面向新工科的機(jī)器人工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索

王帥 吳成東 賈子熙 王斐

摘要：作為第三次工業(yè)革命的重要增長(zhǎng)點(diǎn)，機(jī)器人及人工智能技術(shù)正滲透到各行各業(yè)，機(jī)器人帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)大爆發(fā)對(duì)我國(guó)高等工程人才培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)，迫切需要探索機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)，以滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需求。文章介紹了機(jī)器人專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，討論了面向新工科的機(jī)器人專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案，通過(guò)構(gòu)建有序化和個(gè)性化相結(jié)合的產(chǎn)學(xué)研多主體協(xié)同育人人才培養(yǎng)模式，設(shè)置以創(chuàng)新和實(shí)踐為核心的交叉學(xué)科課程體系，建設(shè)基于教學(xué)科研資源轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，證明了創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的有效性。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人工程專業(yè);課程體系;培養(yǎng)模式;協(xié)同育人

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）14-0052-03

一、機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀

機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是衡量一個(gè)國(guó)家創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志，已成為全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要切入點(diǎn)，將影響全球制造業(yè)格局。為了搶占競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)，培養(yǎng)具備創(chuàng)新素質(zhì)的機(jī)器人技術(shù)人才成為各國(guó)政府和高等教育界關(guān)注的焦點(diǎn)[1，2]。

英國(guó)Plymouth University是全球第一所提供機(jī)器人本科教育課程的大學(xué)，其辦學(xué)思想是向?qū)W生提供模擬的由做到學(xué)的體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生電子、嵌入式與高級(jí)編程、機(jī)電、人工智能等領(lǐng)域的實(shí)踐和分析技能，跟蹤機(jī)器人研究最新進(jìn)展。日本機(jī)器人教育及文化普及水平很高，在世界名列前茅，幾乎每所大學(xué)都擁有高水平的機(jī)器人研究和教學(xué)內(nèi)容，每年定期舉行不同層次的機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作大賽，不僅加速了日本機(jī)器人文化的普及，而且調(diào)動(dòng)社會(huì)力量，開(kāi)發(fā)出大量的機(jī)器人產(chǎn)品，促進(jìn)了日本工業(yè)發(fā)展，并帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)的機(jī)器人專業(yè)課程高度重視與科技實(shí)踐相結(jié)合，以團(tuán)隊(duì)為活動(dòng)單位，在教師指導(dǎo)下以學(xué)生為中心開(kāi)展活動(dòng)，注重為學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主發(fā)揮空間。本科生首先通過(guò)導(dǎo)論課程對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域有基本認(rèn)識(shí)，同時(shí)掌握一些基本技能。然后通過(guò)對(duì)認(rèn)知、感知、執(zhí)行這幾個(gè)核心模塊的學(xué)習(xí)，深入理解智能機(jī)器人所涉及的技術(shù)。其次，選一門動(dòng)手課程增強(qiáng)動(dòng)手能力，選兩門選修課增加知識(shí)的廣度。最后，通過(guò)系統(tǒng)工程以及核心課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，將前面所學(xué)到的內(nèi)容融會(huì)貫通，為以后的學(xué)習(xí)和工作打好基礎(chǔ)[3]。

我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場(chǎng)空間不斷擴(kuò)大。與此同時(shí)，我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用人才缺口巨大，且每年仍以20%—30%的速度增長(zhǎng)。以往單純依托職業(yè)院校輸送應(yīng)用人才的培養(yǎng)機(jī)制已難以滿足未來(lái)市場(chǎng)需要，需要政府、企業(yè)、學(xué)校、科研院所等共同推動(dòng)我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用人才的培養(yǎng)與發(fā)展。教育部提出了適應(yīng)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的“新工科”概念[4]，應(yīng)對(duì)未來(lái)新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，主動(dòng)布局機(jī)器人和智能制造等工程科技人才培養(yǎng)。2016年，全國(guó)第一個(gè)機(jī)器人工程專業(yè)獲批;2017年，25所高校獲準(zhǔn)建設(shè)機(jī)器人工程專業(yè);2018年，60所高校獲準(zhǔn)建設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)，新增機(jī)器人工程專業(yè)數(shù)量在教育部近兩年來(lái)批準(zhǔn)培養(yǎng)新專業(yè)數(shù)量中排在第二位;截至2018年，國(guó)內(nèi)高校已成立10所機(jī)器人學(xué)院?？梢灶A(yù)見(jiàn)，開(kāi)設(shè)機(jī)器人本科專業(yè)，必將在國(guó)內(nèi)教育界形成熱潮。

然而，機(jī)器人專業(yè)的人才培養(yǎng)正處于起步階段。與國(guó)外高校如麻省理工學(xué)院、卡耐基梅隆大學(xué)等相比，我國(guó)的機(jī)器人專業(yè)培養(yǎng)體系亟須建立和完善[5]。相應(yīng)地，面向新工科的機(jī)器人專業(yè)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式亟待大力開(kāi)展探索和研究。

二、面向新工科的機(jī)器人專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案

2015年9月，東北大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所、沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司協(xié)同建立機(jī)器人學(xué)院。三方充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，共同探索機(jī)器人及相關(guān)領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才選拔培養(yǎng)的新途徑，為快速發(fā)展的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)提供更有利的智力支撐和人才保障。

東北大學(xué)機(jī)器人科學(xué)與工程學(xué)院以控制科學(xué)與工程國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科（國(guó)家雙一流學(xué)科）為依托，承擔(dān)“機(jī)器人科學(xué)與工程”二級(jí)學(xué)科建設(shè)。兩學(xué)科均具有碩士學(xué)位和博士學(xué)位授予權(quán)。機(jī)器人工程專業(yè)培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)家智能制造戰(zhàn)略發(fā)展和國(guó)際科技前沿需求，掌握機(jī)器人工程的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，具備從事機(jī)器人領(lǐng)域的實(shí)踐技能，具有良好人文社會(huì)科學(xué)素質(zhì)修養(yǎng)、社會(huì)責(zé)任感和工程職業(yè)道德，具有創(chuàng)新精神和終身學(xué)習(xí)能力，兼具國(guó)際視野的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)面向新工科的教育理念，建立高校、企業(yè)、科研院所等多主體協(xié)同育人的創(chuàng)新模式框架，如圖1所示。學(xué)院統(tǒng)籌管理，推進(jìn)科教結(jié)合、產(chǎn)學(xué)融合、校企合作的協(xié)同育人體制機(jī)制改革;明確機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)社會(huì)和市場(chǎng)需求共同制訂人才培養(yǎng)計(jì)劃，設(shè)計(jì)教學(xué)課程體系，改革教學(xué)內(nèi)容和方法，編寫機(jī)器人系列教材;建立多層次的機(jī)器人工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，依托高校，聯(lián)合企業(yè)、研究所建立共建實(shí)驗(yàn)室，整合優(yōu)勢(shì)實(shí)驗(yàn)資源，搭建資源共享實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，促進(jìn)資源共享、開(kāi)放發(fā)展。

三、培養(yǎng)方案實(shí)施

1.構(gòu)建以創(chuàng)新和實(shí)踐為核心的交叉學(xué)科課程體系。機(jī)器人工程專業(yè)以控制科學(xué)與工程、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程和認(rèn)知科學(xué)等學(xué)科中涉及的機(jī)器人科學(xué)技術(shù)問(wèn)題為研究對(duì)象，綜合應(yīng)用自然科學(xué)、工程方法和技術(shù)，研究機(jī)器人的智能感知、優(yōu)化控制與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人機(jī)交互模式等學(xué)術(shù)問(wèn)題。由于機(jī)器人工程專業(yè)涉及多個(gè)學(xué)科，為了合理有序安排課程，參照國(guó)內(nèi)外一流大學(xué)機(jī)器人工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，設(shè)置培養(yǎng)目標(biāo)，分析課程設(shè)置，并與國(guó)內(nèi)外高校與企業(yè)專家深入探討，就課程選修順序進(jìn)行了細(xì)致的梳理。培養(yǎng)計(jì)劃不但符合學(xué)校的規(guī)定要求，也兼顧專業(yè)規(guī)律，由淺入深，保證人才培養(yǎng)定位和課程設(shè)置處于先進(jìn)水平。

機(jī)器人工程專業(yè)以智能機(jī)器人為主要研究對(duì)象，專業(yè)培養(yǎng)方向側(cè)重于機(jī)器人智能感知與決策理論和工程實(shí)現(xiàn)。按照課群分為自動(dòng)化課群，包括C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、電路原理、計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、自動(dòng)控制原理、微機(jī)原理與程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等;機(jī)器人機(jī)構(gòu)課群包括工程制圖基礎(chǔ)、機(jī)器人機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)器人基礎(chǔ)原理、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制等;傳感器技術(shù)課群包括傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺(jué)等;機(jī)器人系統(tǒng)課群包括Linux系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)、機(jī)器人操作系統(tǒng)基礎(chǔ)等;人機(jī)交互課群包括機(jī)器人感知與人機(jī)交互（雙語(yǔ)）、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)基礎(chǔ)等;人工智能課群包括人工智能概論、Python編程（雙語(yǔ)）、機(jī)器學(xué)習(xí)導(dǎo)論、智能控制概論、云計(jì)算導(dǎo)論等。循序漸進(jìn)安排每學(xué)年的專業(yè)課程設(shè)置，如圖2所示。

在實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)置上，開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課獨(dú)立授課的課程，包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)、機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)、智能機(jī)器人系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，實(shí)行“做中學(xué)”和學(xué)以致用。機(jī)器人工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)學(xué)分占比大于25%，強(qiáng)化學(xué)生運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行工程實(shí)踐的能力，加深學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的記憶與理解。由于機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格普遍較高，購(gòu)買的實(shí)驗(yàn)套數(shù)較少，引入PBL（Project-Based Learning，簡(jiǎn)稱 PBL）教學(xué)方法[6]。實(shí)驗(yàn)課獨(dú)立授課的課程均為48個(gè)課時(shí)，一般多以3—5人組成實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而PBL教學(xué)模式的一個(gè)重要特征是以小組合作學(xué)習(xí)的形式來(lái)解決問(wèn)題的活動(dòng)。小組成員通過(guò)討論來(lái)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，在此過(guò)程中，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和溝通能力得到較好的發(fā)展。通過(guò)PBL教學(xué)模式的引入，在具體問(wèn)題式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的驅(qū)動(dòng)下，同學(xué)們會(huì)針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行合理分工，不僅可以調(diào)動(dòng)同學(xué)們的積極性，團(tuán)結(jié)合作，還能提高自主學(xué)習(xí)能力。

目前，機(jī)器人工程專業(yè)課程普遍缺乏必要的教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)?；诙鄬W(xué)科交叉的課程體系建設(shè)，編寫機(jī)器人專業(yè)系列教材，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，學(xué)院組織國(guó)內(nèi)外高校、企業(yè)及科研院所的專家，提出了機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)器人感知與認(rèn)知技術(shù)、機(jī)器人交互與融合技術(shù)、機(jī)器人系統(tǒng)集成等教材的編寫計(jì)劃，基于機(jī)器人工程專業(yè)的特點(diǎn)，構(gòu)建機(jī)器人理論、技術(shù)、工程設(shè)計(jì)與技術(shù)創(chuàng)新的機(jī)器人系列教材體系，注重人才的創(chuàng)新與實(shí)踐能力培養(yǎng)，從而為學(xué)生定制個(gè)性化的創(chuàng)新能力培養(yǎng)計(jì)劃，為推動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新能力的發(fā)展提供先進(jìn)的教材支撐條件。

2.建設(shè)基于教學(xué)科研資源轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。機(jī)器人學(xué)院創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)主要包括基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室和校企共建實(shí)驗(yàn)室?；A(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要承擔(dān)本科生公共專業(yè)基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)課獨(dú)立授課的實(shí)驗(yàn)。合理安排機(jī)器人技術(shù)系列實(shí)驗(yàn)，增加設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比例，創(chuàng)造全天候開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，形成課內(nèi)外相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。依托校企合作優(yōu)勢(shì)，企業(yè)專業(yè)人員不但參與培養(yǎng)計(jì)劃的制訂，而且參與機(jī)器人課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)適應(yīng)于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室面向全校師生，承擔(dān)本科生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)實(shí)踐，承擔(dān)各類實(shí)訓(xùn)培訓(xùn)，組織各級(jí)各類科技競(jìng)賽，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行科技開(kāi)發(fā)和新技術(shù)應(yīng)用。針對(duì)科技創(chuàng)新活動(dòng)，建設(shè)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的專項(xiàng)培訓(xùn)類課程，強(qiáng)調(diào)專業(yè)知識(shí)的針對(duì)性與多學(xué)科的交叉融合，拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的思路與方法，并結(jié)合課程設(shè)計(jì)和科技競(jìng)賽、創(chuàng)新科研項(xiàng)目，達(dá)到漸進(jìn)提升本科生創(chuàng)新素養(yǎng)的目的，踐行產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的新工科研究與實(shí)踐模式。

專業(yè)實(shí)驗(yàn)室為機(jī)器人專業(yè)前沿方向提供實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，主要包括高性能機(jī)器人本體技術(shù)平臺(tái)、自主導(dǎo)航與環(huán)境重建技術(shù)平臺(tái)和多智能體協(xié)調(diào)與人際協(xié)作技術(shù)平臺(tái)。主要服務(wù)對(duì)象為本科生高年級(jí)學(xué)生，以及博士和碩士研究生。

通過(guò)校企共建實(shí)驗(yàn)室吸收和利用社會(huì)資源，尋找本科階段創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)與行業(yè)對(duì)創(chuàng)新人才需求的契合點(diǎn)，聯(lián)合開(kāi)展人才培養(yǎng)與技術(shù)開(kāi)發(fā)，實(shí)踐證明取得良好的效果。

四、實(shí)施效果分析

目前，機(jī)器人專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)方案已經(jīng)在機(jī)器人工程專業(yè)3個(gè)年級(jí)本科生中實(shí)施。通過(guò)創(chuàng)新和實(shí)踐為核心的交叉學(xué)科課程體系和基于教學(xué)科研資源轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，本科生創(chuàng)新能力得到了顯著提升，在各類科技競(jìng)賽和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的成績(jī)逐年提高。近年來(lái)，項(xiàng)目組教師指導(dǎo)學(xué)生承擔(dān)了國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目27項(xiàng)，指導(dǎo)本科生參加各級(jí)各類大賽100余組，獲得國(guó)際/國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)50余項(xiàng)。在2018全國(guó)“未來(lái)力大會(huì)”大學(xué)生社會(huì)創(chuàng)新大賽上，東北大學(xué)的“妙手回聲”項(xiàng)目榮獲創(chuàng)行中國(guó)科創(chuàng)冠軍賽全國(guó)總冠軍。王斐老師團(tuán)隊(duì)代表中國(guó)前往美國(guó)硅谷參加2018創(chuàng)行世界杯總決賽。在全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽中，東北大學(xué)獲得了2項(xiàng)全國(guó)特等獎(jiǎng)和7項(xiàng)一等獎(jiǎng)。其中，第三屆智能汽車競(jìng)賽同時(shí)奪得視覺(jué)組冠軍和光電組季軍，創(chuàng)造了該年度全國(guó)所有參賽院校的最佳成績(jī)。

機(jī)器人工程專業(yè)雖然以新工科的理念探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，但在未來(lái)的建設(shè)中還須不斷借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，完善基于問(wèn)題導(dǎo)向?qū)W習(xí)（PBL）模式機(jī)器人課程體系，建設(shè)多層次、開(kāi)放型的機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，建立深層次的國(guó)際合作辦學(xué)與學(xué)術(shù)交流，培養(yǎng)出符合國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

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Abstract：As an important growth point of the third industrial revolution，robot and artificial intelligence technology are permeating various industries，and the explosion of robot industry has posed new challenges to the cultivation of higher engineering talents in our country，and it is urgent to explore the construction of robot engineering specialty in order to meet the needs of economic and social development.This paper introduces the present situation of the development of robot specialty，discusses the training scheme of innovative talents of robot specialty for Emerging Engineering Education，constructs the training mode of multi-agent cooperative education talents based on order and individualization，sets up the interdisciplinary curriculum system with innovation and practice as the core，and constructs the resources based on teaching and scientific research.Innovative practice platform for transformation.The effectiveness of the innovative talent training model has been proved by practice.

Key words：robot engineering major;curriculum system;training model;collaborative education