新工科背景下機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系構(gòu)建的探索

龍迎春，韓竺秦，曾祥鋒，彭昕昀

摘? 要：機(jī)器人產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇，但與之相關(guān)的專業(yè)人才缺口巨大，給機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)帶來(lái)了重大的挑戰(zhàn)。文章從新工科人才培養(yǎng)定位、課程體系的“新結(jié)構(gòu)”、應(yīng)具備的“新素養(yǎng)”等方面分析了機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案制定時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題，圍繞“新素養(yǎng)”“新能力”的培養(yǎng)，以韶關(guān)學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)為例，對(duì)地方性應(yīng)用型高校機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、課程體系進(jìn)行探討，構(gòu)建了強(qiáng)化信息技術(shù)能力和工程實(shí)踐能力的課程體系新結(jié)構(gòu)、新內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人工程;新工科;人才培養(yǎng);課程體系

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2021）30-0147-05

Abstract： The robotics industry is facing unprecedented development opportunities， but the gap of related professionals is huge， which brings great challenges to the training of robot professionals. This paper analyzes issues considered in the formulation of talent training plan for robot engineering specialty from the aspects of talent training orientation of new engineering specialty， the "new structure" of curriculum system and the "new literacy" that new engineering talents should have. Focusing on the cultivation of "new literacy" and "new ability"， taking the construction of robot engineering specialty of Shaoguan University as an example， this paper discusses the training objectives and curriculum system of robot engineering professionals in local application-oriented universities， and constructs a new structure and content of the curriculum system to strengthen the information technology ability and engineering practice ability of robot professionals.

Keywords： robot engineering; emerging engineering education; personnel training; curriculum system

當(dāng)前我國(guó)正逐步推進(jìn)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”的機(jī)器人已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志[1]，為推進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，提升機(jī)器人技術(shù)對(duì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的驅(qū)動(dòng)作用，國(guó)家先后發(fā)布了《中國(guó)制造 2025》[2]、《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)五年發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》[3]等制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇。與此同時(shí)，與機(jī)器人相關(guān)的高層次技術(shù)研發(fā)、管理、操作、維護(hù)、營(yíng)銷等方面人才需求大幅上升，據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)研究表明，每增加一臺(tái)機(jī)器人將創(chuàng)造3.6個(gè)就業(yè)崗位，按此趨勢(shì)，未來(lái)幾年我國(guó)機(jī)器人新增崗位需求人才缺口巨大[4]。

前期，我國(guó)機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)體系多為機(jī)械、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)兼顧培養(yǎng)，其培養(yǎng)目標(biāo)與定位、課程體系與設(shè)置均乏缺專業(yè)性、系統(tǒng)性[5]。為此，培養(yǎng)高素質(zhì)的機(jī)器人專業(yè)人才已成為國(guó)家與各高校關(guān)注的焦點(diǎn)。在教育部2016年首次批準(zhǔn)東南大學(xué)設(shè)置機(jī)器人工程本科專業(yè)以來(lái)，機(jī)器人工程專業(yè)在高校中獲得快速的發(fā)展，到2021年，已有260所高校開設(shè)了機(jī)器人工程專業(yè)。

機(jī)器人工程專業(yè)的設(shè)置契合了科技革命與產(chǎn)業(yè)變革、新工科人才培養(yǎng)這一時(shí)代背景，是新工科專業(yè)的典型代表，“新”是一種取向，是新工科建設(shè)的關(guān)鍵[6]。如何在“工科”本質(zhì)的基礎(chǔ)上，做好“新”這一文章，是接下來(lái)機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。文章以韶關(guān)學(xué)院為例，探討地方高校機(jī)器人工程專業(yè)新工科人才培養(yǎng)方案的制定，力圖結(jié)合我校辦學(xué)基礎(chǔ)與特點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建新的課程體系與知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)與新工科人才相適應(yīng)的“新素養(yǎng)”“新能力”，為新工科背景下地方高校機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)和新工科人才培養(yǎng)提供一定的參考。

一、人才培養(yǎng)方案制定時(shí)需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題

（一）人才培養(yǎng)定位

人才培養(yǎng)定位是開展專業(yè)建設(shè)、制定人才培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)。該定位包括人才培養(yǎng)層次、人才就業(yè)領(lǐng)域和發(fā)展方向等方面。

目前高職類院校在工業(yè)機(jī)器人操作、使用和維護(hù)的技能型人才培養(yǎng)方面已形成了較好的辦學(xué)基礎(chǔ)與特點(diǎn)[7-8]，作為應(yīng)用型本科院校，如何從系統(tǒng)層面提高人才培養(yǎng)層次，使培養(yǎng)的人才既具備基本的操作技能，又具備進(jìn)行機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用研究、二次開發(fā)及系統(tǒng)集成能力，是人才培養(yǎng)方案制定時(shí)需要考慮的問(wèn)題。

目前機(jī)器人種類很多，從應(yīng)用環(huán)境角度來(lái)看，主要分為面向制造業(yè)的工業(yè)機(jī)器人、面向人類服務(wù)的服務(wù)類機(jī)器人，以及面向特種行業(yè)需求的特種機(jī)器人三大類，究竟選擇哪一類機(jī)器人作為專業(yè)建設(shè)方向，將直接決定人才培養(yǎng)方案的制定，影響到人才就業(yè)領(lǐng)域和發(fā)展方向。因此，機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)發(fā)展方向定位是人才培養(yǎng)方案制定時(shí)需要考慮的又一問(wèn)題。

（二）課程體系的“新結(jié)構(gòu)”

機(jī)器人呈現(xiàn)多學(xué)科交叉復(fù)合的特點(diǎn)，包括控制、機(jī)械、檢測(cè)、計(jì)算機(jī)、人工智能、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)等眾多學(xué)科知識(shí)，各高校因辦學(xué)基礎(chǔ)和條件的不同，在人才培養(yǎng)方案課程體系構(gòu)建上存在較大差異[9]。目前主要有兩大類型，其一是以服務(wù)機(jī)器人為主要對(duì)象，以自動(dòng)化專業(yè)課程體系為主線來(lái)確定人才培養(yǎng)課程體系，其二是以工業(yè)機(jī)器人為主要對(duì)象，以機(jī)械類專業(yè)課程體系為主線來(lái)確定人才培養(yǎng)課程體系。如何樹立多學(xué)科的理念，通過(guò)對(duì)專業(yè)邊界、課程邊界的再設(shè)計(jì)，構(gòu)建機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系的“新結(jié)構(gòu)”，是機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案制定時(shí)需要考慮的問(wèn)題。具體到課程設(shè)置的一些問(wèn)題如：機(jī)械類、控制類課程的重構(gòu)，信息技術(shù)類、人工智能類等新技術(shù)課程的開設(shè)，實(shí)踐類課程的安排，課程的必修與選修等等。

（三）新工科人才應(yīng)具備的“新素養(yǎng)”

傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)過(guò)程中，過(guò)多關(guān)注于專業(yè)素質(zhì)與技能的培養(yǎng)，存在過(guò)窄過(guò)細(xì)的弊端，人才適應(yīng)面窄，創(chuàng)新力不足。如何在人才培養(yǎng)方案中融入“新素養(yǎng)”的培養(yǎng)方案，是新工科人才培養(yǎng)需要特別考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。李培根院士將“新素養(yǎng)”歸結(jié)為“形而上”“使命感和價(jià)值感”“空間感”“關(guān)聯(lián)力”“想象力”“宏思維”“批判性思維”[10]。這既有傳統(tǒng)意義上的專業(yè)素質(zhì)與能力方面的“新素養(yǎng)”，也有非專業(yè)素質(zhì)與能力方面的“新素養(yǎng)”。

二、我校機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)概況

韶關(guān)學(xué)院是廣東省屬的區(qū)域性應(yīng)用型本科院校，地處粵北，緊臨粵港澳大灣區(qū)，所在區(qū)域有厚實(shí)的工業(yè)基礎(chǔ)，隨著人口紅利下降，生產(chǎn)成本提高，以及“機(jī)器換人”、產(chǎn)業(yè)升級(jí)的倒逼作用，高素質(zhì)的機(jī)器人專業(yè)人才需求強(qiáng)烈。為此，我校從2015年開始，在自動(dòng)化專業(yè)中開設(shè)了“機(jī)器人方向”，有針對(duì)性地開展機(jī)器人專業(yè)人才的培養(yǎng);2017年，學(xué)校申報(bào)設(shè)置機(jī)器人工程專業(yè);2018年3月通過(guò)了教育部的審批、備案; 2019年開展了首屆機(jī)器人工程專業(yè)招生。

為配合機(jī)器人工程專業(yè)的建設(shè)，學(xué)校近三年新投入700萬(wàn)元，在原自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，新建了工業(yè)機(jī)器人仿真與實(shí)訓(xùn)中心、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室、智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室、人工智能實(shí)驗(yàn)室、機(jī)器視覺實(shí)驗(yàn)室、工程實(shí)踐實(shí)訓(xùn)中心、機(jī)器人創(chuàng)客空間等專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室，滿足機(jī)器人工程專業(yè)工程化實(shí)踐教學(xué)及科研需要。同時(shí)與巨輪（廣州）機(jī)器人與智能制造有限公司、廣東利元亨智能裝備有限公司開展深入的產(chǎn)學(xué)共建，開展機(jī)器人工程專業(yè)人才聯(lián)合培養(yǎng)。

三、人才培養(yǎng)目標(biāo)

基于新工科人才“新素養(yǎng)”的培養(yǎng)要求，以及我校地方性應(yīng)用型大學(xué)的辦學(xué)定位，我校機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)如下：

培養(yǎng)立足廣東，服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，具有良好職業(yè)道德和人文素養(yǎng)，具有高度的社會(huì)責(zé)任感和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，具備數(shù)學(xué)、物理等方面的自然科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和機(jī)器人工程領(lǐng)域相關(guān)基本理論、基本方法及基本技能，具備較好的科學(xué)思維能力和解決機(jī)器人工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，能勝任機(jī)器人工程及相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)等工作，具有創(chuàng)新精神和專業(yè)自主發(fā)展能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

學(xué)生畢業(yè)后五年左右，預(yù)期達(dá)成的目標(biāo)：

1. 具有良好職業(yè)道德和人文科學(xué)素養(yǎng)，在工作中體現(xiàn)較強(qiáng)的社會(huì)責(zé)任感、事業(yè)心，積極服務(wù)于國(guó)家和社會(huì);

2. 能夠勝任機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域工程設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)運(yùn)行管理與維護(hù)、工程應(yīng)用等方面的工作，在工程實(shí)踐中體現(xiàn)創(chuàng)新能力，成為單位的工程技術(shù)和業(yè)務(wù)骨干;

3. 具有良好的團(tuán)隊(duì)合作、溝通和項(xiàng)目管理能力，能勝任項(xiàng)目主管或團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人的崗位，能夠在企業(yè)或其他相關(guān)部門從事各類技術(shù)管理工作;

4. 能通過(guò)技術(shù)培訓(xùn)、自主學(xué)習(xí)等多種方式跟蹤機(jī)器人專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的發(fā)展，更新機(jī)器人專業(yè)領(lǐng)域的新知識(shí)、新方法，提升職業(yè)持續(xù)發(fā)展能力。

四、課程體系構(gòu)建

機(jī)器人工程專業(yè)具有多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)，在利于形成合理知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)原則的前提下，從通識(shí)教育、專業(yè)基礎(chǔ)、專業(yè)素質(zhì)、職業(yè)發(fā)展等方面，構(gòu)建“類別+模塊”形式的課程體系，突出機(jī)器人工程專業(yè)人才所需的“新素養(yǎng)”“新內(nèi)容”。各類別中分別設(shè)置不同的模塊課程，如表1。

（一）通識(shí)課程

培養(yǎng)學(xué)生的人文素養(yǎng)、社會(huì)責(zé)任、科學(xué)精神、邏輯思維、語(yǔ)言溝通、批判性思維能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思維等非專業(yè)素質(zhì)與能力的“新素養(yǎng)”，相應(yīng)的課程模塊如表1所示。

（二）專業(yè)基礎(chǔ)課程

以“夯實(shí)基礎(chǔ)”為原則，包括數(shù)理基礎(chǔ)、機(jī)電基礎(chǔ)、基本技能三大模塊，全部為必修課。其中數(shù)理基礎(chǔ)模塊課程為學(xué)生分析、研究機(jī)器人領(lǐng)域工程問(wèn)題提供基本的物理學(xué)、微積分、工程數(shù)學(xué)等方面的知識(shí);機(jī)電基礎(chǔ)及基本技能模塊為分析、研究、解決機(jī)器人領(lǐng)域工程問(wèn)題提供必備的基礎(chǔ)理論、基本方法和基本技能。課程設(shè)置如表2所示。

（三）專業(yè)課程

機(jī)器人是一個(gè)完整的機(jī)電系統(tǒng)，其核心知識(shí)體系包括機(jī)器人學(xué)、感知、規(guī)劃、執(zhí)行等方面的內(nèi)容，如圖1所示。

專業(yè)課程設(shè)置圍繞這四大領(lǐng)域展開，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生建立起機(jī)器人核心知識(shí)體系，同時(shí)結(jié)合工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用領(lǐng)域的不同，采取“方向+模塊”的柔性化課程設(shè)置形式，設(shè)置專業(yè)選修方向課程，拓寬專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生跨領(lǐng)域?qū)W習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化的培養(yǎng)。主要課程設(shè)置如表3所示。

兩選修方向的限選課程，可作為另一選修方向的任選課程修讀。

五、優(yōu)化課程內(nèi)容教學(xué)，拓展知識(shí)結(jié)構(gòu)

（一）優(yōu)化電子技術(shù)類、微機(jī)類課程教學(xué)安排與教學(xué)內(nèi)容

將數(shù)字電子技術(shù)課程、模擬電子技術(shù)課程分別安排在第2、第3學(xué)期開設(shè)，將單片機(jī)原理及應(yīng)用課程安排在第3學(xué)期。這種安排學(xué)生將較早接觸到單片機(jī)，有利于培養(yǎng)學(xué)生基于軟件編程的數(shù)字化控制技術(shù)能力，有利于學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)過(guò)程中，自主開展基于單片機(jī)的實(shí)踐項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽，也利于創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)與學(xué)風(fēng)的建設(shè)。

課程調(diào)整帶來(lái)知識(shí)結(jié)構(gòu)不完整而引起的學(xué)習(xí)困難問(wèn)題，在具體教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整、補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容，協(xié)調(diào)做好各知識(shí)結(jié)構(gòu)的銜接來(lái)解決。

配合理論課程的學(xué)習(xí)，第2、3學(xué)期開設(shè)機(jī)器人認(rèn)識(shí)實(shí)踐I、機(jī)器人認(rèn)識(shí)實(shí)踐II兩門實(shí)踐課程。兩課程均以具備感知、決策、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行等環(huán)節(jié)的智能車作為機(jī)器人認(rèn)識(shí)實(shí)踐載體開展教學(xué)。其中機(jī)器人認(rèn)識(shí)實(shí)踐I課程配合數(shù)字電子技術(shù)課程，以邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)智能車的決策控制，機(jī)器人認(rèn)識(shí)實(shí)踐II課程以單片機(jī)編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)智能車的決策控制，同時(shí)配合模擬電子技術(shù)課程，在感知環(huán)節(jié)加入對(duì)模擬量信號(hào)處理的設(shè)計(jì)與訓(xùn)練。

（二）開設(shè)具有一定前沿性的新課程，拓展知識(shí)結(jié)構(gòu)

圍繞機(jī)器人核心知識(shí)體系，開設(shè)前沿性知識(shí)課程，如機(jī)器人操作系統(tǒng)（以移動(dòng)機(jī)器人軟件開發(fā)為教學(xué)實(shí)踐背景，引入ROS開源軟件體系，包括典型多任務(wù)分配調(diào)度、感知、控制、驅(qū)動(dòng)、決策算法等）;圖像處理與機(jī)器視覺（含圖像處理的基本原理，如增強(qiáng)、幾何變換、圖像分割、邊緣提取、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、特征提取，機(jī)器視覺系統(tǒng)組成的相關(guān)技術(shù)，如鏡頭技術(shù)、工業(yè)相機(jī)、光源技術(shù)、圖像采集卡，機(jī)器視覺軟件開發(fā)環(huán)境及相關(guān)算法庫(kù)實(shí)際應(yīng)用開發(fā)）;機(jī)器學(xué)習(xí)（含經(jīng)典的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，如k近鄰算法、樸素貝葉斯算法、支持向量機(jī)、基于樹的回歸算法和分類回歸樹（CART）算法，無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)算法：如k均值聚類算法、Apriori算法、FP-Growth算法。結(jié)合Python語(yǔ)言，通過(guò)實(shí)例闡述編寫機(jī)器學(xué)習(xí)的核心算法的實(shí)現(xiàn)）。

（三）優(yōu)化信息技術(shù)應(yīng)用能力與工程實(shí)踐能力培養(yǎng)體系

機(jī)器人工程專業(yè)的“工科”本質(zhì)決定了工程實(shí)踐能力在人才培養(yǎng)中的重要作用，同時(shí)隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)編程能力、工程軟件應(yīng)用能力在機(jī)器人專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的作用也越發(fā)重要。針對(duì)這兩項(xiàng)能力的培養(yǎng)，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)安排上對(duì)人才培養(yǎng)方案進(jìn)行優(yōu)化。教學(xué)內(nèi)容上，盡量結(jié)合行業(yè)主流的工程軟件開展教學(xué)，縮短學(xué)生理論學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用間的數(shù)字鴻溝;教學(xué)安排上，遵循由淺入深、由認(rèn)知到設(shè)計(jì)，保證工程實(shí)踐能力和信息技術(shù)能力培養(yǎng)過(guò)程四年不斷線，同時(shí)設(shè)置課外的創(chuàng)新實(shí)踐學(xué)分，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式開展，實(shí)現(xiàn)多層次、全方位的新工科人才“新素質(zhì)”“新能力”的培養(yǎng)。相關(guān)課程安排及工程軟件選擇見表4。

六、結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器人工程專業(yè)是我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型過(guò)程中，在新工科建設(shè)背景下設(shè)置的一個(gè)新型本科專業(yè)，其人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求對(duì)接還處于探索階段。文章通過(guò)對(duì)人才培養(yǎng)方案制定時(shí)需要考慮的人才培養(yǎng)定位、課程體系的“新結(jié)構(gòu)”、應(yīng)具備的“新素質(zhì)”等方面的分析，結(jié)合我校所處區(qū)域經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)及專業(yè)建設(shè)的基礎(chǔ)，提出了我校機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，重構(gòu)了基于“新素養(yǎng)”“新能力”要求的機(jī)器人工程專業(yè)課程體系，為地方性應(yīng)用型高校開展機(jī)器人專業(yè)新工科人才培養(yǎng)做了有益的探索和實(shí)踐。

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