新工科背景下机器人工程专业人才培养体系建设思考
朱银龙 马晨波 杨青 刘英
摘? 要：机器人工程作为我国刚起步的新工科专业，其建设成效将直接影响未来国家经济的发展和中国在全球经济中的主导地位。文章通过分析现阶段国内外大学机器人工程专业发展历程及特点，梳理机器人工程专业建设中存在的问题，提出机器人工程专业建设思路与改革办法。
关键词：新工科;机器人工程;专业建设;人才培养
中图分类号：C961? ? ? ? 文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2096-000X（2021）14-0025-05
Abstract： As a new engineering specialty in China， robot engineering will directly affect the future economic development of the country and China's dominant position in the global economy. This paper analyzes the development history and characteristics of the university robot engineering at home and abroad， and sorts out the problems existing in the construction of robot engineering， and puts forward the ideas and reform methods of the robot engineering.
Keywords： new engineering specialty; robotics engineering; construction of specialty; talent development
机器人和高档数控机床是“中国制造2025”重点发展的十大领域之一，国家对此十分重视。由工信部、发改委和财政部联合印发的《机器人产业发展规划（2016-2026年）》，提出五年内我国形成较为完备的机器人产业体系。文件指出，大力发展机器人关键零部件，强化产业基础能力，着力推进应用示范，积极培育龙头企业，从多方面助推制造业转型升级，实现“智能化”+“信息化”，解放人类劳动生产力[1]。预计到2021年，我国机器人应用人才的需求量将达到100万。
为了满足未来新兴产业和新经济对掌握机器人技术的专门人才的迫切需求，我国高校积极开设机器人工程新专业：2016年1所，2017年增加25所，2018年增加60所，2019年申请备案的101所，合计为187所。目前开设机器人工程专业的大学发展迅速，既有985和211高校，也有普通本科高校和民办高校。行业发展的需求对新工科背景下机器人工程专业教学和建设提出了新的要求，机器人工程专业面临着新机遇、新挑战。然而短时间内，众多高校竞相开设的机器人工程专业面临着课程体系建设不充分、基本教材不足、實验实践教学体系论证不完全等问题，这些关乎机器人工程专业的未来发展。在新工科建设背景下，如何以新理念、新模式培养具有扎实的机器人专业基础知识、卓越工程实践能力、胜任行业发展需求的创新型人才，已经成为机器人专业发展急需解决的关键问题。
一、国内外大学机器人工程专业发展现状与特点
就世界范围而言，美国、日本、韩国、欧洲等国家地区的机器人技术发展较为领先。下面对这几个发达国家地区的机器人教育现状做深入分析和探讨。
美国的卡耐基梅隆大学于1979年率先成立机器人研究所，并于1988年设立了机器人学博士项目。发展到今天，卡内基梅隆大学可覆盖从本科到研究生的全方位机器人教育。机器人专业学位课程主要包括四个模块：（1）数学基础;（2）力学知识包括机器人运动学、动力学及控制;（3）机器人感知理论（譬如机器视觉、各类传感器及应用等）;（4）机器人的认知与推理（机器学习、人工智能等）。另外，机器人专业还提供了提升学生动手能力的实践课和选修课。依据学生的兴趣自由选择仿人机器人、移动机器人、机电一体化等选修课。美国的Worcester理工学院[2]于2006年，加州大学Santa Cruz分校于2011年、Lawrence理工大学于2011年相继成立机器人工程本科专业，根据各个学校的特点，依托不同学科，发挥学科交叉的特点和优势，凸显机器人这一交叉学科的主体地位。这些高校的机器人教学具有如下特点：以机电、自动化、计算机作为专业基础课程，以机器人相关课程作为专业课，提倡培养学生实践能力，积极开展机器人竞赛，同时利用机器人教育平台与其他课程教学交叉融合。美国其他知名高校一般将机器人作为研究方向，尚未开设本科专业。如麻省理工学院的野外与空间机器人实验室挂靠机械工程系、斯坦福的机器人实验室则隶属人工智能实验室。但是，这些高校的研究生课程设置也都参考借鉴了卡耐基梅隆大学的课程设置方法。
2004年，全球第一个机器人本科教育的专业在英国Plymouh大学开设。该校的办学思想是全面提升学生的动手实践能力，围绕机器人这一应用型、实践性强的专业特点。将动手能力的培养贯穿机器人课程教学中，将电子设计、嵌入式编程、机电开发、人工智能等领域相关知识和分析问题的能力、实践技能的培养贯穿大学四个年级。
众所周知，日本的机器人教育以及机器人应用在全球领先。这一现象并非偶然，主要在于日本的很多高校都为学生开设机器人课程，同时每个学年都定期举行各种机器人竞赛。学生将在课堂上所学知识用于机器人的制作开发，通过竞赛发现问题，这激发了学生的学习兴趣，提升了学生分析问题、解决问题的能力，达到以赛促学的作用。
日本的机器人教育给全球国家做出了较好的榜样。近年来，世界各国特别是德国、新加坡、韩国等，也逐步认识到机器人教育的重要性，并加大了在中学、大学各个阶段的机器人教育和机器人竞赛方面的投入。
调研结果显示国外高校的机器人教育中表现出两个特征：（1）实践环节所占学时比例较大;（2）在其他课程的教学中将机器人作为培养复杂工程问题解决能力的一个有效载体。
与世界发达国家相比，我国机器人技术领域的研究相对较晚，发展水平与世界发达国家有一定的差距。同时，机器人方面的教学也比较滞后。目前机器人相关教育主要分为两类：一类以清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学等重点高校为代表的研究生阶段教育;另一类以一些高职类院校为代表的工业机器人应用型教育，在课时安排上，理论课程所占比重远大于实践环节的比重。其他大部分本科高校均是开设一些概论或选修性质的课程，机器人的教育教学并未形成体系。
国外机器人本科专业相对较少，且集中在一些知名高校。反观国内，自2015年东南大学申请的全国第一个机器人工程专业并于2016年获批，至今短短四年内已有187所学校（北京大学、东北大学、浙江大学、南京航空航天大学、湖南大学、南京林业大学、南京工程学院等）获批机器人专业。国内各高校的机器人工程专业的教育由于师资来源不同主要分为三个发展方向：（1）以自动化为主，侧重机器人的驱动与控制;（2）以机电为主，侧重机器人的机电一体化系统;（3）以计算机为主，侧重机器人的人工智能和软件方面。
二、机器人工程专业建设面临的问题
（一）各学校支撑学科不同，机器人专业建设方向与课程体系差异大
近年来国内开设机器人工程专业的学校规模与层次均不太相同，机器人工程专业这一新工科专业的学科代码与自动化类专业相近，然而在各高校所属的学院也完全不同。主要分为三类：（1）隶属机械工程学院，如中国矿业大学和南京航空航天大学等;（2）隶属自动化学院，如东南大学、南京工程学院等;（3）直接成立新学院，如东北大学。迄今为止，对机器人工程专业的建设尚无统一建设目标。各学校对机器人工程专业的理解不同，导致课程体系和建设方向存在较大差异。
（二）对新工科专业的理解不深，内涵不够，学生创新能力培养有待提高
针对新工科专业的改革与探索，国内各高校都投入了极大的精力和人力。但是总体而言，对新工科内涵的理解层面还不深。大多数高校对新工科的理解还停留在“校企合作”等形式上，并未深入理解新工科与传统工科专业的区别和联系，多数校企合作多流于形式，重仪式、轻内容[3]。各高校未能有效对传统专业进行升级、改造，依然采用陈旧的课程体系和教学方法，无法有效培养学生的创新意识和实践能力。部分教学改革仍然是“新瓶装旧酒”，形式改变，但课程体系和内容依旧[4]。
（三）缺乏有效教材指导，专业师资配置不合理
机器人工程专业的知识体系比较广，其工程基础课程、专业基础课程和专业课程与传统专业差别较大。目前市面上的教材主要是以前机械电子工程专业开设的机器人选修课教材和一些科研专著，不能满足机器人工程专业的实际教材需求。
各高校的机器人工程专业主要师资力量来源为机械电子工程专业或自动化专业，机器人专业师资人才缺乏，短期内如何高效解决师资配置是急需解决的问题。
三、機器人工程专业建设与发展思路
围绕机器人工程专业的建设，我们急需抓住机遇，积极探索与建设新工科背景下的机器人工程专业的课程体系[5]，根据设置机器人新专业的学校特点，分析学校特色、支撑学科对不同学校机器人工程这一新工科专业课程体系建设的影响。建立针对不同学校定位及支撑学科特色的差异化机器人工程专业课程体系建设指导方案，同时深入探讨课程体系建设中的实践创新方法。对目前存在的问题提出解决办法和机器人工程专业未来建设思路。
（一）突破学科壁垒，制定“机电+智能”的机器人工程专业课程体系结构
机器人工程专业是面向未来社会和技术发展，满足未来经济发展需求的新工科专业。新工科专业的发展和新经济的发展密切相关，其所面向的生产组织形式和客户需求与传统专业完全不同。面向新形势，各高校在办学时不能用传统的高等教育组织模式和教学理念、方法来理解机器人工程专业内涵。各高校对机器人工程专业的机器人课程体系还处在摸索阶段，机器人工程专业的核心课程资源不足，实践教学环节面临巨大挑战，课程体系建设在短期内更是一个急需解决的问题。破除机械类、控制类学科关于机器人专业课程体系偏机电、偏控制之间的争议，依据各个学校的学科特点，制定适合学校特色的机器人工程课程体系不失为一种选择。这里以南京林业大学的机器人工程专业为例，阐述该专业课程体系建设思路与未来发展途径。
图1所示为南京林业大学机器人工程专业课程体系，四个学年的主要课程按照知识培养层级和知识模块分布如下：从低年级到高年级;从工程基础/通识课程、专业基础、专业课程到综合课程;从机器人认识、机器人机电基础设计、机器人驱动与控制到机器人系统设计;以及从认识实习/金工实习、课程设计、生产实习到毕业设计的递进实践环节培养。课程充分体现“机电+智能”的特点，分为专业基础课、专业核心课、专业选修课。专业课程按照知识结构划分为三大课程群。
1. 机器人本体设计分析课程群。主要涵盖机器人本体设计、工程图学、工程力学、机械设计基础等课程，让学生掌握机器人机构学等相关知识，可进行机器人本体及相关机电装备结构设计、建模仿真。
2. 机器人感知与控制课程群。主要包括机器人测试与传感技术、人工智能原理与应用、机器视觉与图像处理，移动机器人控制等课程。学生需要掌握机器人传感与控制知识，利用新手段如人工智能技术实现机器人系统的智能控制、决策、规划等，解决复杂工程问题。
3. 机器人系统集成与应用课程群。此模块主要培养学生综合实践能力，包括工业机器人应用、机器人学、机器人操作系统、机电传动控制等课程。让学生掌握机器人工作站系统构建、熟悉使用机器人操作系统并将其用于机器人系统开发。
（二）打破传统的教学方式，构建具有新工科特质的协同创新能力和创业能力训练的实践教学平台，推进信息技术与实验教学深度融合
新工科人才教育注重学生实践能力的培养，解决传统教学过程所导致的理论教学与实践教学未能有效融合、实践教学模块连续性弱、实验教学知识碎片化等问题。通过机器人工程专业培养方案的顶层设计，重新优化课程体系，实践教学有效连接理论教学，建立新型实践教学模式。引入工程认证教育理念，以学生为中心，注重学生分析问题和实践能力的培养。充分利用新型教学模式，如项目教学法，通过具体项目引导学生探究，启发学生思考。项目教学法的实施使得学生在完成项目的过程中，加强对专业基础知识和技术技能的掌握，培养职业素养的同时，也达到培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。大力引进企业兼职教师，在常规的教学基础上充分利用企业兼职教师的工程背景和工程经验，发挥他们的行业背景优势，实现授课方式的多样化和实用性[6]。
在机器人专业建设中将依托国家级现代林业装备及其自动化虚拟仿真实验教学中心和江苏省机械工程虚拟仿真共享平台，虚实结合，引入协同育人项目，实现产教融合，充分发挥学生社团作用，构建好协同创新能力和创业能力训练的实践教学平台，将人工智能、智能制造等融入实验教学，推进信息技术与实验教学深度融合（见表1）。
立德树人，以生为本、致力于培养“基础知识厚、专业能力强、综合素质高、具有国际视野和社会责任感”的创新创业人才，是新工科建设的重要目标。建立从低年级的新生研讨课、科技文化节、创新实验课程到高年级的创新实践项目、创业训练项目、大学生研究计划的大学阶段全覆盖式创新能力培养课程。做到因材施教，吸纳学生参与教师的国家自然基金、省重点研发项目和企业课题，培养学生科研能力;鼓励引导学生参加机器人大赛、“挑战杯”竞赛、“大学生创新项目”、“互联网+”竞赛及其他各类创新创业大赛，多渠道、多层次培养创新创业人才。
（三）积极开展机器人工程专业教材的规划和编写
工作，丰富机器人工程专业师资队伍层次结构
教材是教学的基本工具，承载教学内容和教学方法，同时，也是深化教育教学改革，全面提升素质教育，培养创新人才的重要保证。如何合理规划和编写好教材，需要我们科学合理设置专业知识模块，做到横向、纵向规划合理，知识体系一脉相承，课程之间知识有交叉联系但无重复，理论与实践相结合，为专业培养创新人才提供有力保障。对于机器人工程新专业教材不多的现状，各校应针对人才培养目标定位，细化课程目标，选用适合课程培养体系的现有教材，或者根据需要与出版社合作编写教材。
机器人工程专业是机械、电子、控制、信息多领域知识的融合，应依据各高校不同培养目标和毕业要求确定的课程体系和学科发展需求配置机器人工程专业师资，建设一支多学科交叉、学缘合理的高素质师资队伍。为解决师资短缺问题，各校可引培结合，即引进国内外高校高层次人才的同时，注重培养本校优秀的青年教师，形成学缘合理、结构优化、多学科交叉、具有工程经验的师资队伍，推动机器人工程专业建设与学科发展。
四、结束语
机器人是典型的机电一体化产品，机器人工程专业则是机械、自动化、计算机等多学科交叉的应用型专业。从长远看，机器人工程的专业建设应该立足国家经济发展需求，通过认真调研就业市场需求，根据各校具体情况，确立机器人工程专业人才培养目标定位，相应制定适合各高校特点的人才培养方案和课程体系。突破学科壁垒，通过智能驱动培养学生高阶思维能力，从注重知识传授转变为“知识、能力、素质”并重的系统培养;通过建立四年制全覆盖式创新创业能力培养课程，多渠道、多层次培养创新创业人才。
参考文献：
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[3]胡而已，唐超权.机器人工程新工科专业建设探析[J].教育教學论坛，2019（19）：244-245.
[4]胡而已，唐超权.机器人工程新工科专业人才培养模式浅析[J].教育教学论坛，2019（32）：259-260.
[5]李正良，廖瑞金，董凌燕.新工科专业建设：内涵、路径与培养模式[J].高等工程教育研究，2018（2）：20-24，51.
[6]温宏愿，孙松丽，刘超.工业机器人专业集群建设探索与实践[J].高等工程教育研究，2019（3）：47-51.
