機(jī)器人工程專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)體系的研究與實(shí)踐

王肖鋒 田換林 穆浩志 楊玉維 李 彬

(1.天津理工大學(xué)天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.天津理工大學(xué)機(jī)電工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300384)

機(jī)器人領(lǐng)域被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是世界科技強(qiáng)國的必爭之地，也將成為衡量一個(gè)國家科技創(chuàng)新能力和高端制造業(yè)水平的一個(gè)重要指標(biāo)，在推動(dòng)智能制造裝備、資源開發(fā)、國防軍事等方面，均發(fā)揮了無可替代的戰(zhàn)略作用。為此，我國在《中國制造2025》中明確提出，將機(jī)器人作為大力推動(dòng)的十個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域之一[1]。工業(yè)和信息化部等部門為了推動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，發(fā)布了《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將成為我國從“反卡脖子戰(zhàn)”到“戰(zhàn)略高地布局”的重要戰(zhàn)場，也必將成為占領(lǐng)全球高端制造產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略高地。

為了在新一輪產(chǎn)業(yè)革命中搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)，推動(dòng)“中國制造”到“中國創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)型升級(jí)，教育部自2017年以來持續(xù)深化工程教育改革，積極推進(jìn)實(shí)施“新工科”建設(shè)[2-3]，提出新工科建設(shè)總的發(fā)展思路[4]、框架與實(shí)施路徑[5]、人才培養(yǎng)模式改革[6]、建設(shè)內(nèi)涵[7]等，為新工科建設(shè)的再深化、再拓展、再出發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。機(jī)器人技術(shù)是一門融合機(jī)械工程、控制工程、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能等學(xué)科領(lǐng)域而形成的綜合高新技術(shù)。隨著各類機(jī)器人技術(shù)日趨智能化，其人才培養(yǎng)也必須滿足復(fù)合型、智能型及創(chuàng)新型等需求。目前，包括東南大學(xué)在內(nèi)的絕大多數(shù)高校將機(jī)器人工程專業(yè)設(shè)置在與自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)的學(xué)院，僅有北京航空航天大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)等十余所高校設(shè)置在機(jī)械專業(yè)相關(guān)學(xué)院。這些高校機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、課程設(shè)置等依然存在諸多問題，如偏重控制工程學(xué)科方向、機(jī)械工程學(xué)科等方面明顯偏弱等，這也表明機(jī)器人工程課程體系的專業(yè)化和系統(tǒng)化需進(jìn)一步優(yōu)化，多學(xué)科交叉融合也有待進(jìn)一步加強(qiáng)。作為新工科專業(yè)建設(shè)的典型代表，機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系必須契合新工科復(fù)合型人才培養(yǎng)的要求，方能滿足機(jī)器人行業(yè)眾多公司不同的技術(shù)要求。

天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院以機(jī)器人工程專業(yè)為試點(diǎn)，開展新工科專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)體系的研究與實(shí)踐。面對(duì)國家特別是京津冀地區(qū)機(jī)器人及相關(guān)應(yīng)用行業(yè)發(fā)展對(duì)機(jī)器人技術(shù)人才的需求，如何培養(yǎng)兼具“機(jī)械工程、控制科學(xué)與工程、智能科學(xué)與技術(shù)”多個(gè)學(xué)科交叉融合的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，以及較強(qiáng)實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)的復(fù)合型工程技術(shù)人才，是我們面臨的重要課題。

一、人才培養(yǎng)目標(biāo)制定

新工科人才的培養(yǎng)目標(biāo)是緊密圍繞未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，高度重視“品格+知識(shí)+能力”全方位素質(zhì)提升，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)造思維、全方位高素質(zhì)、可持續(xù)性發(fā)展的交叉復(fù)合型工程技術(shù)人才[8]。

通過充分調(diào)研分析，綜合考量企事業(yè)用人單位對(duì)人才培養(yǎng)的需求及學(xué)校對(duì)人才培養(yǎng)的定位，基于新工科倡導(dǎo)的OBE(outcome-based education)理念，確立了機(jī)器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，即以京津冀地區(qū)機(jī)器人工程技術(shù)人才需求為導(dǎo)向，立足服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展，注重培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和學(xué)術(shù)創(chuàng)新能力，全面激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新精神，能夠使其在國內(nèi)外高新技術(shù)企業(yè)、企事業(yè)單位及科研院所等勝任機(jī)器人核心零部件設(shè)計(jì)與整機(jī)研發(fā)、機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用、智能感知算法實(shí)現(xiàn)等領(lǐng)域的工作，成為能夠解決機(jī)器人領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的復(fù)合型工程技術(shù)人才，如圖1所示。根據(jù)機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，建立了以學(xué)生為中心的人才培養(yǎng)體系，明確了機(jī)器人工程專業(yè)的畢業(yè)要求，通過設(shè)置課程體系，將畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)與相關(guān)課程目標(biāo)及教學(xué)大綱一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的逐一分解，如圖2所示。

圖1 基于OBE理念的機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)

圖2 以學(xué)生為中心的機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系

二、課程體系設(shè)置

課程體系是專業(yè)人才培養(yǎng)方案的核心，關(guān)系到培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和能力目標(biāo)的構(gòu)建，同樣也關(guān)系到各個(gè)課程目標(biāo)的相互銜接?；谛鹿た频膬?nèi)涵及特征[9]，要求專業(yè)課程體系能夠體現(xiàn)各個(gè)高校的教育辦學(xué)理念、辦學(xué)指導(dǎo)思想、服務(wù)面向、優(yōu)勢特色及行業(yè)應(yīng)用背景[10]。因此，課程體系設(shè)置需要考慮新工科專業(yè)的總體要求及自身優(yōu)勢和特色[11-12]，考慮工程教育相關(guān)要求，滿足當(dāng)前機(jī)器人及相關(guān)行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求并能適用機(jī)器人未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。

根據(jù)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，課程體系包括通識(shí)教育課程、數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類課程、學(xué)科基礎(chǔ)課、專業(yè)課程(包括必修課程和選修課程)和集中性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過這些課程可實(shí)現(xiàn)學(xué)生在機(jī)械工程方面和控制工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)面的拓寬、在機(jī)器人工程方面的專業(yè)綜合能力及綜合素質(zhì)的提升。根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)，突出跨學(xué)科特色，重構(gòu)專業(yè)課程體系為“機(jī)械學(xué)-控制論-機(jī)器人學(xué)”(Mechanics-Cybernetics-Robotics，MCR)，將學(xué)科基礎(chǔ)課和專業(yè)課按照“三必六選”課程群進(jìn)行總體設(shè)置，即三大必修課程群和六大選修課程群，構(gòu)建三級(jí)遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系。

1.三必課程群

MCR三大必修課程群如圖3所示。其中，機(jī)械學(xué)核心課程群和控制論核心課程群，突出機(jī)器人工程專業(yè)寬廣的學(xué)科基礎(chǔ)和專業(yè)基礎(chǔ)屬性，作為機(jī)器人工程專業(yè)的基石，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代工程意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、學(xué)術(shù)創(chuàng)新和項(xiàng)目實(shí)踐意識(shí)以及跨學(xué)科思維和系統(tǒng)性思維。機(jī)器人學(xué)核心課程群則著重遴選了機(jī)器人工程領(lǐng)域中具有基礎(chǔ)地位的課程，包括機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)、機(jī)器人傳感器及其應(yīng)用、機(jī)器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用等，重點(diǎn)培養(yǎng)機(jī)器人的核心零部件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，初步積累工程項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，MCR三大必修課程群能夠滿足新工科機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)核心目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生全面系統(tǒng)地掌握三大課程群及專業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力、多學(xué)科團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

圖3 MCR三大必修課程群

2.六選課程群

MCR六大選修課程群如圖4所示。它為機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生的職業(yè)和個(gè)性發(fā)展提供了廣闊的平臺(tái)，充分考慮了面向機(jī)器人產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展趨勢，側(cè)重于方向性、系統(tǒng)性和綜合性，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生在本專業(yè)領(lǐng)域及相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的技術(shù)和方法。因此，選修課程設(shè)置了6大類課程群：學(xué)術(shù)創(chuàng)新類、程序算法類、智能控制類、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類、智能制造類及其他綜合類。與一般專業(yè)的選修模塊不同，學(xué)生可以跨多個(gè)課程群進(jìn)行選修，不受學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域限制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的交叉融合，同時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)課程體系及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整、充實(shí)和更新。這些選修課程群的設(shè)置，有利于培養(yǎng)學(xué)生工程項(xiàng)目的實(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力及動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力，滿足學(xué)生全面發(fā)展和個(gè)性發(fā)展的需要。

圖4 MCR六大選修課程群

3.三級(jí)遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系

在實(shí)踐教學(xué)方面，依托校內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、校內(nèi)教學(xué)科研平臺(tái)和校外機(jī)器人實(shí)踐基地建立了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)、綜合與創(chuàng)新實(shí)踐(含校內(nèi)和校外)三級(jí)遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系，如圖5所示。

圖5 MCR三級(jí)遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系

(1)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

依靠天津理工大學(xué)機(jī)電工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和數(shù)字化制造與流程工業(yè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，對(duì)每一門核心基礎(chǔ)課程均設(shè)置了相應(yīng)的課程實(shí)驗(yàn)，包括直觀演示實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和基本操作實(shí)驗(yàn)。這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)作為機(jī)器人工程專業(yè)理論教學(xué)的延續(xù)與補(bǔ)充，架構(gòu)了基礎(chǔ)課程理論與實(shí)踐之間的橋梁。通過直觀演示、實(shí)踐驗(yàn)證、實(shí)際操作等方法，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人工程專業(yè)基礎(chǔ)理論的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和專業(yè)興趣，使學(xué)生能夠較全面地掌握基礎(chǔ)課程的基本原理和基本規(guī)律，并將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)而提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

(2)專業(yè)實(shí)驗(yàn)

專業(yè)實(shí)驗(yàn)是機(jī)器人工程專業(yè)多學(xué)科交叉融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)保障，依托天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開設(shè)專業(yè)綜合類實(shí)驗(yàn)、專業(yè)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)和專業(yè)創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)。

首先，為了促進(jìn)各門專業(yè)課程知識(shí)的交叉融合及整體應(yīng)用，獨(dú)立設(shè)置了機(jī)器人控制綜合實(shí)驗(yàn)課程，涉及機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)、機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人傳感器及其應(yīng)用、機(jī)器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用等專業(yè)課程的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。這門獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課以機(jī)器人相關(guān)專題開展，開設(shè)實(shí)驗(yàn)包括“7-DOF串聯(lián)機(jī)器人組成及其應(yīng)用”“3-RRRT并聯(lián)型機(jī)器人組成及其應(yīng)用”“履帶式移動(dòng)機(jī)械臂組成與機(jī)械部分測繪”“工業(yè)機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)與仿真”等。如在3-RRRT并聯(lián)機(jī)器人組成及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過實(shí)際操縱并聯(lián)機(jī)器人，加深對(duì)并聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型原理與機(jī)械結(jié)構(gòu)的理解，進(jìn)一步明確串聯(lián)機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)器人之間的區(qū)別與聯(lián)系，以及各自在自由度、工作空間、剛度與動(dòng)態(tài)特性等方面的優(yōu)勢與劣勢，為后續(xù)并聯(lián)機(jī)器人的測繪組裝奠定基礎(chǔ)。這些專業(yè)綜合類實(shí)驗(yàn)不同于一般專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)，它并不具體對(duì)應(yīng)某一門專業(yè)課程，而是綜合應(yīng)用多門專業(yè)課程的相關(guān)理論知識(shí)，可以培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力，進(jìn)一步鞏固和訓(xùn)練學(xué)生的專業(yè)理論和專業(yè)技能。這些實(shí)驗(yàn)一改傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，以項(xiàng)目專題為載體，實(shí)驗(yàn)設(shè)置更加豐富和靈活，無標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)答案，能夠真正激發(fā)學(xué)生興趣，使學(xué)生在學(xué)科知識(shí)應(yīng)用、工程能力、創(chuàng)新能力等方面得到訓(xùn)練。

其次，面向機(jī)器人工程專業(yè)，整合學(xué)院各專業(yè)實(shí)驗(yàn)室資源，設(shè)立了專業(yè)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生全覆蓋。與一般專業(yè)不同，本專業(yè)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)均為開放性實(shí)驗(yàn)，明顯增加了設(shè)計(jì)難度，要求學(xué)生充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和相關(guān)設(shè)計(jì)工具，課內(nèi)課外相互融合，有效利用課外時(shí)間開展專業(yè)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)。如在機(jī)器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用課程中，設(shè)置了機(jī)器人工作站構(gòu)建、編程與仿真實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，綜合應(yīng)用撰寫調(diào)研報(bào)告、程序編寫與軟件仿真、小組創(chuàng)新設(shè)計(jì)與答辯等多種形式，全面考核學(xué)生對(duì)本門課程知識(shí)的掌握和綜合運(yùn)用情況。這些設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)為學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)和開展集中性實(shí)踐環(huán)節(jié)積累了經(jīng)驗(yàn)，有助于提升學(xué)生獨(dú)立開展課程設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)及解決工程問題的能力。

最后，為了全面培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目工程實(shí)踐能力和學(xué)術(shù)創(chuàng)新能力，依托“學(xué)術(shù)導(dǎo)師制”培養(yǎng)模式設(shè)置專業(yè)創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)，將膝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人、重載機(jī)械臂、自動(dòng)跟隨載物機(jī)器人、高速并聯(lián)機(jī)器人、爬壁機(jī)器人等科研設(shè)備引入專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中。創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)有助于全面提升學(xué)生的工程項(xiàng)目實(shí)踐能力和學(xué)術(shù)創(chuàng)新思維能力。

(3)綜合與創(chuàng)新實(shí)踐

在綜合與創(chuàng)新環(huán)節(jié)中主要進(jìn)行集中性遞進(jìn)式實(shí)踐，采用校外機(jī)器人實(shí)踐基地與校內(nèi)教學(xué)科研平臺(tái)相互融合的培養(yǎng)方式，如圖6所示。

圖6 綜合與創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)遞進(jìn)式體系架構(gòu)

依靠校內(nèi)的機(jī)器人教學(xué)科研平臺(tái)，從機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)(機(jī)器人的模塊組裝設(shè)計(jì))，到機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)，最后到專業(yè)設(shè)計(jì)(機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì))，整個(gè)校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)以目標(biāo)為導(dǎo)向逐級(jí)遞進(jìn)，旨在提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、工程項(xiàng)目實(shí)踐能力及學(xué)術(shù)創(chuàng)新思維能力。在機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，使用樂高機(jī)器人組件，在整體方案選擇、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、控制方法等主要環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠應(yīng)用專業(yè)知識(shí)分析和表達(dá)所遇到的主要問題，通過設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)并能解決設(shè)計(jì)中存在的相關(guān)問題，培養(yǎng)學(xué)生工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)能力。在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中，通過對(duì)機(jī)器人零部件測繪，加深對(duì)機(jī)械手構(gòu)造特征與工作原理的理解；通過電機(jī)減速器選型、對(duì)部件拆卸、測繪(包括三維裝配、工程圖、零部件的3D打印等)與組裝等操作，加深對(duì)機(jī)械手零部件物理裝配的關(guān)系與方法的理解，為機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程化提供實(shí)踐基礎(chǔ)。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)中，通過培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)專業(yè)中機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)方法分析問題的能力，讓學(xué)生掌握針對(duì)一種構(gòu)型已知的機(jī)器人建立該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，并使其具備對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析和研究的能力；通過培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)專業(yè)中運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)知識(shí)與方法的能力，讓學(xué)生掌握機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)步驟、內(nèi)容和方法，并具備獨(dú)立分析和解決一般設(shè)計(jì)問題的能力。而在專業(yè)設(shè)計(jì)中，則要求學(xué)生同時(shí)具備機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)能力，即機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括確定機(jī)器人機(jī)械與電控系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)機(jī)器人關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，選擇相關(guān)機(jī)械元件與傳感器，設(shè)計(jì)與優(yōu)化機(jī)器人控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試與操作，編寫計(jì)算說明書并繪制相關(guān)圖紙等。

利用校外機(jī)器人實(shí)踐基地開展機(jī)器人認(rèn)知實(shí)習(xí)、機(jī)器人企業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)以及工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)訓(xùn)。學(xué)生從認(rèn)知機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品、了解和熟悉機(jī)器人生產(chǎn)制造過程，到參與工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)訓(xùn)，逐步深入，完成校外實(shí)踐“點(diǎn)-線-面”的遞進(jìn)式提升。在認(rèn)知實(shí)習(xí)中，通過參觀機(jī)器人企業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、裝配等生產(chǎn)過程，讓學(xué)生更加直觀地了解和認(rèn)知機(jī)器人企業(yè)和相關(guān)產(chǎn)品，拓寬了專業(yè)知識(shí)面，了解了機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)主要是在企業(yè)進(jìn)行機(jī)器人應(yīng)用生產(chǎn)線的實(shí)習(xí)。針對(duì)機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品的功能原理、性能指標(biāo)、機(jī)器人典型應(yīng)用生產(chǎn)線分析、某產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程或關(guān)鍵工藝過程等具體問題，與企業(yè)研發(fā)工程師和生產(chǎn)工人進(jìn)行深入交流與學(xué)習(xí)，并提出可能的優(yōu)化方案或改進(jìn)措施。通過企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)習(xí)與身臨其境的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，學(xué)生能夠全面了解大型企業(yè)的生產(chǎn)組織管理方式、企業(yè)運(yùn)營及職業(yè)規(guī)范等，為后續(xù)就業(yè)選擇打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，要在校外機(jī)器人實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行為期3周的工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)訓(xùn)，以綜合性、系統(tǒng)性、整體性為導(dǎo)向，將機(jī)器人理論知識(shí)和企業(yè)實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，幫助學(xué)生進(jìn)一步明確機(jī)器人系統(tǒng)組成及其各部分的功能，掌握機(jī)器人設(shè)計(jì)方法及系統(tǒng)集成方法，切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生工程項(xiàng)目實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力及溝通協(xié)調(diào)能力，理解并承擔(dān)個(gè)體、團(tuán)隊(duì)成員以及負(fù)責(zé)人的角色。

在綜合與創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)中，將學(xué)生的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力和學(xué)術(shù)創(chuàng)新能力培養(yǎng)貫穿專業(yè)教學(xué)全過程，使課堂教學(xué)內(nèi)容能夠具備整體性、系統(tǒng)性和創(chuàng)新性，并與校內(nèi)外實(shí)踐培養(yǎng)體系相互融合，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)能夠解決機(jī)器人領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的復(fù)合型新工科工程技術(shù)人才這一培養(yǎng)目標(biāo)。機(jī)器人工程專業(yè)自2019年以來全面實(shí)行“學(xué)術(shù)導(dǎo)師制”人才培養(yǎng)模式。該模式以學(xué)術(shù)導(dǎo)師的科研項(xiàng)目為依托，基于項(xiàng)目引領(lǐng)，以學(xué)科競賽、專利申請(qǐng)、實(shí)物畢業(yè)設(shè)計(jì)、論文發(fā)表等創(chuàng)新成果為產(chǎn)出形式，打造全新的遞進(jìn)式科研項(xiàng)目創(chuàng)新實(shí)踐體系。學(xué)術(shù)導(dǎo)師自大學(xué)二年級(jí)起對(duì)學(xué)生職業(yè)生涯發(fā)展、個(gè)人成長、學(xué)術(shù)發(fā)展等方面進(jìn)行全方位、全過程的指導(dǎo)，旨在培養(yǎng)學(xué)生工程項(xiàng)目實(shí)踐能力和持續(xù)科研創(chuàng)新能力。

三、人才培養(yǎng)體系的實(shí)施

1.構(gòu)建校內(nèi)校外實(shí)踐支撐平臺(tái)

立足于學(xué)校機(jī)器人工程“新工科”專業(yè)建設(shè)的實(shí)際需求，以孕育未來技術(shù)、培養(yǎng)具備機(jī)器人交叉學(xué)科背景的人才為目標(biāo)，建立基于機(jī)器人工程、智能制造、人工智能等新興交叉學(xué)科校內(nèi)外教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)校企合作，協(xié)同育人。如圖7所示。

在校內(nèi)，依托機(jī)電工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、數(shù)字化制造與流程工業(yè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等教學(xué)科研平臺(tái)，以智能機(jī)器人為載體，構(gòu)建具備MES、SCADA、數(shù)字孿生等功能的智能數(shù)控裝備、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等模塊，形成基于工位式開發(fā)的模塊化智能制造平臺(tái)。在該平臺(tái)上，可以完成“機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制與路徑規(guī)劃”“圖像處理與視覺識(shí)別”“Python編程”“可編程控制器”等與機(jī)器人工程專業(yè)密切相關(guān)的工程項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。建立“機(jī)械工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐工作坊”，借助學(xué)校學(xué)科大類基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生課內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及課外實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)提供充足的條件。

在校外，依托天津市機(jī)器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)、天津市機(jī)器人學(xué)會(huì)、天津市機(jī)器人行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)等，為本專業(yè)提供豐富的校外實(shí)踐平臺(tái)。與天津新松機(jī)器人自動(dòng)化有限公司、天津朗譽(yù)科技發(fā)展有限公司、深之藍(lán)(天津)水下智能科技有限公司、中國(天津)職業(yè)技能公共實(shí)訓(xùn)中心及湖北襄陽東發(fā)十堰實(shí)習(xí)基地等，建立校企合作、資源共享的機(jī)器人行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)實(shí)踐教學(xué)基地，進(jìn)行認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)訓(xùn)等校外實(shí)踐。校企合作涵蓋設(shè)備購置、課程資源轉(zhuǎn)化、實(shí)踐基地建設(shè)、師資培訓(xùn)等，同時(shí)雙方共同建立聯(lián)合研發(fā)中心，解決企業(yè)專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富但缺乏深厚的理論基礎(chǔ)、校內(nèi)缺少實(shí)踐基地的困境，依托我校機(jī)器人領(lǐng)域科研力量和優(yōu)勢，共同研發(fā)企業(yè)所需的機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)品，進(jìn)一步提升企業(yè)工程項(xiàng)目研發(fā)能力和學(xué)?？萍汲晒D(zhuǎn)化能力，實(shí)現(xiàn)科教融合與協(xié)同育人，形成雙方共贏的局面。

圖7 校內(nèi)校外實(shí)踐支撐平臺(tái)

2.科研教學(xué)相互融合

依托國家和天津市重大科研項(xiàng)目，探索基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的研討課、案例課、實(shí)驗(yàn)課及科研實(shí)踐課，將科研內(nèi)容融入人才培養(yǎng)中，提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

(1)將課外機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域的科研活動(dòng)引入專業(yè)選修課程中

在六大選修課程群的“學(xué)術(shù)創(chuàng)新類”中，設(shè)置了機(jī)器人相關(guān)展會(huì)與學(xué)術(shù)前沿會(huì)議和學(xué)生機(jī)器人技術(shù)科研創(chuàng)新活動(dòng)等特色創(chuàng)新課程。學(xué)生參與完成科研創(chuàng)新活動(dòng)，可以在不增加培養(yǎng)方案總學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)上提高課程教學(xué)效果，給學(xué)生更大的自主性和靈活性，有助于激發(fā)學(xué)生科研興趣。

(2)教學(xué)內(nèi)容融入課程思政，突出機(jī)器人學(xué)科發(fā)展前沿

及時(shí)將學(xué)科發(fā)展前沿融入課程體系和教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能夠掌握機(jī)器人學(xué)科的最新成果。要求每門專業(yè)課程在制定教學(xué)大綱的同時(shí)確定課程思政融入講授計(jì)劃，幫助學(xué)生樹立正確的理想信念，進(jìn)一步凝練課程思政內(nèi)涵，構(gòu)建全課程育人格局，將專業(yè)課程與思政內(nèi)容融為一體，形成協(xié)同效應(yīng)。

(3)科研內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容相融合

教師可將機(jī)器人相關(guān)科研內(nèi)容及成果，以問題的提出、分析和解決的方式融入日常課程講授中，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、解決問題的能力及批判性思維。

3.構(gòu)建學(xué)術(shù)導(dǎo)師制人才培養(yǎng)模式

為了確保機(jī)器人工程專業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，學(xué)校在天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上組建了機(jī)械工程天津市重點(diǎn)學(xué)科并予以優(yōu)先發(fā)展，重點(diǎn)學(xué)科緊密圍繞機(jī)器人技術(shù)、智能控制技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、仿生設(shè)計(jì)理論與制造技術(shù)4個(gè)學(xué)科研究方向，擁有多名天津市機(jī)械工程學(xué)科領(lǐng)軍人才、天津市中青年骨干創(chuàng)新人才、天津市“131”創(chuàng)新型人才，形成了多層次人才隊(duì)伍。

依托以上雄厚的專業(yè)師資，構(gòu)建學(xué)術(shù)導(dǎo)師制人才培養(yǎng)模式。學(xué)生在第二學(xué)年的第一學(xué)期根據(jù)自身興趣選擇一名專業(yè)教師作為學(xué)術(shù)導(dǎo)師，使其在課程選修、論文發(fā)表、專利申請(qǐng)、項(xiàng)目研發(fā)、未來發(fā)展與職業(yè)規(guī)劃等方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行全過程、全方位指導(dǎo)。學(xué)生通過師生互選及相關(guān)選拔后進(jìn)入學(xué)術(shù)導(dǎo)師的課題組，進(jìn)行基礎(chǔ)性學(xué)術(shù)創(chuàng)新訓(xùn)練，通過引導(dǎo)學(xué)生參加項(xiàng)目開發(fā)及參加機(jī)器人學(xué)科競賽、申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、申請(qǐng)國家發(fā)明專利、發(fā)表學(xué)術(shù)論文等方式，充分激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、科研興趣、創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐動(dòng)手能力，為學(xué)生的持續(xù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

四、結(jié)束語

目前，機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)方案已經(jīng)完整執(zhí)行了4年，首屆畢業(yè)生也已順利畢業(yè)。通過MCR多學(xué)科交叉課程體系、校內(nèi)外教學(xué)科研創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)及學(xué)術(shù)導(dǎo)師制，本科生創(chuàng)新能力得到顯著提升，并在各類各級(jí)競賽和科研活動(dòng)中獲得佳績。自2019年以來，學(xué)生共獲得國家及天津市各類競賽個(gè)人或團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)項(xiàng)40余項(xiàng)，四十余人參加國家級(jí)及天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目13項(xiàng)。榮獲全國大學(xué)生數(shù)學(xué)競賽(非數(shù)學(xué)類)國家級(jí)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)；“航天杯”移動(dòng)機(jī)器人AI創(chuàng)新技術(shù)挑戰(zhàn)賽獲得國家級(jí)二等獎(jiǎng)；全國大學(xué)生機(jī)器人大賽Robomaster機(jī)甲大師賽二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)；第七屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽國家級(jí)二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。學(xué)生以第一作者發(fā)表包含SCI及EI檢索的學(xué)術(shù)論文9篇，申請(qǐng)國家發(fā)明專利7項(xiàng)。首屆畢業(yè)生考研上線率為23.88%，211院校(含985院校)錄取率為69.20%。

機(jī)器人工程專業(yè)將新工科的創(chuàng)新理論貫穿人才培養(yǎng)體系，在未來的建設(shè)中將進(jìn)一步優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，完善和細(xì)化MCR “三必六選”跨學(xué)科課程體系，完善現(xiàn)有的校內(nèi)外教學(xué)科研創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，為培養(yǎng)符合國家特別是京津冀地區(qū)機(jī)器人相關(guān)應(yīng)用行業(yè)發(fā)展需要的高素質(zhì)復(fù)合型人才發(fā)揮保障作用。