機器人工程專業設置及人才培養分析

劉新玉，代響林，平燕娜，王東云

（黃淮學院智能制造學院，河南 駐馬店 463000）

1 引言

機器人工程專業是近幾年國家大力發展的新工科專業之一，對于國家主動應對新一輪科技革命與產業變革、支撐“中國制造2025”制造強國戰略有著至關重要的作用。《中國制造2025》中重點提到要突破機器人關鍵零部件及系統集成設計制造等技術瓶頸，積極研發新產品、促進機器人標準化、模塊化發展，擴大應用市場。但是機器人工程專業設置時間短、培養經驗匱乏且師資力量薄弱，目前大部分院校多為相近專業兼顧培養[1]，其培養目標、課程設置等均未形成專業化和系統化，不能很好地滿足機器人產業發展的需求，還有較大的研究和探索空間。

作為制造業皇冠上的明珠，各行各業的發展都離不開機器人和機器人技術的快速進步，機器人的發展、進步以及在現實中的應用被看作是當今技術革命最偉大的進步之一[2]。機器人工程是支撐機器人科技人才培養的重要抓手，其人才培養的質量對于機器人技術積累、機器人產業發展、高端機器人制造等都有著決定性的作用。按照工信部的發展規劃，到2025年，我國工業機器人裝機量將達到1 000萬臺，需要200萬工業機器人應用相關工程技術人才[4]，這意味著未來平均每年需要培養40萬名以上的機器人工程技術人才，但是與急劇增長的機器人科技人才需求相比，機器人工程專業人才培養能力卻嚴重滯后。

以高校為依托，加大機器人工程專業技術人才培養力度，完善多層次人才培養體系也是國家重大戰略前瞻需求的核心和重要內容之一。國家《“十四五”機器人產業發展規劃》中明確要“加強機器人科技人才培養，支持高校和科研院所培養專業技術和復合型高端人才”；《中國制造2025》中也強調“以高層次、急需緊缺專業技術人才和創新型人才為重點，實施專業技術人才知識更新工程和先進制造卓越工程師培養計劃，在高等學校建立一批工程創新訓練中心，打造高素質專業技術人才隊伍”。因此機器人工程專業設置和人才培養既是制造強國戰略的人才基礎，也是推動機器人產業發展的驅動力量，作用至關重要。

2 機器人工程專業人才培養現狀

機器人工程專業屬自動化類，修學年限四年，畢業頒發工學學士學位，為國家特設專業，即滿足經濟社會發展特殊需求所設置的專業。自從2015年東南大學率先設立機器人工程專業開始，短短六年間全國共有323所高校設立了機器人工程專業。下面從機器人工程專業的分布、培養方案及培養目標等概述該專業的人才培養現狀。

2.1 專業設置情況

目前我國已設置的機器人工程專業的分布情況如圖所示。在已設置的323所高校中，共分布在28個不同的省份，內地只有西藏、海南、青海三省還未設置機器人工程專業。在已設置的高校中分布最多的為江蘇省、最少的是內蒙古和寧夏。在地域上，東部地區設置高校最多，其次是中部、西部和東北部；在辦學層次上，“雙一流高校”占比13%，其中985高校占比4%，普通高校占比87%；在辦學性質上，公辦的占比較高，民辦高校的積極性也較高。

圖 機器人工程專業設置情況分析結果

從整體上看，自從2018年申請高校數量達到頂峰后目前開始逐年回落，基本呈高斯分布。此外，普通應用型本科高校的申請積極性較高，占到已批準總數的4/5以上，其中民辦高校也有較高積極性，占到應用型本科高校總數的36%。不過，已設置機器人工程專業的一流大學中多為老牌工科高校，比如東南大學、東北大學及哈爾濱工業大學等。這一結果表明，不同層次的高校對機器人工程專業的設置態度差異較大，經濟發達的東部城市，尤其是應用型高校的申請積極性最高。

2.2 專業培養方案

培養方案是一個專業的核心標簽，它決定了專業的培養目標及培養知識體系。因此，不同高校尤其是不同層次的高校在設置機器人工程專業培養方案時呈現出不同的專業建設取向，提出了不同的人才培養構想[3]。雙一流高校一般側重于具有更強研發特點的智能機器人為對象，依托自身的學科優勢和特點，對于優勢學科進行有針對性的加強，而對工業機器人理論僅作一般性講解，比如東南大學和北京大學的培養方案都是以自動化類課程為核心，而湖南大學和哈爾濱工業大學等高校則是以機械電子及智能制造類課程為核心，培養方案各具特色；普通本科高校則更傾向于以工業機器人為對象，對接地方經濟社會發展的需要，側重于產業實際應用需求，對智能機器人涉及較少，核心課程差異不大，都是以經典的自動化類、機械電子類核心課程為主，機器人相關課程并不多。

在培養目標上，雙一流大學多是以機器人的設計制造為目標，以智能機器人為對象，體現了“新的工程學科”的愿景[4]，；在普通本科高校中，公辦學校和民辦學校的培養目標差別并不大，理論教學和實踐實訓安排也沒有本質區別，多以機器人操作、運維和銷售等為目標，以工業機器人為對象，體現了“滿足當前經濟發展急需”的特點。在就業取向上，雙一流大學畢業生多選擇繼續深造，而普通高校的畢業生能夠繼續深造的比例并不高，多數畢業生還是以就業為主。

3 機器人工程專業人才培養特點

機器人工程作為典型的新工科專業，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、設計等于一體的學科交叉融合特征。無論是普通本科高校還是雙一流高校，在機器人工程專業人才培養中基本存在以下特點：

1）交叉融合特征突出。作為新生工科專業的代表，機器人工程專業具有典型的交叉融合特征，而且具有新標準、新特點、新模式的特點[5]。所謂新標準即新時代工科人才培養標準，機器人工程專業是在傳統工科教育的基礎上，融合人文和科學教育理念，向工程教育轉變，以社會經濟發展為導向、以學科交叉為手段，著重培養學生解決復雜工程問題的實踐能力，符合新時代工科人才培養的新標準；新特點即交叉融合特點，機器人工程專業盡管在專業類別上屬于自動化類，但是在學科分類上卻隸屬機械類，而在工作中大量的任務卻又都與編程相關，因此機器人工程人才培養必須兼顧自動化、機械、電子及計算機等多學科知識元素與課程內容；新模式即多元化教育模式，機器人工程的大部分課程都需要與機器人打交道，無論是工業機器人還是智能機器人，實驗設備都十分昂貴，加之新冠疫情的沖擊，因此普通高校如何應對教育不平衡和教學模式改變的雙重挑戰也是機器人工程專業新的考驗。

2）培養方案特色不足。在機器人工程專業建設中，大致可以分為三種類型的高校：“雙一流”高校、以學術型人才培養為主的普通本科高校（簡稱“學術型本科”）和以應用型人才培養為主的普通本科高校（簡稱“應用型本科”）。在這三類高校中，大部分“雙一流”院校主要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”的定位，表現出課程體系建設的多元化取向；學術型本科總體上則是在傳統的通識教育課程安排之外，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，具有相近專業兼顧培養的趨勢；而應用型本科高校核心課程體系則與高職高專“工業機器人技術”專業知識元素與實踐實訓體系差別不大，大都將工業機器人作為教學對象，以工業機器人操作和運維技能為培養核心，帶有明顯的機器人技術應用的傾向性。因此如何劃定機器人工程專業的知識邊界，并在不同層次院校中達成機器人工程專業知識體系與內容共識還有很大的研究空間。

3）師資力量亟需加強。與新專業申請數量井噴形成鮮明對比的一定是師資力量的匱乏。自從2016年東南大學招收第一批機器人工程專業本科生以來，到目前為止才剛剛培養出三屆本科生，雖然設置機器人工程本科專業的高校卻已突破300所，但大部分高校的都是近2~3年才獲得招生資格（占比72%），而且都是獲得招生資格的當年啟動招生，而且也無成熟的經驗和資源可以借鑒，因此對于占比86%的地方本科高校能把課完整上好已屬不易，也只能是相近專業師資兼顧了。

4）課程資源相對匱乏。課程資源的匱乏必然與師資資源不足相伴而生。一個機器人工程專業本科生的培養大約需要學習50門左右的大學課程，而一門核心專業課一般由32個理論課時和16個實驗課時組成。通識教育課程和基礎課程的課程資源一般還好解決，但是面對大量的基礎課和專業課，想要在短時間內建設好完整的知識體系和專業實驗室是不可能的。況且目前大部分本科院校課程資源也都處于初期建設階段，而且不同層次不同地域的高校人才培養構想都存在較大區別，目前還沒有成熟的課程資源可供參考[6]。因此對于機器人工程專業，在課程資源建設方面還需要投入大量的時間和精力，更需要高層次的力量給予各方面的大力支持。此外，隨著課程資源量的累積，課程資源的質也需要一定時間的實踐檢驗，機器人工程專業的課程資源建設任重道遠。

5）教學模式需要革新。伴隨著新冠疫情此起彼伏和智慧教學時代的來臨，全球教育出現以信息化元素為引導的主流常態，大規模線上教育資源給線下教育教學帶來了新的要求，融合線上和線下資源的新的教學模式應用于教學實踐已迫在眉睫[7]。更重要的是，無論是工業機器人還是智能機器人，都存在著價格昂貴、維護成本和危險系數高的特點，加之許多地方普通本科高校和民辦高校，辦學資金相對短缺、教學資源分配不均，教學實驗設備的數量難以滿足教學需求，因此在機器人工程專業實驗室建設時，往往會建設大量的虛擬仿真實驗室，不僅可以滿足學生大量的實驗需要，而且也可以避免學生因操作不當而損壞昂貴的設備并減少學生受傷的風險。面對線上線下的教學需求和虛擬仿真的教學設備，傳統以教師為主導的教學模式已不能適應新工科教育中對應用型人才培養的要求。因此，伴隨著新冠疫情成長起來的機器人工程等新工科專業，教學模式迫切需要改革。

6）產學合作有待深入。培養學生解決復雜工程問題的實踐能力是新工科專業的首要目標，也是解決高校人才培養和社會人才需求脫節的主要途徑。而機器人工程專業是典型的新工科專業，由于其本身的特殊性，其對實踐能力有著更高的需求。更重要的是，機器人工程專業研究的對象和面臨的問題在現實生活中并不常見，對于沒有深入接觸過的東西學生是很難有足夠的想象力去理解所學知識的，更不要說解決問題了，因此加強產學合作、實現協同育人是機器人工程專業的現實需求。但是，目前機器人工程的產學合作還有待深入，企業還沒有深度參與到人才培養的實踐實訓環節[11]。因此，如何針對機器人產業社會經濟發展需求，結合學校發展定位和學科特點，開展機器人工程專業復合型、交叉型、綜合型人才培養，實現人才培養課程內容與企業實踐技能需求深度融合，還存在較大的實踐和探索空間。

4 機器人工程專業人才培養體系

機器人主要包含工業機器人、服務機器人和特種機器人三種類型，其中工業機器人主要面向制造業、采礦業和建筑業等工業行業的發展；服務機器人主要面向家庭服務、醫療健康和養老助殘等公共服務領域；特種機器人則主要是面向水下探測、軍事偵察和反恐防暴等科學研究領域。盡管這三種機器人在外形結構、適用對象及應用領域有所不同，但是它們需要相同的知識元素和課程內涵，因此對于機器人工程的人才培養體系，將從知識邊界、課程構成和培養方向等方面進行探討。

4.1 知識邊界

在機器人工程專業的知識邊界上，傳統的以工業機器人為主要對象的機器人人才培養主要以機械類專業為依托，以機器人的運動控制和運動軌跡控制精度為教授內容，主要涉及機器人機構學、運動學和動力學三部分知識元素。但是新工科下的機器人工程專業的知識邊界已擴展到包含工業機器人在內的所有機器人類型，處于自動化、機械和電子信息的交叉位置。因此不同層次的高校應根據自己的學科優勢和特色在機器人工程知識邊界范圍內劃分出適合自己的知識邊界，在具體課程內容和培養方向有所取舍和側重。對于“雙一流”高校，由于學生基礎和教學資源都較好，可以將知識邊界拓寬到工業機器人以外的其他機器人理論和技術，比如人工智能、大數據、物聯網、人機交互及機器人集群與協同等；對于學術型本科高校，可以將傳統機器人理論與技術融會貫通，傳統相對獨立的多學科知識在機器人平臺上有機結合，凝練出機器人的知識邊界；對于應用型本科，應該以工業機器人為核心，將傳統的以控制為代表的知識體系與工業機器人相結合，比如機器人視覺與傳感、機器人與PLC應用、機器人MATLAB編程等，拓展出新的知識邊界。

4.2 課程構成

在機器人工程專業課程體系構建上，盡管不同層次的高校，甚至同一層次不同地域的高校，學生具有不同的基礎、不同的能力和就業取向，但是作為一門專業，應該具有類似的知識元素和課程內涵。參考美國伍斯特理工學院設計的機器人工程專業標準，在常規的專業課程設置的基礎上將機器人工程專業課程圍繞機器人學將其分為了六個遞進式的課程，即機器人學I（導論）、機器人學II（驅動）、機器人學III（傳感）、機器人學IV（控制）、機器人學V（導航），以及機器人學VI（實踐），分布在大一到大四整個學習過程。因此，在課程設置上，“雙一流”高校的課程設置可以結合自身的專業優勢，將外延擴張和深度拓展相結合，構建出具有鮮明特色的機器人課程體系，比如湖南大學在自身優勢學科基礎上拓展了“機器人原理與機構設計”“機器人驅動與控制系統”“機器人感知與機器學習”和“智能機器人與應用系統”等課程；學術型本科高校的課程設置既要兼顧學生繼續深造的研究需求也要考慮學生就業的實際需要，課程體系安排上應傳統專業基礎課和新開專業特色課兼顧，各高校之間具有較高一致性；應用型本科的課程設置應該以就業為導向，以實用性和技術性課程為核心，輔以通識的專業基礎課，具有一定的技術應用傾向性。此外，在培養過程中，注重加強產學協同育人，讓企業深度參與到課程的實踐/實訓環節，實現優勢互補。

4.3 培養方向

在機器人工程專業培養方向上，可以將機器人工程專業的人才培養分為機器人控制、機器人運維、機器人制造和機器人研發等四個方向。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、機器人硬件工程師及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員、大學教授、教授級高工為培養目標，主要從事新型機器人開發和技術創新工作。對于不同層次的高校，其培養方向應該有所側重，比如對于“雙一流”高校，培養方向以機器人研發為主，以豐富機器人理論與技術體系為目標；學術型本科可以將機器人制造作為主要培養方向，從基礎理論到機器人設計、機器人加工等對學生進行系統培訓；應用型本科則多以機器人控制和機器人運維為培養方向，核心在于技術應用，專業培養“現場工程師”。由此就可以形成機器人研發、機器人制造與機器人應用為一體的完整的人才培養體系。

5 結論

高校是人才的培養基地，高等教育的主要任務是要培養既能適應經濟社會發展，又能引領經濟社會發展高素質人才，新工科就是“引領”作用的主要表現[9]。隨著經濟社會不斷發展，高等教育與經濟社會的關系越來越密切，學校要最大限度地滿足經濟社會發展的需要，一方面要通過傳播知識、科技與文化，培養適應經濟社會發展需要的人才，另一方面學校還要創造知識、創造科技，以自己的基礎和敏感，努力站在科技前沿，不斷向社會輸送新知識、新成果，同時培養出能引領經濟社會前行的“新工科”人才。

作為典型的新工科專業，機器人工程從誕生就被寄予了支撐“中國制造2025”、提升國家高端制造業水平的厚望。以機器人工程專業為依托，加強機器人科技人才培養，推動機器人產業向高端化、智能化方向發展，是高校和科研院所在人才培養過程中不得不思考的問題。本文從宏觀的角度，首先系統分析了目前機器人工程專業的人才培養現狀，然后分析了該專業的人才培養特點，最后從知識邊界、課程體系和培養方向三個方面論述了機器人工程專業的人才培養體系，以期能夠為高校和科研院所在機器人工程專業人才培養方面提供參考。