機(jī)器人工程專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)實踐教學(xué)體系構(gòu)建和模式探索

許德章 汪步云

［摘 要］面對機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速興起和人才短缺，教育部于2016年首次批準(zhǔn)普通本科院校設(shè)置機(jī)器人工程本科專業(yè)。該專業(yè)產(chǎn)業(yè)屬性和學(xué)科交叉融合性明顯，要求從業(yè)人員具有復(fù)合能力。機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)，尤其是實踐性教學(xué)體系構(gòu)建與教學(xué)組織實施，對所有高校來說都是一項全新課題。文章詳細(xì)分析了安徽工程大學(xué)機(jī)器人工程專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)領(lǐng)域，以及機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對從業(yè)人員的要求，圍繞學(xué)科交叉和能力復(fù)合兩個關(guān)鍵點(diǎn)，基于“先模塊后合成”的思路，闡述了機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)體系的規(guī)劃過程，介紹了在實踐教學(xué)模式創(chuàng)新方面推出的舉措。

［關(guān)鍵詞］機(jī)器人；學(xué)科交叉；學(xué)科融合；實踐教學(xué)；教學(xué)體系

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）10-0028-04

汽車行業(yè)是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最成功的范例。奇瑞汽車股份有限公司基于自身需求，從工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用和維護(hù)開始，在哈爾濱工業(yè)大學(xué)的幫助下，開展工業(yè)機(jī)器人整機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，培育了埃夫特智能裝備股份有限公司，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模，為蕪湖市培育和發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了初始條件。2010年，國務(wù)院印發(fā)了《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，并提出建成一批產(chǎn)業(yè)鏈完善、創(chuàng)新能力強(qiáng)、特色鮮明的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，致力于打造一批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展策源地、集聚區(qū)和特色產(chǎn)業(yè)集群，形成區(qū)域增長新格局。蕪湖市委和市政府主要領(lǐng)導(dǎo)拜訪了全球及國內(nèi)知名機(jī)器人企業(yè)，邀請了國家“863計劃”先進(jìn)制造領(lǐng)域智能機(jī)器人主題專家進(jìn)行論證，廣泛聽取了各方面的意見，選擇了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作為蕪湖戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的突破口。經(jīng)過數(shù)年的艱苦努力，2013年10月18日，國家發(fā)展改革委、財政部批復(fù)了安徽省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)區(qū)域集聚發(fā)展試點(diǎn)實施方案，重點(diǎn)支持以蕪湖為龍頭打造具有國際競爭力的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，揭開了蕪湖機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)建設(shè)的序幕。2015年9月18日，“蕪湖機(jī)器人及智能裝備產(chǎn)業(yè)基地”獲批為安徽省首批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展基地。2017 年 11 月 8 日，時任安徽省省長的李國英調(diào)研蕪湖機(jī)器人及智能裝備產(chǎn)業(yè)基地，提出打造國際一流、國內(nèi)具有重要影響力產(chǎn)業(yè)基地的目標(biāo)。

在勞動力成本快速上升和用工短缺雙重壓力下，我國制造業(yè)紛紛采取“機(jī)器換人”策略，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用得到了迅速推廣，但人才供給不足嚴(yán)重制約了我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展和機(jī)器人應(yīng)用普及。2016年，東南大學(xué)在國內(nèi)率先開設(shè)機(jī)器人工程本科專業(yè)。為了滿足蕪湖市機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)對于機(jī)器人領(lǐng)域人才的迫切需求，安徽工程大學(xué)于2017年開設(shè)了機(jī)器人工程專業(yè)。2017年以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，國內(nèi)高校紛紛開設(shè)了機(jī)器人工程專業(yè)。截至2020年，全國開設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)的高校達(dá)到了245所。但機(jī)器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)定、課程和實踐教學(xué)體系構(gòu)建、實驗室建設(shè)等，逐漸成為開設(shè)該專業(yè)高校面臨的共性問題。工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子電氣、控制、計算機(jī)、傳感器和人工智能等學(xué)科知識于一體的作業(yè)裝備，要求從業(yè)人員具備多學(xué)科知識融合的特質(zhì)。在開設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)的245所高校中，多數(shù)高校存在師資不足、實驗實訓(xùn)裝備缺失、實踐教學(xué)體系不健全等問題。

實訓(xùn)是培養(yǎng)學(xué)生面向生產(chǎn)一線解決工程問題的根本途徑。本文針對機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，從卓越工程師培養(yǎng)的角度，探討實踐教學(xué)模式和實踐教學(xué)內(nèi)容組織的問題。針對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，國內(nèi)外工程教育界的同行開展了不懈探索。德國“雙元制”模式，項目教學(xué)法、案例教學(xué)法、合作學(xué)習(xí)教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法等多種教學(xué)方式，取得了公認(rèn)的成效[1]。東北大學(xué)教師王之堅等針對自動化實訓(xùn)教學(xué)，提出了“教做學(xué)研”的綜合教學(xué)模式[2]，在實踐教學(xué)中融入探究式學(xué)習(xí)。針對智能制造復(fù)合型人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，在實踐教學(xué)過程中，安徽工程大學(xué)教授許德章倡導(dǎo)“動腦”+“動手”的理念[3]；江蘇城市職業(yè)學(xué)院教師張紅霞，提出了基于任務(wù)驅(qū)動的遠(yuǎn)程實訓(xùn)教學(xué)[4]；哈爾濱理工大學(xué)教師王進(jìn)科開展了面向“卓越軟件工程師培養(yǎng)”的校企聯(lián)合實訓(xùn)模式探索[5]；湖北工業(yè)大學(xué)教師蘇明等探索了“校企合作 、工學(xué)結(jié)合”的實訓(xùn)模式[6]；湖南工業(yè)大學(xué)教師彭成等提出了一種集豐富的實訓(xùn)資源、便捷的實訓(xùn)服務(wù)、客觀的實訓(xùn)評價于一體的智能化工程實訓(xùn)模式[7]。這些都彰顯了新時代高等教育背景下廣大教師的探索精神。九江學(xué)院教師閔娟娟認(rèn)為，理論指導(dǎo)的缺失和低層次的實訓(xùn)操作訓(xùn)練，造成實訓(xùn)課程一味強(qiáng)調(diào)乏味的技能練習(xí)，沒有將本來密切關(guān)聯(lián)的各門課程有機(jī)結(jié)合起來，缺少對綜合能力的訓(xùn)練，將實訓(xùn)課變成了實驗課的翻版[8]。考慮到工業(yè)機(jī)器人涉及多學(xué)科交叉的屬性，針對學(xué)科融合和能力復(fù)合在理論課教學(xué)中難以全面達(dá)成的問題，安徽工程大學(xué)（以下簡稱“我?！保┡μ剿鲗嵺`性教學(xué)與各學(xué)科相融合、形成能力復(fù)合的新途徑，并取得了積極成效。

一、機(jī)器人工程專業(yè)工程能力剖析

目前，機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生的就業(yè)主要去向包括工業(yè)機(jī)器人整機(jī)廠、工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用開發(fā)企業(yè)、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用企業(yè)等。其中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用企業(yè)就業(yè)容量最大，涉及行業(yè)包括汽車及零部件制造、金屬制品制造、制藥和食品、電子產(chǎn)品、家用電器、陶瓷和衛(wèi)浴、家具制造等。工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用開發(fā)企業(yè)往往專注于工業(yè)機(jī)器人作業(yè)裝備和生產(chǎn)線研發(fā)的細(xì)分領(lǐng)域，是我國工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用推廣的主力軍，常涉及機(jī)械、驅(qū)動和控制等眾多技術(shù)集成與應(yīng)用，往往要求從業(yè)人員具備多領(lǐng)域技術(shù)集成創(chuàng)新能力。按照作業(yè)任務(wù)劃分，工業(yè)機(jī)器人通常用于焊接、碼垛、噴涂、涂膠、打磨、裝配、激光切割等。以工業(yè)機(jī)器人作業(yè)任務(wù)為依據(jù)，針對工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行和維護(hù)的專業(yè)技能，2020年，人力資源和社會保障部、工業(yè)和信息化部聯(lián)合制定了工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)維員國家職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)化了工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行和維護(hù)職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定了四個技能等級，分別為四級/中級工、三級/高級工、二級/技師和一級/高級技師[9]，要求從業(yè)人員能夠熟練操作工業(yè)機(jī)器人、編寫和調(diào)試工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程序、維修和保養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人本體和控制系統(tǒng)、排除常見故障、正確安裝和調(diào)試工業(yè)機(jī)器人、熟悉1～2種工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用，具體包括以下11項操作技能：（1） 工業(yè)機(jī)器人基本操作；（2） 工業(yè)機(jī)器人零點(diǎn)標(biāo)定；（3） 工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系設(shè)定；（4） 工業(yè)機(jī)器人工具校正（TCP校正）；（5） 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動編程；（6） 工業(yè)機(jī)器人邏輯編程；（7） 工業(yè)機(jī)器人作業(yè)工具和輔具安裝、調(diào)試；（8） 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械本體保養(yǎng)維護(hù)；（9） 工業(yè)機(jī)器人電氣系統(tǒng)保養(yǎng)維護(hù)；（10 ）工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用作業(yè)工藝擬定；（11）工業(yè)機(jī)器人外部設(shè)備校正，工業(yè)機(jī)器人外部控制裝置安裝、編程、調(diào)試與維護(hù)（PLC編程）。

上述11項技能僅局限于技能型人才，對于機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生，則要求他們不僅要掌握上述11項常規(guī)操作技能，還要掌握機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)基本理論知識，具備機(jī)器人本體和控制系統(tǒng)設(shè)計能力、機(jī)器人作業(yè)工藝規(guī)劃和夾具等輔具開發(fā)能力、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)能力和系統(tǒng)集成能力等。專業(yè)主干課程見圖1，包括8個課程模塊，涉及多個一級學(xué)科，分別為力學(xué)類、機(jī)械類、電工電子類、計算機(jī)類、驅(qū)動類、控制類、信息感知類和機(jī)器人類。上述課程在理論講授過程中，難以從根本上解決多學(xué)科交叉和融合、能力復(fù)合的問題，而實踐教學(xué)在學(xué)科交叉融合和能力復(fù)合方面能發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

二、機(jī)器人工程專業(yè)課程教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容設(shè)定

（一） 教學(xué)目標(biāo)

課題組依據(jù)機(jī)器人領(lǐng)域從業(yè)人員知識結(jié)構(gòu)和專業(yè)能力構(gòu)成，以及機(jī)器人工程專業(yè)主干課程，規(guī)劃構(gòu)建了實踐教學(xué)體系，以實現(xiàn)多學(xué)科交叉融合和能力復(fù)合教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

（二） 實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)定

基于“先模塊后合成”的思路，設(shè)定了機(jī)械設(shè)計、電路+計算機(jī)+驅(qū)動、機(jī)器人、學(xué)科交叉融合和能力復(fù)合四大實踐教學(xué)模塊，規(guī)劃構(gòu)建了機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)體系，具體如圖2所示。其中，機(jī)械設(shè)計模塊突出機(jī)械傳動和結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件表達(dá)、鉗工和車工基本操作技能。電路+計算機(jī)+驅(qū)動模塊完成基本電路裝調(diào)實驗實訓(xùn)、微機(jī)（單片機(jī)）接口電路設(shè)計與調(diào)試、嵌入式系統(tǒng)軟件編寫練習(xí)、PLC控制系統(tǒng)實驗、液壓和氣動回路控制實驗，選用電機(jī)、電磁閥等作為PLC和微機(jī)接口控制對象，完成裝置統(tǒng)調(diào)，實現(xiàn)特定功能，達(dá)成硬件、軟件、控制、驅(qū)動知識的綜合和工程能力初步復(fù)合的目標(biāo)。機(jī)器人模塊突出工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)組成和功能的剖析，以及操作技能和編程能力的培養(yǎng)。在完成分模塊訓(xùn)練和工程能力初步復(fù)合的基礎(chǔ)上，設(shè)定了學(xué)科交叉融合和能力復(fù)合模塊，包括機(jī)器人作業(yè)單元設(shè)計、云制造生產(chǎn)線設(shè)計、畢業(yè)實習(xí)與設(shè)計三個遞進(jìn)環(huán)節(jié)，達(dá)成機(jī)器人工程專業(yè)主干課程知識獲得綜合應(yīng)用的目標(biāo)。上述實踐教學(xué)體系的執(zhí)行，巧妙地實現(xiàn)了機(jī)械、計算機(jī)、控制和人工智能等學(xué)科的交叉融合，工程能力的復(fù)合也得到了生動的詮釋。

三、機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)模式探索

除教學(xué)體系要科學(xué)合理外，教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的關(guān)鍵還在于教學(xué)模式的有效性。針對機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)科交叉融合和能力復(fù)合的特點(diǎn)，我校在實踐教學(xué)模式創(chuàng)新方面積極探索，取得了初步成果。我校探索的主要思路是設(shè)定“普適性要求”和“個性化提升”兩個層級目標(biāo)。按照圖2的實踐教學(xué)體系，要求機(jī)器人工程專業(yè)全體學(xué)生完成全部實踐教學(xué)內(nèi)容和能力測試評價，達(dá)成“普適性要求”的目標(biāo)。此外，策劃了安徽省大學(xué)生工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用大賽、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技能認(rèn)定等活動，利用我校機(jī)器人特色實驗室的設(shè)備條件，以及與蕪湖安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司（簡稱“安普公司”）建立的產(chǎn)教融合機(jī)制，向?qū)W生開放校企雙方實驗場地，以便于學(xué)生利用課余時間開展集訓(xùn)或突擊性訓(xùn)練，借助競爭性賽事和規(guī)范化考評機(jī)制，促進(jìn)學(xué)生工程能力的進(jìn)一步提升，挖掘?qū)W生的潛力，最終達(dá)成“個性化提升”的教學(xué)目標(biāo)。圖3為學(xué)生在安普公司實訓(xùn)的場景，圖4為2020年度安徽省大學(xué)生工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用大賽的賽場。

安徽省大學(xué)生工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用大賽以滾動自動裝配作業(yè)為應(yīng)用場景，要求采取雙機(jī)器人協(xié)作方式，在工裝夾具等的輔助配合下，自動執(zhí)行滾動軸承內(nèi)圈和外圈拾取、灌注、分珠、放保持架等裝配操作，考查選手的機(jī)械夾具和電氣裝調(diào)、氣動系統(tǒng)調(diào)試、上下位機(jī)組網(wǎng)通信、PLC和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程序編寫等綜合技能，評判選手是否具備多學(xué)科交叉融合和能力復(fù)合素養(yǎng)。圖5為選手正在完成電氣裝調(diào)操作。

安普公司被安徽省發(fā)展改革委、安徽省人力資源和社會保障廳、安徽省教育廳聯(lián)合認(rèn)定為安徽省首批培育的產(chǎn)教融合型企業(yè)，以及蕪湖工業(yè)機(jī)器人定點(diǎn)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，其面向機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)了機(jī)器人工程專業(yè)技能培訓(xùn)班，參照職業(yè)技能認(rèn)定辦法，考評測試“機(jī)器人基本知識”“機(jī)器人操作與編程”“機(jī)器人集成應(yīng)用”“機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)”和“機(jī)器人拆裝”五個方面的專業(yè)技能，為考核合格者頒發(fā)技能認(rèn)定證書，如圖6所示。

四、結(jié)語

機(jī)器人工程專業(yè)是面向機(jī)器人產(chǎn)業(yè)和智能制造領(lǐng)域開設(shè)的新工科專業(yè)，與機(jī)械設(shè)計及其自動化、機(jī)械電子、自動化等傳統(tǒng)工科專業(yè)相比，其多學(xué)科交叉融合特征更為明顯，對于畢業(yè)生能力復(fù)合性要求更為全面。我?；凇跋饶K后合成”的思路，規(guī)劃構(gòu)建了機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)體系；按“普適性要求”和“個性化提升”兩個層級開展實踐教學(xué)模式探索。針對青年學(xué)生好勝心強(qiáng)的特點(diǎn)，我們在實踐教學(xué)過程中引入了對抗性訓(xùn)練；為了解決實踐教學(xué)效果評測嚴(yán)謹(jǐn)性不足的問題，我們引用了職業(yè)技能認(rèn)定辦法。經(jīng)過我校一屆學(xué)生完整的教學(xué)實踐的驗證，本次改革效果得到了學(xué)生的充分認(rèn)可，人才培養(yǎng)質(zhì)量得到了用人單位的高度肯定。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：鐘 嵐］