機器人專業(yè)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的思考

陳國棟 王鵬 樊鈺琳 高楓 王振華 孫立寧

【摘要】機器人專業(yè)人才教育對以機器人為核心的智能制造相關(guān)人才的培養(yǎng)、機器人及智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，起著重要作用。結(jié)合蘇州大學(xué)機器人與微系統(tǒng)研究中心在機器人創(chuàng)新教育上的發(fā)展成果，探討機器人專業(yè)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新。簡述學(xué)校青少年科普教育、本科機器人通識教育、研究生機器人創(chuàng)新教育、社會人員繼續(xù)教育等方面的情況。通過相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢分析，提出機器人創(chuàng)新教育的建議與意見。

【關(guān)鍵詞】機器人教育創(chuàng)新教育 人才培養(yǎng)模式

一、引言

當(dāng)前，世界新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正如火如荼地進(jìn)行，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主要特征的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用正在加速經(jīng)濟和科技發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。隨著我國勞動力成本增加，生產(chǎn)方式向柔性化、智能化、多品種小批量方向發(fā)展，構(gòu)建以機器人為核心的智能制造體系已成為各類企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必經(jīng)之路。

智能制造系統(tǒng)是以自動化、網(wǎng)絡(luò)化為技術(shù)，以數(shù)字化為手段，以智能制造為目標(biāo)，借助新一代信息通信技術(shù)，將工業(yè)軟件、生產(chǎn)和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、智能技術(shù)和裝備進(jìn)行有機的系統(tǒng)集成應(yīng)用。而隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能制造向著新一代智能制造方向發(fā)展，而新一代智能制造則是以智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)、智能服務(wù)三大功能系統(tǒng)，以智能制造云和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)兩大支撐系統(tǒng)集合而成，從而形成系統(tǒng)解決方案。

傳統(tǒng)智能制造向新一代智能制造方向發(fā)展，以實現(xiàn)機械化、電氣化、自動化、數(shù)字化并存。到2020年，智能制造裝備國內(nèi)市場滿足率達(dá)到50%，重點領(lǐng)域企業(yè)數(shù)字化研發(fā)設(shè)計工具普及率為70%。

因此，基于以上技術(shù)的發(fā)展趨勢，機器人專業(yè)人才培養(yǎng)應(yīng)以基礎(chǔ)技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)相結(jié)合模式為牽引，針對不同人群開展教育模式培養(yǎng)。

二、技術(shù)發(fā)展趨勢典型案例

目前，人工智能產(chǎn)業(yè)鏈包含基礎(chǔ)技術(shù)支撐、人工智能技術(shù)以及人工智能應(yīng)用三個核心環(huán)節(jié)。首先是基礎(chǔ)技術(shù)支撐環(huán)節(jié)，計算機具有良好的運算能力和存儲能力，以計算智能為代表，其包括數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)挖掘等;有了基礎(chǔ)技術(shù)支撐的發(fā)展，進(jìn)而形成人工智能技術(shù)，人工智能技術(shù)包含感知智能和認(rèn)知智能兩大內(nèi)容;最后，由于人工智能技術(shù)的逐漸成熟，發(fā)展形成了人工智能應(yīng)用環(huán)節(jié)，其包含工業(yè)4.0、智能教育、智能農(nóng)業(yè)等方面。

研究發(fā)現(xiàn)，人工智能的主要發(fā)展方向是計算智能、感知智能和認(rèn)知智能。目前，人工智能開始邁入感知智能到認(rèn)知智能的變遷階段，技術(shù)發(fā)展將更多融合感知智能與認(rèn)知智能，因此，將從機器人感知與認(rèn)知智能技術(shù)以及人工智能的應(yīng)用方面進(jìn)行主要分析。

1.機器人感知智能技術(shù)案例分析

人類具有敏銳的感覺器官，通過視覺、聽覺、觸覺等智能感知能力與自然界進(jìn)行交互，從而獲取環(huán)境信息。相比之下，機器在感知方面更有優(yōu)勢，可以進(jìn)行主動感知。機器人的感知智能是通過攜帶的傳感器獲取周圍環(huán)境信息，提取并且處理其中有效信息，以此來建立模型表現(xiàn)所處環(huán)境的情況。機器人智能感知技術(shù)主要以視覺感知為主，機器人視覺是使機器人具有視覺感知功能的系統(tǒng)，是機器人系統(tǒng)組成的重要部分。機器人視覺可以通過視覺傳感器獲取周圍環(huán)境的二維圖像，識別物體所在位置。感知智能以圖像識別為例，圖像識別涉及圖像處理的知識，包括圖像增強、平滑、分割、特征抽取等內(nèi)容。

2.機器人認(rèn)知智能技術(shù)案例分析

在計算智能和感知智能的基礎(chǔ)上，人工智能在向認(rèn)知智能的方向邁進(jìn)，使計算機能夠形成自我的分析、思考、理解與判斷。以機器學(xué)習(xí)為例來分析機器人認(rèn)知智能技術(shù)。機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域主要研究對象是人工智能，如研究在經(jīng)驗學(xué)習(xí)中改善具體算法的性能。機器學(xué)習(xí)可分為四個類別：監(jiān)督學(xué)習(xí)，無監(jiān)督學(xué)習(xí)，半監(jiān)督學(xué)習(xí)，強化學(xué)習(xí)。這四種機器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用場合不同。在企業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)用場景下人們最常用的監(jiān)督式學(xué)習(xí)和無監(jiān)督式學(xué)習(xí)的模型;半監(jiān)督學(xué)習(xí)目前在圖像識別的領(lǐng)域應(yīng)用廣泛;在機器人控制及其他需要進(jìn)行系統(tǒng)控制的領(lǐng)域更多地使用強化學(xué)習(xí)。近年來，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)發(fā)展快速，得到人工智能領(lǐng)域研究者的青睞。深度學(xué)習(xí)在圖像分類，物體識別跟蹤等方面展現(xiàn)出了驚人的優(yōu)勢，這也是機器人認(rèn)知智能技術(shù)發(fā)展的典型案例。

3.人工智能在工業(yè)行業(yè)應(yīng)用案例分析

目前，工廠生產(chǎn)線上的工業(yè)機器人應(yīng)用廣泛，這些工業(yè)機器人不斷重復(fù)著各自的動作，完成各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的零部件制造、搬運、組裝及檢測等任務(wù)，使得過程更加智能化。工業(yè)機器人實現(xiàn)了智能應(yīng)用，但智能和人工智能是有所區(qū)別的。人工智能的定義是：“它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)”。人工智能在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，以工件的缺陷檢測為例進(jìn)行分析，將缺陷的特征進(jìn)行識別訓(xùn)練，通過機器學(xué)習(xí)的方式自動識別類似的缺陷，顯著提升了檢測的效率。

三、以技術(shù)為核心的機器人創(chuàng)新教育成果案例

1.蘇州青少年科普基地

蘇州創(chuàng)想機器人博物館是一家以機器人為主題的博物館，創(chuàng)始之初就承載著“普及機器人知識”的使命，館內(nèi)藏品豐富，集聚了眾多國家的前沿智能機器人，為青少年、機器人愛好者、社會行業(yè)人士等目標(biāo)受眾提供平臺，并且安排了豐富的機器人教育課程和實踐活動，在此過程中參觀者可以學(xué)習(xí)機器人前沿知識，感受科技的魅力。

2.蘇州大學(xué)先進(jìn)機器人技術(shù)競賽

全國機器人錦標(biāo)賽與國際仿人機器人奧林匹克大賽是國內(nèi)規(guī)模最大、水平最高的全國智能機器人技術(shù)比武大賽，比賽活動涉及教育、藝術(shù)、娛樂等多個方面。蘇州大學(xué)經(jīng)過嚴(yán)格選拔，組織了一支由本科學(xué)生組成的參賽團隊，斬獲多個參賽項目的獎項。

蘇州大學(xué)醫(yī)療康復(fù)機器人團隊將智能機器人技術(shù)引入醫(yī)療領(lǐng)域，先后開展了多項研究工作。2014年，蘇大醫(yī)療康復(fù)機器人團隊入選大學(xué)生“小平科技創(chuàng)新團隊”，獲得國家級大學(xué)生科技創(chuàng)新團隊榮譽稱號。

3.蘇州大學(xué)研究生創(chuàng)新基地

（1）蘇州大學(xué)研究生工作站。人才培養(yǎng)是大學(xué)的本質(zhì)職能，一流本科教育是世界一流大學(xué)的根本特征，是“雙一流”建設(shè)的核心任務(wù)和重要基礎(chǔ)。蘇州大學(xué)研究生工作站是研究生培養(yǎng)的重要創(chuàng)新實踐基地，企業(yè)與學(xué)校雙方互相借力，共同提高科研水平。企業(yè)為研究生團隊提供實驗設(shè)施和指導(dǎo)意見，營造自由的學(xué)術(shù)氛圍;與此同時，學(xué)校利用科研和師資力量等資源優(yōu)勢，為建站合作單位提供技術(shù)咨詢和技術(shù)指導(dǎo)。蘇州大學(xué)研究生工作站在加強研究生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面發(fā)揮了重要的作用。

（2）校企聯(lián)合培養(yǎng)模式創(chuàng)新。江蘇匯博機器人技術(shù)有限公司專門從事機器人技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，采用校企聯(lián)合培養(yǎng)模式，“教育+工業(yè)”雙輪驅(qū)動，使學(xué)校根據(jù)地方產(chǎn)業(yè)需求組建高水平實驗室，從而提升學(xué)科建設(shè)的專業(yè)化程度。學(xué)生通過實訓(xùn)平臺實現(xiàn)由理論知識到實際應(yīng)用的迅速轉(zhuǎn)換，做到理論學(xué)習(xí)與生產(chǎn)實踐的零距離對接，針對教學(xué)需求做出各類優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)出了一系列符合工業(yè)實際應(yīng)用的機器人產(chǎn)品。

4.蘇州智能制造公共實訓(xùn)基地

中國制造2025規(guī)劃中明確提出要將機器人及智能裝備產(chǎn)業(yè)列為高端裝備制造產(chǎn)業(yè)的重點方向。在此背景下，蘇州園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校向相關(guān)政府申請建設(shè)機器人及智能制造技術(shù)人才公共實訓(xùn)基地。該基地是以機器人及智能制造為核心和載體，面向最新產(chǎn)業(yè)技術(shù)、對接多個產(chǎn)業(yè)群、容納多專業(yè)進(jìn)行實踐訓(xùn)練的教學(xué)和科研平臺，建成后能夠適應(yīng)不同層次機器人及智能制造技術(shù)領(lǐng)域人才開發(fā)需要。

四、以技術(shù)為核心的機器人專業(yè)人才培養(yǎng)模式建議

在新一代信息技術(shù)帶動產(chǎn)業(yè)變革和創(chuàng)新，先進(jìn)制造技術(shù)加速推進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型的背景下，為了培養(yǎng)以技術(shù)為核心的機器人專業(yè)人才，從結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)需求、教學(xué)實訓(xùn)要求、提高師資能力等三個方面給出建議。

1.結(jié)合地方產(chǎn)業(yè)需求

首先結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求，打造以典型智能應(yīng)用技術(shù)為核心的應(yīng)用型、開發(fā)型實驗室，按照企業(yè)崗位要求設(shè)置教學(xué)環(huán)境，以滿足產(chǎn)業(yè)化教學(xué)需求。在“把學(xué)校看作企業(yè)，把企業(yè)看作客戶”的思維框架下，高校應(yīng)該以培養(yǎng)高質(zhì)量且符合地方產(chǎn)業(yè)需求的專業(yè)化人才為重要目標(biāo)，實現(xiàn)人才培養(yǎng)與地方產(chǎn)業(yè)需求無縫對接，構(gòu)建實現(xiàn)“項目引領(lǐng)、崗位實境”的人才培養(yǎng)模式。

2.滿足教學(xué)實訓(xùn)要求

研究項目需要滿足學(xué)校相關(guān)專業(yè)建設(shè)和教學(xué)實訓(xùn)要求，從各自專業(yè)特點出發(fā)，探究不同的工學(xué)結(jié)合人才培養(yǎng)模式。推動科技人才培養(yǎng)和重大技術(shù)突破，提升工科發(fā)展水平具體包括以下兩個方面：

（1）促進(jìn)學(xué)科交叉。完善促進(jìn)學(xué)科交叉的體制機制，推進(jìn)學(xué)校與產(chǎn)業(yè)界之間的聯(lián)合培養(yǎng)，提供專業(yè)化培訓(xùn)。

（2）提升工程教育。繼承和發(fā)揚學(xué)校工程教育的優(yōu)秀傳統(tǒng)，落實“三位一體”教育理念，創(chuàng)新適應(yīng)新時代要求的工程科技人才培養(yǎng)模式。學(xué)生在吸收知識的同時強化滋生實踐創(chuàng)新能力，加強價值塑造，培養(yǎng)端正的職業(yè)態(tài)度。

3.提高師資能力

機器人專業(yè)人才的培養(yǎng)與師資能力密切相關(guān)。需要提高工科類專業(yè)教師的專業(yè)技術(shù)水平和教學(xué)實踐能力，將教師自身具備的理論知識與以能力為向?qū)У臄?shù)字化教學(xué)相結(jié)合，進(jìn)一步明確工業(yè)機器人人才培養(yǎng)體系，以達(dá)到引領(lǐng)和培養(yǎng)智能制造人才的目標(biāo)。相關(guān)教師可以通過項目實驗室的建設(shè)，把教育同國家發(fā)展的目標(biāo)和需求緊密結(jié)合起來，增強人才培養(yǎng)的針對性和適應(yīng)性。

五、結(jié)語

結(jié)合“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的方針，研究以技術(shù)為核心的機器人專業(yè)人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)行業(yè)急需的交叉復(fù)合型人才迫在眉睫。同時，打造基礎(chǔ)技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)相結(jié)合的機器人專業(yè)人才培養(yǎng)方案，將推動以機器人為核心的智能制造逐漸向新一代智能制造方向發(fā)展，對于推動我國實用型高端智能制造業(yè)建設(shè)具有深遠(yuǎn)意義。

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