基于多維支點及目標牽引的機器人工程專業實踐能力提升途徑研究

摘" 要：該文針對機器人工程專業學生的實踐能力提升任務以及目前存在的問題，設計形成“三支點一牽引”的學生實踐能力提升途徑。首先，提出以科創競賽為支點、以產業實踐為支點、以科研案例理論教學為支點，構建機器人工程方向學生實踐能力提升途徑的下層平臺基礎。其次，以就業需求為牽引，制定學生能力培養目標，構建機器人工程專業學生實踐能力提升途徑的上層高度基礎，為機器人領域培養應用型人才，提升機器人工程專業學生的綜合實踐能力，并在未來機器人領域快速發揮高水平能力，同時為其他工科專業提供實踐能力提升途徑探索經驗。

關鍵詞：機器人工程;實踐能力;多維支點;目標牽引;人才培養

中圖分類號：G640" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）04-0164-05

Abstract： Aiming at improving the ability of applied robot engineering professionals and solving the current problems， \"three fulcrum and one traction\" approach is designed to improve students' practical ability. First of all， it is proposed that innovation competition， industrial practice， and scientific research case theory teaching as the fulcrums， so as to build the lower platform foundation of the way to improve the practical ability of graduate students in robotics direction. Second， the goal of the ability cultivation driven by employment demand is built as the upper level foundation， which improves the practical ability of students majoring in robotics engineering. Therefore， the cultivate applied talents in the field of robotics is trained， and the comprehensive practical ability of graduate students in the field of robotics is improved. A high-level ability in the field of future robotics is quickly played， which provides the experience for other engineering majors in exploring ways of improving practical ability.

Keywords： robot engineering; practical ability; multi-dimensional fulcrum; target traction; personnel training

機器人具備適應各類復雜工作環境的特殊能力，通過提高工作效率可以進一步降低企業的生產成本，機器人對于推動中國制造業向制造業強國轉變具有積極的推動意義，隨著機器人技術的不斷發展，尤其是智能機器人的出現，其融合了機械裝置、電子器件、智能控制、智能傳感器、計算機系統和人工智能等先進技術，因此我國對機器人工程專業人才的需求也呈現出迅猛增長的態勢。當前機器人工程技術等崗位人才稀缺，機器人行業產業鏈、價值鏈正在快速融合，教育部門也在側重培養綜合型人才，鼓勵校企聯合開展產學合作協同育人項目[1]，自國務院印發《中國制造2025》行動綱領后，機器人技術已成為推進我國制造業強國戰略的重要支點。

近些年，很多高校均設立機器人工程專業或類似專業，并且較多學生選擇機器人工程專業開展學術研究工作，例如以機械臂控制、機器視覺、移動機器人路徑規劃、機器人手眼系統感知與控制等，在這個時機下，我們可以在現代教育改革目標的引導下，進一步探索創新的教學發展模式，為機器人工程專業本科生和研究生打造更加適合他們發展的良好機遇，培養學生的專業技能和創新能力[2]。由于新興機器人工程技術不斷涌現，該研究方向新的經驗積累并不多，依然存在一些人才培養方面的問題，例如傳統專業知識體系和教學內容較為陳舊，機器人工程實踐較少或者不夠新穎，教師多以理論講解和公式推導為主，缺少機器人工程專業領域實際應用案例，導致學生缺乏解決科研項目中實際問題的能力。

針對機器人工程領域人才培養目標，美國高校重視基于問題的學習和案例教學研究[3]，對于工科的學習，不是開始于教師講解基本原理和概念，相反，往往是以具體的實際問題為著眼點，有時候教師開始講解的問題并未有很好的定義和概念，學生需通過自己或多人組成的團隊來查詢和整理相關數據資料，進而分析問題并形成問題的解決方案[4]。另外，美國高校在機器人相關專業授課任務中，重視以科研案例為基礎的學習，詳細來講就是以一個具體的實際科研問題為出發點，經過數據分析、案例解析及撰寫報告，進而獲得問題的解決方案，在該過程中開展問題分析工作，最終構建理論分析與現實問題的聯系。

同樣地，德國在培養實踐型人才方面也有獨到之處[5]，強調將所學知識應用于問題的分析和解決過程中。在教學過程中，他們引入外部實習案例和行業應用案例，使學生理解具體案例中信息收集、分析、組織和解決問題的過程。在課堂上，鼓勵學生進行自由發言和辯論[6]，培養他們獨立分析和解決問題的能力，并表達自己的觀點和意見。日本是全球機器人教育和推廣水平最高的國家之一。在日本，大學不僅提供高水平的機器人研究和教學內容，還每年舉辦各種不同級別的機器人設計和制作競賽[7]。這些競賽培養了大量機器人技術研究和應用人才，使日本的機器人技術居于世界領先地位。全球范圍內，為了推動機器人技術的發展和培養學生的創新能力，許多著名大學也紛紛開展以學生發展為目標的機器人實踐活動。

目前，世界知名高校在機器人工程專業人才培養方面，很少綜合考慮科創競賽、產業實踐、引入科研案例的理論教學、未來就業能力需求等因素[8-10]，本項目將綜合考慮以上因素，著重培養機器人工程方向學生應用型實踐能力。本文以機器人工程專業人才培養目標為導向，聚焦機器人研究領域，針對機器人工程專業學生應用型能力提升問題，提出“三支點一牽引”機器人工程專業學生實踐能力提升途徑研究方法，該模式與傳統的實踐教學進度和內容不同，本文圍繞科創競賽、產業實踐、科研案例理論教學3個方面形成支點效應，作為提升機器人工程專業學生實踐能力的平臺基座，同時針對學生就業需求，從上層構建牽引學生不斷進步的目標，以此為機器人工程專業學生實現實踐能力質的飛躍的全鏈條通道。本文通過以上新型學生培養模式，力爭為機器人領域應用型人才的培養提供探索途徑，同時也為其他工科專業人才培養提供實踐能力探索經驗。

一" 以科創競賽為支點的實踐能力培養方法

（一）" 科創競賽元素融入實踐能力培養的難點分析

通過指導學生參加機器人類型科創競賽，尤其專門針對智能汽車競賽、水面/水下機器人，組織學生參加競賽，圍繞統一的選題開展競賽活動，在競賽過程中積極解決關鍵技術問題，通過比賽代替理論學習和相關實驗活動，從能力側重方面強化比賽。但是如何將機器人類型科創競賽中的比賽項目及其關鍵技術問題轉化為相關的模塊化教學內容，需要科學的規劃和實施，尤其是教學內容與機器人工程專業培養大綱需要保持高度一致，這樣才可促進學生對理論知識消化吸收。另外，如何用具體的競賽案例來實例化理論教學內容，助力機器人工程方向學生應用型能力培養，需要精心設計，形成完整的教學反饋閉環，也是難點之一。

（二）" 依托科創競賽的實踐能力提升方案

結合指導學生參加機器人類科創競賽經驗，通過機器人競賽的要求來設計機器人功能，并以實例教學的方式，幫助學生理解課程內容的意義和在實踐中的應用。比如，在講解機器人動力學方程時，可以使用移動機器人競賽中的移動小車作為案例進行建模，以便學生更好地運用所學知識。這種教學方法能夠降低抽象概念的難度，激發學生的興趣，并促進他們對機器人技術的深入理解和實踐能力的提升。同時，要有針對性地增加學生實際操作環節，如在智能汽車比賽規則條件下，鼓勵學生開展部分模塊的設計與驗證工作，將紅綠燈識別、S彎道跟蹤等任務布置給學生，促進其融入到科創競賽的實際過程中。

分層次指導學生參加大學生機器人方向的科創競賽，教師重點關注本科階段已確定保研資格以及立志將來攻讀研究生的學生，這是參賽學生重要來源之一。另外，研究方向與機器人相關的碩士研究生也是參賽學生的重要來源，將本科生和碩士生組成參賽團隊，由本文作者擔任指導教師，此做法有兩點好處：其一，可避免出現學生僅以參加比賽獲獎保研為目的的情況;其二，以由指導教師指導參賽學生、碩士研究生直接帶領本科生的方式，形成合理的團隊梯度。

利用已有的軟硬件平臺，搭建多個支撐比賽的移動機器人模型、水面/水下機器人模型、比賽環境模型、視覺系統模型、激光雷達感知模型和SLAM模型等，開發和修改相關模型軟件系統，選擇C++和Python語言作為主要編程語言，綜合訓練學生的硬件調試能力和軟件編程能力，同時增加案例式教學環節，引入科創競賽完成比賽內容中的部分典型任務。為了幫助學生更好地理解課程內容的意義和在實踐中的應用，我們要求他們掌握機器人功能設計的要求。為了實現這個目標，我們采用實例教學的方式。舉個例子，在講解動力學方程時，可以以移動機器人大賽中的移動小車作為案例進行建模，這樣的教學方法可以加深學生對所學知識的運用，并幫助他們更好地掌握機器人技術。通過實際操作和實踐，學生將能夠更好地應用所學知識，提高其實踐能力和理解水平。

二" 以科研案例理論教學為支點的模塊化教學手段

（一）" 科研案例與理論教學相結合的難點分析

機器人工程專業學生所學課程的知識點較多，需要梳理出一條貫穿大部分知識點的主線，并圍繞該主線整理科研案例，注重科研案例的典型性，如果科研案例選擇不當，不僅影響授課學時，還會影響學生對理論的消化和掌握，為此應解決知識主線和科研案例難點問題。

考慮到機器人工程專業學生未來就業領域實用化特點，結合應用型能力在未來學生就業行業的作用，梳理綜合設計實踐環節知識點主線，以此為基礎整理科研項目研究基礎和科研案例，完成主線式科研案例構建工作。同時結合機器人工程專業包含的知識體系構成，按照大類劃分原則，設計組建模塊化理論體系的研究方案，基于已有的機器人試驗平臺，構建模塊化教學的測試場景，驗證模塊化教學手段的可行性，并且參考傳統的理論授課方式，為學生提供以模塊化綜合設計實踐知識主線為主的教學體系，保證模塊化知識主線的覆蓋效果。

（二）" 依托科研案例理論教學的實踐能力提升方案

在準備綜合設計實踐環節時，鼓勵學生進行團隊合作，并建立一個課程教學團隊，為了更好地組織機器人工程課程，將其按照知識結構分成多個知識點，團隊中的教師可以根據各自的專長，在指導學生時負責不同的知識點，這種合作模式可以充分發揮每位教師的優勢，提供更全面、有針對性的教學指導，幫助學生更好地掌握機器人工程的知識和技能，每個人負責一部分知識點，保證對各知識點的透徹領悟，共同討論梳理出圍繞該課程的理論知識主線，該主線串聯覆蓋該課程的全部核心知識點，為后續科研案例梳理奠定知識點基礎。

整合本文作者所在團隊的資源優勢，針對課程主線內容，實現多學科深度融合，圍繞教師專長并利用各位教師參與的科研項目，整理與主線相關的科研案例，保證科研案例與各負責教師專業研究方向相契合。在課程主線上，一定會存在沒有科研項目背景的科研案例，此種情況下將采用以下兩種方式解決：其一，由本文作者開展專門的機器人（移動式、多連桿式等）試驗，利用已有實驗室條件，設計試驗案例，形成覆蓋知識主線的有效教學案例;其二，通過校企合作模式，進一步加強產業與教育的融合，與企業展開產學研合作，共同制定實驗方案并開發實驗項目，同時也聯合編寫實驗指導教材，這樣的合作模式可以確保教學內容與實際應用緊密結合，學生可以獲得更深入的實踐經驗。通過與企業合作，可以提供學生與真實工作環境相符合的實習機會，幫助他們更好地掌握所學知識并培養相關技能。

為了增強基礎知識的聯想和貫穿性，對綜合設計實踐環節進行知識主線結構的劃分，這意味著將相關知識點有機連接起來，構建一個整體的知識框架，通過這種方式，學生可以更好地理解不同知識點之間的相互聯系，提升其綜合思考能力，同時這種結構還可以幫助學生在實踐中將各種知識應用到實際問題解決過程中，提升其實際操作能力。在授課過程中基于科研案例和試驗平臺，構建模塊化教學手段，具體實施方式如下：圍繞綜合設計實踐主線中相關知識體系，構建以多個科研案例組成的一個模塊，進而將多個模塊覆蓋全部知識主線的所有知識點，啟發式引導學生利用所學各模塊，應用到綜合設計實踐具體環節中，并開展理論與實驗環節交叉融合，以鞏固學生對問題的理解，利用本文作者所在團隊中已配置的機器人平臺，在理論教學過程中，配合科研案例開展教學。

三" 以產業實踐為支點的學生實踐能力培養方法

（一）" 產業實踐提升實踐能力途徑的難點分析

機器人產業包含該領域中最先進的技術元素，將機器人產業引入高校人才培養過程中，可提升高校相關專業的人才培養質量，但機器人產業實踐以何種方式引入人才培養過程是一個關鍵問題，如果產業引入不當會造成人才培養任務的負擔，制約高校理論發展與實踐教學任務的開展。因此，要認識到將機器人產業實踐引入應用型人才培養過程的方式是一個難點。

要利用已有的和將來潛在的校外指導教師資源，建立機器人工程專業學生應用型能力培養的新途徑，同時與校內指導教師加以深度通力合作，在理論層面重點培養學生解決具體問題的實踐能力。在已有機器人軟硬件平臺基礎上，充分利用地緣優勢和合作基礎，在軟件協同開發方面開展深入具體的合作，引入機器人動力系統設計、數字孿生方面的先進軟件技術，改造已有的機器人平臺，設計機器人技術實踐大綱，按產業實踐需求著力培養學生的能力。

（二）" 依托產業實踐的實踐能力提升方案

利用校內、校外聯合指導優勢，開展機器人工程專業應用實踐型人才培養工作，將關鍵理論知識點與工程實踐深度結合。利用現有的機器人設備及承擔的科研項目，鼓勵學生參與到科研項目中，將所學的理論知識應用到工程實踐中，培養學生的興趣，激發學生的參與積極性，開展機器人實踐的宣傳活動，開放機器人與本文作者所在團隊現有機器人設備。與傳統的注重知識傳授和技能培養的課程不同，機器人實踐注重實踐、探索、應用和綜合能力的培養，幫助學生更好地接觸前沿研究，提升他們的創新能力和專業素質。

組織參觀具有先進工業機器人設備的工廠、研究所以及企事業單位，讓學生了解機器人在實際工程中的應用過程，鼓勵學生前往與團隊長期合作的企業實習，并在從事機器人工程實踐前，編寫實踐指導手冊，編寫機器人實踐教學手冊，提高學生的學習興趣。有條件時，在相關專業課程中講授機器人操作與控制的內容，結合已有實驗設備開發與機器人實踐相關的實驗項目，在實踐過程中培養學生應用知識的能力，精選機器人實踐教學內容，實現復合型人才的培養目標，編寫一套適合自身實際情況的，具有啟發性、創造性、學科交叉性和綜合性的機器人實踐手冊，設立多種興趣激發點，建立特色鮮明的工程實踐創新教育教材。

機器人工程專業的學生可以選擇電力電子、自動控制、單片機、數字信號處理器、智能傳感器和計算機語言等具體方向進行學習，通過抓住總體設計方案和內容分解，將復雜的問題轉化為具體而有針對性的子問題，從而全面掌握與機器人操作和控制相關的知識，并有目的地提高自己在某個方面的實際操作能力。在策略方案分析階段，學生將鍛煉思考、分析和解決問題的能力，而在具體設計和調試過程中，將綜合運用所學課程知識，提升其工程實施能力。通過將課程理論與機器人實踐緊密結合，學生將培養出更強的動手能力、創造能力、協作能力和綜合能力。這種綜合性的學習方法不僅能幫助他們在理論知識上做深入理解，還能將其運用到實際操作中，從而更好地應對機器人工程領域的挑戰。

四" 以就業需求為牽引的機器人工程專業柔性考核評價方法

（一）" 基于就業需求的柔性評價方式難點分析

高校機器人工程專業人才培養目標是向相關產業輸送高技術人才，讓這些人充分利用高新技術，推動機器人產業的發展和產出，提高學生實踐環節的設計能力與問題解決能力，消除傳統授課模式單一化考核方式弊端，以培養學生成為機器人領域高質量創新型人才為目標，設計多元評價考核機制，因此保證模塊化綜合設計實踐評價方式的科學性是難點。

以機器人工程專業學生的應用型能力培養為牽引，重視教師與學生間的有效溝通和良性互動，將學生的反饋作為重要的評價指標。此外，開展多維度的教學評價，覆蓋理論知識點主線、模塊化教學全過程、理論與實踐的綜合表現等。利用專家系統理論構建對機器人專業方向學生的柔性考核評價方案，利用教師豐富的指導經驗，劃分考核學生綜合能力的影響因素，通過主成分分析法構建學生高維評價數學模型。

（二）" 基于就業需求的柔性評價實施方案

采用傳統的試卷考核或單純的實驗結果考核方式并不合適，應構建可評價機器人工程專業學生實踐能力評分表，指導教師全程記錄學生在科創競賽中的表現，綜合考慮科創競賽結果、個人表現、理論應用能力和解決問題能力4個評價指標，具體改革評價方式如下。

強調雙向教學能力評估。采用研討式的案例教學方法，注重在綜合設計與實踐評價體系中增加技術討論的重要性，討論會以小組形式進行，每個小組選出一名代表發言，而其他小組成員則進行提問和討論。此評估方法不同于傳統的單純依賴教師評估，因為它涉及學生的互動，要求學生對自己小組內的同伴進行評價，并為其他小組提供評價觀點，建立透明的同伴評價機制。每個學生都是評估者和被評估者，這有助于避免僅僅依靠教師評估的局限性，提高學生在研討會過程中的參與度和熱情。

注重培養研究思維和創新能力。致力于培養學生識別、分析和解決問題的能力，教師和學生在實踐教學過程中共同探索科學知識，通過設置問題情境，激發學生的興趣和好奇心，引導學生自主探索，體驗知識生成的過程，鼓勵學生提出問題，批判性地思考，表達獨立的觀點。這樣的學習環境培養了學生的創新思維和創新能力。因此，該評價方法以創新思維為標準來評價學生的研究性思維能力。

重視解決實際問題能力。對學生在主線式模塊化教學后的實踐應用環節中，強化學生動手能力，尤其重視學生對軟件的編程能力和硬件的設計能力，對標機器人工程專業學生未來就業領域，力爭培養出符合新時代特征的機器人工程專業優秀創新型人才，為此形成以實際能力為指標的考核評價方法。

根據主成分分析原理，綜合評價人才培養目標是否達成，并通過量化指標衡量學生的成績。但這里需要注意，考慮到目標是培養應用型機器人領域專業人才和而不是僅通過分數將學生劃分等級，避免埋沒特殊人才，為此允許指導教師或授課教師柔性調整學生的評價結果。

五" 結束語

針對機器人工程專業應用型實踐能力人才需求，本文圍繞新工科下高校機器人工程專業學生能力培養目標，設計以科創競賽為支點，以產業實踐為支點，以科研案例理論教學為支點，以就業需求為牽引的“三支點一牽引”機器人工程專業學生實踐能力提升途徑，促進學生消化吸收理論知識，培養具有國際視野、創新思維的機器人工程專業技術創新人才，為其他工科專業創新型人才培養提供參考。

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基金項目：教育部高等教育司產學合作協同育人項目“產學合作協同育人模式下機器人工程專業實踐條件建設研究”（201902155018）;黑龍江省教育科學規劃2023年度重點課題研究成果“‘以賽助學，賽學并考’的新型機器人方向本碩貫通培養模式研究”（GJB1423059）;黑龍江省教改項目“‘線上、線下、虛仿、實操’四位一體的機器人工程專業新工科建設模式研究”（SJGZ20200043）

第一作者簡介：王立鵬（1985-），男，漢族，黑龍江阿城人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為復雜系統建模與控制、機器人語義SLAM。

*通信作者：劉志林（1977-），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為高等教育管理。