面向新工科的高級應用型人才培養模式探索
——以機器人工程專業為例

劉瑞偉，蘇 發，宋小科

（1.廣州航海學院 船舶與海洋工程學院，廣東 廣州 510700；2.華東交通大學 機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013）

引言

機器人工程是多學科融合的代表，它是現代制造業高度發展的必然產物，其技術橫跨機械工程、仿生學、材料科學、自動化技術、計算機科學、電子工程以及人工智能等多個學科領域［1-4］。從2006年起，國家開始重視機器人工程發展并發布了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》。作為新工科專業，我國機器人工程專業正逐漸在各高校設立，但僅處在起步階段，專業學習課程正在摸索中。建立高校、企業、科研院所等多主體協同育人的創新培養模式框架，明晰產學研協同育人模式中各主體的職能、角色、社會責任等，探討新工科背景下機器人工程專業高級應用人才培養模式，能夠為培養機器人領域專業人才提供新的理論視角和理論支持，具有重要意義。

一、國內外研究現狀

機器人是衡量一個國家創新能力和產業競爭力的重要指標，如何培養具備創新素養的機器人專業技術人才已成為各國政府和高等教育界的關注重點［5-6］。在國外，機器人專業本科生的培養過程首先通過導論課程使學生對機器人領域有基本了解，并掌握一些基本專業知識。隨后，學生深入學習機器人的執行、感知和認知等核心模塊課程，以便更深刻地理解智能機器人所涉及的技術。其次，學生選擇一門動手實踐課程來增強其應用能力，并選擇兩門選修課程來擴展知識廣度。最后，學生將通過系統工程和核心課程的學習以及實踐活動，如開設體驗課程、參與學科競賽、參與科研項目、組建機器人團隊等形式，進行多角度、深層次的培養和提升。理論教學與實踐培養相互促進，使學生能夠更好地將所學知識融會貫通。

我國機器人產業發展勢頭迅猛，產業規模和市場潛力持續擴大，應用人才的需求巨大，每年以20%～30%的速度增長。結合機器人技術發展趨勢，在2017年教育部公布的“新工科建設行動路線”中主動布局機器人和智能制造等工程科技人才培養，將機器人工程專業批準為本科新專業，分別于2017—2021年公布了開設該專業的260所本科院校［7-9］。可以預見，機器人本科專業的開設將在國內教育領域掀起一股熱潮。目前，我國各高校正在逐漸設立機器人工程專業，但仍處于起步階段，專業學習課程仍在不斷探索中，而高級應用型人才的具體培養模式也尚未完全成熟。與國外著名高校如麻省理工學院、卡耐基梅隆大學等相比，我國的機器人專業人才培養體系尚待進一步完善［10-11］。因此，針對新工科背景下的機器人專業高級應用型人才培養模式亟需深入研究和探索。

通過對國內外工程教育和機器人工程專業人才培養的發展現狀的梳理發現，國內外工程教育建設相繼進入新階段，新工科建設也邁了一大步，但真正把高級應用型人才培養與新工科建設結合起來的相關研究并不多見［12］。

二、面向新工科的教育理念，建立高校、企業、科研院所等多主體協同育人的創新模式框架

遵循新工科的教育理念，創建機器人工程專業多主體協同育人的創新培養模式框架，如圖1所示。高校擔負綜合管理任務，推動科教融合、產學合作，以及校企協同育人制度的制定。同時，與社會和企業需求協作制定人才培養計劃，明確定義人才培養目標。由高校課程體系為基礎，系統地進行機器人工程相關理論的學習，通過明確人才培養目標，設計相關教學課程結構，革新教學內容和方法，以問題驅動學習（PBL）教育方法為依托，編寫機器人系列相關教材；此外，與企業及研究機構合作共建基礎教學實驗室、創新創業實驗室以及校企共建實驗室，建立多層次的機器人工程專業實驗教學中心，整合各方的實驗資源，打造資源共享的實驗研究平臺，促進資源開放共享與協同發展。

圖1 多主體協同育人模式結構示意圖

機器人工程專業多主體協同育人創新模式，將課堂中所學到的專業理論知識運用至實驗桌上、實踐項目中，讓學生更生動地理解并掌握機器人領域相關知識。這種培養模式旨在培養學生自主動手能力，激發學生的創新思維和能力，使他們能夠在實踐中發現問題，獨立思考問題及解決問題。同時，也能在專業學習過程中發掘社會對機器人的現實需求，以期在長期的學習和研究中，聚焦這些實際需求，探索解決方案。

三、“課程—項目—競賽”驅動的機器人工程高級應用型人才培養模式探索

構建“課程—項目—競賽”驅動的機器人高級應用型人才培養模式，以課程教學為核心，輔以課題項目和學科競賽，教學、項目、學科競賽有機結合，相互協調，互相補充，相互激發，互為補充和促進（見圖2）。盡管課程教學、課題項目以及學科競賽在側重點和執行方式上存在顯著差異，但協調這些環節，確保整個培養過程的有效性至關重要。這需要充分考慮知識點的組織和教學任務的安排，以確保教學的深入、持續和具有挑戰性。在課程教學中，重點在于講授機器人領域的基礎理論和系統架構，確保學生深刻、仔細、高效地掌握原理和方法；課題項目注重培養學生對行業現狀和實際工程問題的解決能力，鼓勵他們創造性地將理論知識應用于實際問題的解決，并借助多種建模輔助技術，設計機器人的原理樣機；學科競賽則通過實踐的方式，提供了檢驗知識理解、吸收水平的有效渠道。課程教學為課題項目和學科競賽提供了堅實基礎，而課題項目和學科競賽則反饋到課程教學中，激發學生更大的學習興趣。這三個環節相輔相成，共同提升整體教學水平，培養出符合國家戰略發展和機器人產業需求的高級應用型人才。

圖2 機器人工程專業“課程—項目—競賽”驅動的機器人高級應用型人才培養模式

在新工科建設的引領下，建立一種以學科課程為基礎、以學科競賽為動力、以課題項目為助推的模式。以“四理念”為指導，包括價值導向、學生中心、成果取向、守正創新，重新構建了人才培養模式。此外，以“四維度”為學科競賽體系的驅動力，包括組織規范、師資導師、學分激勵、持續管理，以豐富人才培養模式。這一培養模式將學科競賽和課題項目實踐融入了人才培養過程中，實現了以競賽為驅動、課題項目為實踐教學助力的目標，形成了“課堂基礎教學+競賽實際實踐+實踐能力提升”的良性循環。這有助于提升學生的實際操作技能、理論與實踐相結合的能力、跨學科協作能力和創新實踐能力，從而提高了他們的就業競爭力。同時，實踐培養目標的實現也能夠進一步推動新工科建設的進程。

四、創新人才培養模式實施效果

目前，國家正大力推進智能制造和工業2025，政策上支持機器人產業人發展，相應的機器人競賽逐漸增多，比賽項目范圍廣，機器人賽道種類多。通過引領學生參加機器人競賽、參加課題項目來反哺教學，依靠“以賽促教”模式，通過項目競賽、課題實踐的開展來促進教學質量的提高。選取比賽指導及課題項目研究經驗豐富的指導教師結合學生自身學習興趣組合成多個學習小組，確定基本課題方向，并結合該方向有針對性地制訂學生選修課方案和學生個人課題計劃，為學生的專業課程學習奠定基礎。學生在導師的悉心指導下參加學科競賽，不斷優化參賽作品，逐步優化申報書，進行項目打磨。

經過3年實踐，該培養模式取得了較好的效果。項目組學生共申請專利12項，發表高水平論文3篇，學生參加國際學術會議并進行口頭匯報3次，參加學科競賽獲獎13項，其中多項取得了突破性成果，包括“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽廣東省特等獎，“中國機器人及人工智能大賽”國家一等獎（全國第三），“創客廣東”機器人產業鏈中小企業創新創業大賽優勝獎（全省第四），第八屆、第九屆“互聯網+”大學生創新創業大賽廣東省分賽高教主賽道省級銅獎等。通過這種創新培養模式，極大激發了學生的學習興趣，提升了學生的科研思維和能力，已有8名項目組成員獲得專業獎學金，5名成員在畢業后繼續攻讀碩士學位，人才培養效果顯著。

結語

基于新工科背景下機器人工程專業技術發展的趨勢，從興趣培養出發，激發學生對機器人專業的熱情，鼓勵學生加入相關課題組開展課題項目研究學習，參加機器人領域的學科競賽，培養學生的鉆研精神及團隊意識。以課程教學為核心，輔以課題項目和學科競賽，構建了“課程—項目—競賽”驅動的機器人工程專業高級應用型人才培養模式。在這三年的培養過程中，項目組碩果累累，為對后續機器人工程專業人才培養提供了一定的參考。