機器人工程專業課程體系構建探析

劉新玉，彭緩緩，平燕娜，王東云

（黃淮學院智能制造學院 河南 駐馬店 463000）

機器人工程專業人才培養質量與機器人研發、制造、應用水平息息相關，更是衡量一個國家科技創新和高端制造能力的重要標志[1]。而作為人才培養的重要抓手之一，機器人工程專業建設對于人才培養質量至關重要。課程體系構建作為專業建設的核心內容，直接影響著人才培養的質量，對于支撐機器人產業發展具有重要意義。

機器人工程是典型的新生工科專業，盡管在專業類別上被劃分為自動化類，但是卻具有集機械、電氣、電子、控制、計算機、數理、設計等于一體的前沿交叉學科特征[2]。因此如何構建機器人工程專業課程體系，不同層次級別的院校都有著不同的思路，提出了不同的人才培養構想。以東南大學、北京大學、哈爾濱工業大學等為代表的“雙一流”院校更多是對原有優勢學科的進一步傾斜或加強，體現了“新的工程學科”定位，表現出課程體系建設的多元化取向[3]；以北京信息科技大學、安徽工程大學、黃淮學院等為代表的地方普通本科高校核心課程體系差別不大，都是以自動化類的專業基礎課和專業課為核心，輔以機器人編程、機器人控制等傳統機械類課程，帶有明顯的機器人技術應用的傾向性[4]。此外，高職高專院校的機器人工程專業主要是指工業機器人技術專業，顧名思義，其是以工業機器人為對象，培養工業機器人應用型人才。因此，課程體系的構建以應用為主，對理論知識深度要求不高，傾向于滿足地方經濟發展特殊需求的建設特點[5]。

自2016年機器人工程專業獲批招生以來，至今全國已有三百余所本科高校開設了該專業。隨著專業數量的激增，如何構建專業課程體系已擺在突出位置、迫在眉睫，但目前缺乏相應的理論指導和成熟的實踐參考。本文提出了“統一基礎課程輔以特色專業課程”的設置思路，首先系統分析了機器人工程專業所需知識元素，確定獲取這些知識所要學習的課程，依此從通識課程、專業基礎課程和專業方向課程三個方面闡述了機器人工程專業的核心課程體系，最后展望了機器人工程專業課程體系建設的愿景，以期能夠為相關院校機器人工程專業課程體系的建設提供參考和借鑒。

1 機器人工程專業所需知識元素

知識體系和課程內容是機器人工程專業課程體系構建的內涵所在[6]。但是如何將知識體系與課程內容結合起來，通過課程內容的學習來獲取專業技術知識是專業課程體系構建的難點。為了探討機器人工程專業所需知識元素，我們從機器人制作進行論述。無論是工業機器人還是服務機器人、特種機器人等，其核心結構基本是一致的，即包含硬件和軟件兩部分。硬件部分主要承擔機器人外形結構和支撐程序運行的硬件電路；軟件部分則主要指控制機器人運動的各種算法和程序。為了科學合理地構建機器人工程專業課程體系，分析機器人制作所需知識元素是十分必要的。

對于機器人而言，硬件主要包含機械本體和硬件電路兩大部分，機械本體主要支撐了機器人的機械骨架和外形，決定了機器人的用途和主要功能；硬件電路主要是和控制程序或控制系統相配合，以實現機器人的運動控制。硬件電路包含圍繞單片機搭建的底層控制硬件和圍繞微型電腦搭建的ROS（robot operating system）層硬件兩部分。底層控制硬件主要用于基本的硬件電路控制，而ROS層控制硬件則主要與一些傳感器搭配用于機器人智能的實現，比如路徑規劃、機器視覺等。機器人軟件部分則主要包含與單片機結合的底層控制程序和與微型電腦結合的ROS層智能控制算法兩部分。底層控制程序用于實現機器人的方向、速度等基本運動的控制；ROS層控制程序則實現導航、視覺等智能功能的實現。

在知識元素上，機器人機械本體的設計和制作方面需要工程制圖、機械設計和機械加工等方面的知識，在具體實施上包括三維設計軟件使用、3D打印、機械加工等內容；機器人硬件電路方面需要電路工作原理、電路設計、電動機的驅動、單片機、微機原理、傳感器等方面的知識；機器人軟件控制程序方面需要程序的編寫、系統的控制、傳感器的使用、信息通訊等方面的知識。因此，如何讓學生在有限的課程教學中學到盡可能多的相關知識是課程體系構建的初衷和目的所在。

2 機器人工程專業課程體系構建

機器人工程專業屬于自動化類，為國家特設專業。盡管不同高校在課程設置和課程名稱上有所不同，但是課程的內容其實大同小異，比如常設置的機器人工程專業課程包括“程序設計基礎”“電路”“電子技術基礎”“自動控制原理”“微機原理與接口技術”“單片機原理及應用”“PLC原理及應用”“機器人仿真與編程”等[7]。但是這些課程設置的初衷及其存在的價值卻鮮有報道。因此，文章結合機器人工程專業所需知識元素提出了“統一基礎課程輔以特色專業課程”的設置思路，下面從通識課程、專業基礎課程和專業方向課程三個方面進行論述。

2.1 通識課程

通識課程主要是培養學生的人文素養、社會責任、創新精神以及邏輯思維能力等基本素質，對于學校內大部分專業基本都是一致的，而且課程也多安排在大一和大二學期。從內容上看，通識課程主要包括思想政治、軍事理論、語言技能、體育教育、創新創業、數學物理等模塊，課程設置比較成熟和固定。

2.2 專業基礎課程

與通識課程不同，專業基礎課程則體現了很強的學科特點，對于機器人工程專業來說，專業基礎課與專業知識元素有著很密切的聯系，也即是“統一基礎課程”，如圖1所示。從知識元素上看，機械本體需要根據機器人的功能進行設計和制作，因此“工程制圖”“機械設計基礎”“機械三維實體設計”“機械加工”等課程進行支撐。其中“工程制圖”和“機械設計基礎”可以讓學生了解圖樣繪制和機械設計的基礎，包括工作原理、結構特點、運動與傳力特性、運動方案設計等等；“機械三維實體設計”教授學生根據機器人功能設計出結構合理、尺寸合適、原理正確、便于加工的確切圖樣；“機械加工”則教授機械制作相關知識，包括傳統的減材制造和新興的增材制造等[8]，可以是一門課程也可以是一系列課程，比如金工實訓、3D打印等。

在機器人硬件電路方面，為了獲得電路設計、制作、調試等方面的知識，則需要學習“電路分析與電工技術”“電子技術基礎”“電力電子技術”“單片機原理與應用”“微機原理與接口技術”等課程。其中“電路分析與電工技術”“電子技術”和“電力電子技術”是一系列課程，主要教授學生掌握電子方面的基礎知識和基本分析方法；“單片機原理與應用”是在上述三門課的基礎上系統地講述單片機基本原理和應用技術，是設計底層硬件電路的必修課程；“微機原理與接口技術”主要講授微型電腦的工作原理與接口應用技術，是設計上層硬件電路的必修課程。

在機器人軟件系統方面，主要涉及控制程序的編寫和自動控制算法等知識，主要包括“程序設計基礎”“自動控制原理”“機器人程序設計”“現代傳感與檢測技術”“電機拖動與運動控制”等課程，也可以根據實際情況進行縮減。其中“程序設計基礎”和“機器人程序設計”主要學習底層控制的C/C++語言和上層智能控制的Python語言的程序編寫思路和方法；“自動控制原理”“電機拖動與運動控制”等主要學習如何讓機器人穩定可靠運行，對于機器人運動控制至關重要；“現代傳感與檢測技術”則主要學習傳感器的相關知識，是實現機器人自主運動的基礎。

上述這些課程屬于專業基礎課，對于絕大部分高校都是專業必修課，高校之間的差異較小。

2.3 專業方向課程

如果說上述機器人工程專業基礎課程使學生基本了解機器人相關知識的話，那么機器人工程專業課程則是以就業為導向的分類人才培養體系[9]，不同高校就會結合自身的學科優勢進行設置了。總的來說，機器人工程專業人才培養方向可以分為四個，即機器人控制、機器人運維、機器人制造和機器人研發等，如圖2所示。其中機器人控制方向以（工業）機器人系統操作員為培養目標，主要從事機器人裝配、編程、調試、工藝參數更改、工裝夾具更換及其他輔助作業；機器人運維方向以（工業）機器人系統運維員為培養目標，主要從事數據采集、狀態監測、故障分析與診斷、維修及預防性維護與保養作業；機器人制造方向以機器人高級工程師為培養目標，包括機器人機械工程師、機器人硬件工程師、機器人嵌入式軟件工程師等，主要從事機器人制造、研制等工作；機器人研發方向以研究生等更高學歷的進一步深造為培養目標，主要從事機器人相關的研發工作。

對于機器人工程專業課程可以采用“基礎—專業—實踐”三級課程體系，比如機器人控制方向，“PLC原理與應用”為基礎課程，“機器人控制系統”“機器人視覺與傳感技術”“機器人仿真與編程”為專業課程，“機器人控制綜合實踐”為實踐課程，其他方向支撐課程如圖2所示，此處不再一一贅述。培養方向不同，培養目標不同，其支撐課程也不同，因此不同院校應根據學校自身的學科優勢和專業定位設置合適的人才培養目標，構建相應的支撐課程體系，即“特色專業課程”設置思路。

3 機器人工程專業課程建設愿景

機器人工程屬于新工科專業中的新生工科專業，多學科交叉融合是其最典型的特征。作為人才培養的主要載體和專業知識內涵的主要體現，專業建設關系到人才培養目標的實現和專業培養標準的落實。為了打造融理論教學、工程實踐、創新能力培養為一體的新工科人才培養體系，我們認為機器人工程專業課程建設思路大致可以概括為以下三點：

3.1 突破學科壁壘，構建交叉課程體系

機器人工程專業是具有典型交叉融合特點的新工科專業，與控制、機械、電子、計算機等學科都具有緊密的聯系。而機器人工程專業成立較晚，各高校對于其核心課程體系的構建還處于探索階段，摸著石頭過河，因此如何在短期內構建機器人工程課程體系也是各個高校急需解決的問題。機器人工程專業課程體系構建中應破除不同學科門類之間的壁壘，根據不同層次學校自身的特點，構建適合自身學科特色的交叉課程體系，也更符合新工科專業的定位。

3.2 緊跟產業需求，深度融合教學產研

符合社會發展和產業需求是一個專業存在的前提和基礎，作為新工科專業的機器人工程專業也不例外。因此在課程體系構建時，更應主動對接并積極迎合機器人產業對人才多樣化、個性化和動態化的需求，逐步完善核心課程體系。以教學為抓手、以學生為中心、以產業為導向、以科研為催化劑，將教學產研深度融合，打造能夠服務國家戰略需求以及新型產業發展、具有較強工程能力的新工科專業人才。

3.3 結合數字技術，優化創新實踐體系

新工科專業對人才的工程實踐能力提出了更高的要求，而作為工程實踐的核心設備，機器人價格昂貴、教學設備維護成本且危險系數高，數量也難以滿足教學需求。因此，在課程體系構建時應該更多地結合數字技術，通過數字技術的引入來解決高校資金短缺、教學資源分配不均的窘狀，讓每個學生都能控制與真實機器人無差的虛擬機器人，并避免學生因誤操作而損壞昂貴的設備。以虛擬仿真練習為主、結合少量真實設備實踐強化是將來一段時間內機器人工程專業的主流趨勢。因此在機器人工程課程體系構建時應結合現代數字技術，優化創新實踐體系。

4 結論

機器人工程作為新工科中的新興工科專業[10]，其課程體系的構建還存在很大的研究和探索空間。本文提出了“統一基礎課程輔以特色專業課程”的設置思路。即在機器人工程專業所需知識元素基礎上構建機器人工程專業基礎課程體系，然后根據高校自身的學科優勢和專業定位設置專業課程體系，以培養出適應社會不同需求的專業技術人才，實現分層次、分工種、分技能的培養愿景。但機器人工程專業課程體系構建目前還需要更長時間的探索與實踐。上述觀點僅僅是個人的一些拙見，希望能夠引起更多同行的思考。