學自動化學院機器人工程專業為例，設計創新實踐生態系統平臺，構建符合新工科發展要求的連貫化、層次化、系統化的機器人專業協同育人創新實踐新體系。實現不同學科的交叉創新，可推廣至本區域乃至全國其他院校新工科人才培養。

關鍵詞：新工科;機器人工程;創新實踐體系;實驗室建設

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）18-0033-05

Abstract： Robotics engineering is an emerging specialty with cross-fields， wide crossover， and great collaboration. At present， there is no systematic practice system paradigm to meet the requirements of new engineering. Therefore， this paper takes the construction of a new engineering specialty as the background， systematizes and practices the cross knowledge related to robot specialty， constructs the mode of innovative practice system， and cultivates innovative robot professional talents with the combination of theory and practice. First， the definition of the core concepts and the limitation of the research scope are clarified. Then the specific goals and innovation breakthroughs of the innovation practice laboratory construction are proposed. And the research methods， specific measures， and implementation steps are given. Taking the robotics engineering major of Automation College of Harbin University of Science and Technology as an example， this paper designs the ecosystem platform for innovative practice， and constructs a coherent， hierarchical and systematic new system of robot collaborative education innovation practice that meets the development requirements of new engineering. Realization of the cross innovation of different disciplines can be extended to the training of new engineering talents in other colleges and universities in the region and even in the country.

Keywords： new engineering; robot engineering; innovation practice system; laboratory construction

近年來，美國、英國、德國、日本、俄羅斯等國家對機器人產業均制定國家發展計劃，我國也出臺了《中國制造2025》，機器人為十大戰略的第二位，其重要性不言而喻。隨著人工智能和機器人開始重構人類學習、生產生活和思維的方式，培育創新實踐人才已經成為新時代課題。機器人工程，不但是工科新興專業學科，而且會向新工科的其他學科和專業滲透，成為加快推動新工科建設的核心競爭力。但現在如何在課堂理論講授和實驗實操之外，將機器人專業相關的交叉知識系統化和實踐化，培養新型機器人專業人才，是創新實踐研究的理論基礎和探索方向。

一、具體問題

2015年教育部正式將機器人工程設置為本科教育特設專業，歸屬于自動化大類，專業代碼080803T。2020年為止共計301所本科高校開設了機器人工程本科專業（2015年1所，2016年25所，2017年60所，2018年101所，2019年61所，2020年53所）。但每個學校招生人數十分有限，短期內無法保證大量機器人行業對口專業畢業生。不能從根本上解決機器人行業人才需求的問題，人才結構性矛盾比較突出。

機器人工程作為一個廣交叉、大協作的新興專業，目前還是基于傳統專業的實踐培養方案，與專業配套的精品實踐課也相對較少。同時，現有的機器人實踐環節手段相對落后，不能滿足人才培養需求;作為一個新專業，從原來單一方向拓展為若干個方向，需要補充相應的實驗實踐設備及場地來滿足需求，原有實踐條件無法滿足;同時作為新專業適應國家新工科發展的需要，必須具備一定量的綜合實踐訓練項目，目前開設該專業的高校普遍尚未達到這一要求。

因此，如何在新工科背景下對機器人工程專業進行創新實踐設計，將機器人專業相關的交叉知識系統化和實踐化，建設創新實踐實驗室，培養理論與實踐相結合的機器人工程專業人才，是本研究的關鍵所在。

二、選題的意義

2012年，教育部和財政部聯合制定并印發了《“高等學校創新能力提升計劃”實施方案》（簡稱“2011計劃”）。目前，各高校正在積極全面探索和不斷實踐中。培育創新實踐型人才是國家創新機制建設的核心任務。

智能化機器人技術既是先進制造行業的主要組成部分，又是改變人類生活的重要方式之一，它的設計、研發和產業級應用是衡量一個國家科技創新以及高端制造發展水平的重要標志。融合數理、控制、電氣、機械、計算機和其他學科于一體的機器人技術是新工科建設極具代表性的前沿交叉學科，更是新工科建設最為重要的突破口，必須通過科學合理的頂層設計，配合全面深刻的課程改革方案，再利用創新實踐來不斷完善和優化系統整體設計，從而讓機器人工程有望成為高校建設新工科下的特色專業與形成創新人才培養的主戰場。

三、研究價值

隨著機器人技術在世界范圍內迅速發展和廣泛應用，美國提出“重返制造業”，大力全面發展人工智能和機器人技術;歐盟提出“新工業革命”，重點推進機器人、人工智能技術等新興產業發展;德國提出“工業4.0”計劃，其總體目標是借助機器人實現“綠色的”智能化生產;日韓也將機器人列為未來戰略新興技術，制定詳細深入發展計劃。而我國已經成為全球最大的機器人市場，十分迫切需要大量掌握機器人原理及應用技術，能從事機器人及其系統設計、制造、檢測與維修、生產運行與管理等工作的復合型高級工程技術人才。

另外，作為智能制造的重點核心突破口，機器人的開發與應用對于構建區域工業經濟發展戰略新高地、提升高端裝備制造業的技術水平和生產效率具有重要意義。迫切需要大批量高素質的機器人創新人才來促進區域相關行業的發展。

因此，探索在新工科背景下機器人工程專業創新實踐體系的建設，進而研究創新實踐人才的特色培養模式，成為極具理論與實用價值的新課題。本文以哈爾濱理工大學自動化學院機器人工程專業為出發點，分析并思考如何構建面向新工科的機器人工程專業創新實踐體系，輻射本校其他院系，實現不同學科的交叉創新，進而可推廣至黑龍江省乃至全國其他院校新工科創新實踐人才的培養。

四、研究核心與范圍

（一）核心概念的界定

（1）將機器人與人工智能相結合，自主研制機器人創新實踐系統，激發創新引擎。

（2）積極探索產學研協同下具體需求任務驅動創新的機器人工程實踐的育人新模式。

（3）培養學生如何學習、堅持不懈地終身學習，團結協作以及腳踏實地、實事求是的工匠精神和關注社會發展的家國情懷。

（二）研究范圍的限定

對于新工科背景下機器人工程專業創新實踐實驗室建設這樣一個全新課題，需要限定研究范圍如下。

（1）建設定位：機器人創新實踐體系能否成為溝通課堂與社會的橋梁？能否切實解決機器人工程專業培養體系中實際存在的創新實踐不足等相關問題？

（2）培養模式：學生應該具備怎樣的素質和能力才能去實現機器人創新實踐實驗室建設定位，進而符合機器人工程專業的建設要求？

（3）建設實現：如何建設科學的創新實踐培養體系，使得學生能具備期待的素質和能力？用怎樣的反饋信息或核心指標去評估、不斷改進和優化創新實踐中心建設？

顯而易見，這是一個大慣性滯后的多變量非線性系統。要獲得最優解需要進行大量的探索和實踐，同時，建設過程中還不得不時刻考慮學生的學習現狀、就業情況以及教師隊伍力量。辦學主體對建設平臺的期望和相應資源、學校所處的產業環境等，這些都構成創新實踐體系建設的邊界條件，也是研究范圍的限定。

（三）國內外研究現狀述評

分析國內外知名機器人創新實踐團隊培養模式，特別是以美國硅谷科技區域內高校對機器人創新實踐人才培養的分析，對本課題研究工作有很好的借鑒意義。以8所著名大學創新人才培養經驗為例，可獲得研究相關方向的研究水平及發展趨勢。如麻省理工學院機器人腿足實驗室、卡內基梅隆大學機器人研究所、斯坦福大學人工智能實驗室、哥倫比亞大學機器人研究團隊、南加州大學機器人研究實驗室、加州大學伯克利分校機器人和智能機器實驗室、約翰·霍普金斯大學機器人實驗室、香港科技大學機器人創新實踐空間。

相比于國內外知名機器人創新實踐團隊，我們的短板體現在機器人創新實踐人才培養和創新實踐平臺，這些不僅是工程教育變革的關鍵更是創新機制建設的核心。研究面向新工科的機器人創新實踐體系建設，就是要建設一個從機器人創新實踐人才培養到機器人創新實踐孵化平臺建設，再到機器人新經濟培育相輔相成的全方位、全立體、全生態系統。

五、研究內容

（一）研究目標

以哈爾濱理工大學自動化學院機器人工程專業為依托，擬提出一套適用于該專業創新實踐人才培養和創新實踐中心體系的整體方案。具體研究目標如下。

（1）實現機器人與人工智能創新實踐體系建設。將機器人與人工智能相結合，進行模塊化設計，自主研發創新實踐系統，激發創新引擎動力。把國家使命、創新精神培養始終貫穿于體系建設的各個環節，并與不同層面、不同深度、不同領域的實踐活動結合起來，激發學生創新意識，培養創新思維，掌握創新方法，提高解決實際科學和工程問題能力。

（2）探索產學研協同育人與創新實踐人才培養新模式。形成重方法、高視野、重能力、厚基礎、重問題、寬口徑、重思維、新角度、重過程、重實踐、廣交叉的教育教學工作理念和思路，積極探索產學研協同下基于不同任務需求驅動的創新工程實踐的育人新模式。

（3）培養腳踏實地的工匠精神和敢于探索的科學精神。在創新實踐過程中，始終堅持立德樹人。科學規劃學生整體發展的各個環節，實現教育與教學無縫銜接，既授學問，又育品行，培育學生腳踏實地的工匠精神。提升學習力、創造力、表現力、組織力和執行力的五維人才核心競爭力，聚焦學生培育核心素養、激發學生敢于實踐、勇于探究、崇尚真知的科學精神。

（二）主要內容

借助國家“校企聯合，產學合作”的優秀助推政策，打造高效可靠的創新人才培養新模式和全生態鏈的創新實踐中心，提出一整套適于推廣應用的創新實踐人才培養模式。為所在地區新經濟發展所需創新人才的培養提供推動引擎，并給出建設新工科專業的思路和建議。具體研究內容如下。

1. 創新實踐生態系統平臺建設

自主研制五大創新實踐生態系統。解魔方機器人創新系統、人機對弈智能控制創新系統、智慧低耗城市創新系統、多智體協同機器人控制創新系統以及共享自主跟隨載物機器人創新系統。解魔方機器人是一個將計算機視覺、魔方復原算法、機器人控制、機械設計等多學科融合的機電一體化平臺，可實現復原效率高，穩定性強的解魔方機器人。人機對弈系統融合人工智能、圖像識別、運動控制、機器人控制等多學科知識的機電一體化平臺。智慧低耗城市創新系統融合智慧城市沙盤模型、大屏幕顯示組裝大數據背景、智能硬件、物聯網、大數據、智能控制等多學科的綜合創新平臺。多智體協同機器人控制創新系統由四旋翼飛行器、地面移動機器人、智能車和控制系統組成的創新平臺。共享自主跟隨載物機器人創新系統，基于機器視覺模塊的機器人，具有主動跟隨消費者行走的幫助消費者攜帶貨物的功能。可以應用在超市、機場、停車場、火車站、汽車站、生產車間等大型人流密集地方，幫助人運載物品、減輕負荷、釋放雙手，提高勞動力和勞動效率。五大創新實踐系統可對學生進行創新思維訓練和專業培訓，如圖像識別、運動控制、物聯網、人工智能、機器學習算法、深度學習算法、軌跡規劃、機器視覺、大數據、虛擬現實、嵌入式系統、無線傳感器網絡、程序設計、機械設計、電氣設計、智能硬件、SLAM、安卓系統編程、Python程序設計、C/C++編程、Matlab仿真等創新設計和專業培訓。

2. 探索機器人工程創新實踐人才系統化培養新模式

面向國家和區域的創新實踐教育、新工科教育改革，根據“加強基礎、拓寬專業、因材施教、重點培養”的指導思想，對一年級學生進行基礎與通識教育，二年級學生進行興趣和方向培養，三、四年級學生進行專業創新項目培養的模式，構建以理論課堂+慕課平臺+實踐中心+校企聯合=創新實踐新平臺，采用研究型教學模式和靈活高效管理模式，著重培養高素質創新拔尖人才。

3. 探索校企合作與課賽結合的協同育人新模式

邀請機器人工程相關的知名創新實踐教師和企業家進行培訓專題專項講座，打造機器人工程創新實踐實驗室，成立校內大學生“機器人協會”，組織學生積極參加各類大型國內國際科技創新項目和競賽。形成“以興趣塑起源、以問題定導向、以需求為指引、以能力促目標、以課程鋪基礎、以方法突重點、以實訓來突破、以比賽做檢驗、以網絡搭平臺、以過程建檔案”的“課賽結合的實際項目任務驅動”創新工程實踐協同育人新模式，建設有利于促進創新實踐在教學育人環節推進和培養的全鏈條。

（三）創新與突破之處

（1）以自主研制五大創新生態系統為核心，建設創新實踐實驗室和機器人協會組織結構，提升創新視野。

（2）學生創新實踐培養連貫化、層次化、系統化，探索機器人工程創新實踐人才培養新體系。

（3）提高學生理論聯系實際、分析和動手解決實際問題的能力，以及腳踏實地的工匠精神和不懈探索的科學精神。

六、研究方法與措施

（一）研究方法

（1）調研分析新工科創新實踐教育改革重點案例。詳細調研分析世界知名大學在創新實踐改革工作。總結其共通點，瞄準國家、市場和產業的切實需求來進行機器人創新人才培養。

（2）搭建機器人創新實踐實驗室和學生機器人協會。以五大機器人設計系統為基礎搭建創新實踐中心，并從中選出機器人專業相關的共性模塊化開發板，降低成本，便于學生每人一套夯實基礎。以本團隊已有的機器人活動小組為基礎成立校大學生“機器人與人工智能協會”，積極參加各類相關專業項目和競賽。

（3）學生創新實踐培養連貫化、層次化、系統化。本科四年不間斷，創新實踐系統化，建立學生創新實踐成長檔案。第一學年以創新實踐課程為基礎，進行企業、院所名師授課、領域專家講座及基礎實踐訓練;第二學年以導師項目及立項為方向，從事以項目為導向的專業基礎培訓;第三學年結合相關專業知識，進行立項結題、專利申報、論文發表及參加各類相關競賽;第四學年在導師引領和指導下完成優秀畢業設計等。

（二）實施步驟

根據團隊現有基礎，結合建設內容及建設目標，擬采取如下實施步驟分三年完成。

（1）第一年度：完成創新實踐實驗室硬件建設;規劃3～5個創新和創業相關項目;組建3～5個學生優秀創新團隊和創新實踐教師團隊，指導學生團隊開展創新設計，探索創新實踐改革的新目標、新方法和新思路。

（2）第二年度：自主研制五大創新實踐生態系統，組織學生參加國際和國內高水平專業競賽，承辦產教融合學術研討會。邀請一批高校知名的創新創業教師和企業家進行培訓專題專項講座。

（3）第三年度：建設3～4個創新實踐示范項目和學生創新實踐示范團隊。加強校企合作，爭取社會融資方式孵化創新實踐產品。總結整個過程，抽象出共性類經驗規律，撰寫研究報告。

（三）具體措施

1.提升創新性視野

開放創新實踐中心，提供自主探究、知識應用、實踐探索的全方位平臺。創新思路：不斷啟發、引導并激發學生朝著不同方面積極尋找原始創新思路;創新認識：與企業指導相結合完善學生對創新的全面深刻認識;創新過程：學生以小組為單位共同完成創新項目，強化協作意識與培養團隊精神;創新展示：學生組團參加各類國內國際競賽，開闊視野與提升解決問題能力。

2.項目任務驅動創新

經過來自不同學科老師的指導，啟發學生突破專業限制和傳統思維限制去找到高價值原始創新思路;以課堂講授、學生報告、師生探討、實際動手實驗來完成創新作品為原形，輔以企業考察以及相關課外教育，從而幫助學生能夠認識與掌握科技創新為生產生活服務的研究方法和實現途徑。

3.創新導師制管理

創新班由企業名師、業內專家組成導師團，對學生進行人生發展規劃、創新實踐能力培養和引導，為學生終身研究與全面發展奠定堅實基礎。從二年級起為創新班學生配備指導老師，實施導師引導下的個性化培養。導師負責學生的學業、科研、實踐等個性化的指導，幫助每名學生制定符合個性發展的專業培養計劃。

七、結束語

通過對新工科內涵和外延的思考，剖析新興機器人工程專業存在的主要問題，提出具體的研究目標、主要內容與實施方法和措施，開展機器人工程專業創新實踐中心建設研究。

（1）系統提出機器人工程專業創新實踐體系建設的整體方案和具體可行的研究報告。

（2）機器人創新實踐實驗室建設完成，自主研制五大創新實踐生態系統。以哈爾濱理工大學機器人工程專業為主，輻射本校其他院系，實現不同學科的交叉創新，可推廣至區域乃至全國其他院校新工科人才培養。

（3）構建設計出符合新工科發展要求的連貫化、層次化、系統化的機器人協同育人創新實踐新模式。

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