地方應(yīng)用型本科院校機(jī)器人工程專業(yè)課程體系建設(shè)初探

劉源 解芳 周宏胭 范禮鴻 褚慧慧

摘?要：機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇空前巨大，行業(yè)人才需求激增，但與之不匹配的是機(jī)器人工程專業(yè)為新開設(shè)專業(yè)，發(fā)展尚不成熟，這給地方應(yīng)用型本科高校培養(yǎng)方案的制訂帶來了挑戰(zhàn)。本文針對課程體系的構(gòu)建，基于OBE理念，從建設(shè)思路、人才培養(yǎng)定位、專業(yè)特色凝練等方面分析了制訂培養(yǎng)方案時應(yīng)考慮的問題，并以南陽理工學(xué)院為例，對理論課程體系和實踐課程體系的構(gòu)建進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科；機(jī)器人工程專業(yè)；課程體系

隨著新一輪產(chǎn)業(yè)變革和科技革命，新一代信息技術(shù)、新材料、新能源等與機(jī)器人深度融合，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也迎來了跨越式發(fā)展。機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造和應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志［1］。近年來，我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，據(jù)工信部等三部門聯(lián)合發(fā)布的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》預(yù)測，到2025年我國高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人領(lǐng)域人才缺口將達(dá)到450萬。

面對機(jī)器人領(lǐng)域人才的巨大缺口，機(jī)器人工程專業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。2016年，國內(nèi)第一個本科專業(yè)在東南大學(xué)誕生。截至2022年，國內(nèi)共有323所高校相繼開設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)。由于機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)起步較晚，目前尚未有明確的專業(yè)建設(shè)規(guī)范和課程體系。機(jī)器人工程專業(yè)作為“新工科專業(yè)”，最重要的特征是多學(xué)科的交叉融合，涵蓋機(jī)械設(shè)計、自動化控制、電子電氣、軟件編程等。這給專業(yè)建設(shè)和課程體系設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

由于研究型高校和應(yīng)用型高校的人才培養(yǎng)目標(biāo)存在客觀差異，機(jī)器人工程專業(yè)的培養(yǎng)方案和課程體系也應(yīng)該有所區(qū)別。研究型高校更加注重培養(yǎng)高端人才的研發(fā)能力，課程體系更側(cè)重理論基礎(chǔ)和完整的理論構(gòu)架。而應(yīng)用型本科高校則側(cè)重培養(yǎng)應(yīng)用型工程師，強(qiáng)調(diào)動手能力，學(xué)生需要能綜合應(yīng)用控制工程、機(jī)械、電氣和軟件編程等知識去解決實際工程問題。因此，對于側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的應(yīng)用型本科院校，如何設(shè)計課程體系是整個專業(yè)建設(shè)的重中之重，因為課程體系是培養(yǎng)人才的重要載體，是實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的重要抓手。

南陽理工學(xué)院于2017年在自動化專業(yè)設(shè)置工業(yè)機(jī)器人方向，2019年向教育部提交申請，2020年獲批開設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)并于同年開始首屆招生，目前機(jī)器人工程專業(yè)處于探索階段。本文將對南陽理工學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)在前期的探索實踐思路進(jìn)行介紹，并著重闡述基于培養(yǎng)目標(biāo)的課程體系的建設(shè)。

一、總體建設(shè)思路

（一）基于OBE理念的反向設(shè)計

OBE理念，即成果導(dǎo)向教育或者目標(biāo)導(dǎo)向教育，是目前主流的教育改革理念。我國于2013年被接納為《華盛頓協(xié)議》簽約成員，2016年正式加入《華盛頓協(xié)議》，這意味著我國通過認(rèn)證的工程專業(yè)本科學(xué)位將得到該協(xié)議所有正式成員的承認(rèn)。OBE理念是工程教育專業(yè)認(rèn)證的三大核心理念之一，專業(yè)認(rèn)證提倡將OBE理念貫穿于整個人才培養(yǎng)的全過程［2］?；贠BE理念的課程體系設(shè)計，是提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑。

OBE理念從需求出發(fā)開始進(jìn)行反向設(shè)計，需求是起點，從行業(yè)對人才能力的需求出發(fā)確定培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)確定畢業(yè)要求，再由畢業(yè)要求確定課程體系，課程體系決定課程目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，最后需要教學(xué)評價來判定培養(yǎng)目標(biāo)和“需求”是否達(dá)到，最終又回到了“需求”。這樣的反向設(shè)計的思路給培養(yǎng)目標(biāo)的最終實現(xiàn)給予了保證。

南陽理工學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)雖然是一個新專業(yè)，目前還沒有足夠的積累去參加專業(yè)認(rèn)證，但是從專業(yè)建設(shè)初期，就要堅決貫徹OBE理念，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，向?qū)I(yè)認(rèn)證看齊，為后續(xù)進(jìn)行專業(yè)認(rèn)證打下堅實基礎(chǔ)。

（二）廣泛深入的市場調(diào)研

“需求”是專業(yè)全流程建設(shè)的起點和終點，如果需求不明晰的話，那么整個專業(yè)建設(shè)的流程都將出現(xiàn)偏差，所以在制訂培養(yǎng)方案之前，必須要經(jīng)過大量深入的調(diào)研，要到機(jī)器人產(chǎn)業(yè)第一線去深入調(diào)研，真正了解行業(yè)對于人才的需求，不僅要到技術(shù)先進(jìn)的龍頭企業(yè)去調(diào)研，也要到一些還沒有形成規(guī)模的初創(chuàng)公司去調(diào)查。除了實地調(diào)研，還需通過互聯(lián)網(wǎng)去查找國家對產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃政策、措施，以及最新的行業(yè)發(fā)展報告。另外，開設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)的兄弟院校也可以提供有價值的參考經(jīng)驗。當(dāng)前開設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)的高校主要有三類：一是高職院校，該類院校主要側(cè)重于對工業(yè)機(jī)器人操作和編程能力的培養(yǎng)，而對于基礎(chǔ)理論知識沒有足夠的重視，培養(yǎng)的人才多從事工業(yè)機(jī)器人的調(diào)試、維護(hù)保養(yǎng)和編程；二是較早設(shè)置機(jī)器人方向的研究型高校，比如東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等。該類院校注重機(jī)器人設(shè)計開發(fā)能力的培養(yǎng)，理論課程體系涵蓋機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)知識、控制理論和系統(tǒng)設(shè)計理論；三是大部分地方高校最近幾年才開設(shè)機(jī)器人專業(yè)，因為成立時間較短，在培養(yǎng)模式和課程體系方面沒有相應(yīng)的積累，處于起步和探索階段，開設(shè)的許多課程尚未形成科學(xué)的培養(yǎng)體系，更像是機(jī)械、電氣、自動化、計算機(jī)等學(xué)科課程的簡單混合。對于這三類院校都要進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合自身實際情況構(gòu)建課程體系，取長補(bǔ)短。

（三）永不停歇地持續(xù)改進(jìn)

“持續(xù)改進(jìn)”是專業(yè)認(rèn)證的三大核心理念之一。對于機(jī)器人工程專業(yè)更要重視持續(xù)改進(jìn)，原因有兩點：第一，國內(nèi)機(jī)器人工程專業(yè)起步較晚，并沒有太多現(xiàn)成的經(jīng)驗可以參考，所以在專業(yè)建設(shè)的初始階段，課程體系的建設(shè)難免要經(jīng)歷試錯的步驟，這個過程中需要根據(jù)人才需求和實際培養(yǎng)效果之間的偏差，經(jīng)過不斷的反饋、調(diào)整和優(yōu)化，最終構(gòu)建較為理想的課程體系。第二，機(jī)器人技術(shù)本身也處于一個高速發(fā)展的階段，隨著人工智能、新能源、新材料等的日新月異，機(jī)器人技術(shù)也會隨之更新。這給機(jī)器人工程專業(yè)的課程體系建設(shè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，注定部分課程會有較短的生命周期，很可能開上兩三年就要進(jìn)行更新。比如，機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS，作為開發(fā)機(jī)器人使用最廣的開源工具，當(dāng)有些院校開始設(shè)置ROS?1.0的課程時，ROS?2.0就已經(jīng)被廣泛使用，就需要對課程進(jìn)行及時更新，這會給任課教師帶來不小的壓力?；跈C(jī)器人工程專業(yè)的特點，持續(xù)改進(jìn)需要貫穿在課程體系建設(shè)的全周期。持續(xù)改進(jìn)，永遠(yuǎn)在路上。

二、人才培養(yǎng)定位

（一）機(jī)器人領(lǐng)域人才需求

行業(yè)和用人單位的微觀需求，是制定專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的主要依據(jù)［3］。機(jī)器人可以分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人三種，根據(jù)中國電子學(xué)會發(fā)布的《中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2021年）》，2021年全球機(jī)器人市場規(guī)模達(dá)到335.8億美元，工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人市場占比如圖1所示。

從圖1可以看出，在全球市場中工業(yè)機(jī)器人市場占比最大，作為智能制造的終端設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人扮演著重要的角色。通過對機(jī)器人上、中、下游產(chǎn)業(yè)鏈的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，相比于工業(yè)機(jī)器人上游零部件供應(yīng)企業(yè)和中游本體設(shè)計制造企業(yè)，下游產(chǎn)業(yè)鏈工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成企業(yè)對人才有著更為旺盛的需求。下游系統(tǒng)集成也是機(jī)器人商業(yè)化、大規(guī)模普及的關(guān)鍵［4］。機(jī)器人本體產(chǎn)品技術(shù)壁壘相對較高，對人才有更高的要求，地方應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)的應(yīng)屆畢業(yè)生通常不具備與之匹配的能力。而系統(tǒng)集成的技術(shù)壁壘則相對較低，但其市場規(guī)模要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本體市場［5］，對人才的能力要求也相對較低，對地方應(yīng)用型本科高校畢業(yè)生來說壓力較小。因此，基于上述調(diào)研分析，南陽理工學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)將工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成與開發(fā)作為人才培養(yǎng)的核心方向。

另外，值得注意的是，服務(wù)機(jī)器人的全球市場占比逐年提高，2018年為21%，2019年25%，2021年上升到37%。隨著無人配送、無人零售、智能接待等需求持續(xù)增加，為服務(wù)機(jī)器人帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。服務(wù)機(jī)器人市場不斷擴(kuò)大，對人才的需求也與日俱增，所以南陽理工學(xué)院將服務(wù)機(jī)器人作為次要培育方向。

綜上所述，經(jīng)過市場調(diào)研并結(jié)合院校實際情況，南陽理工學(xué)院將工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成與開發(fā)作為人才培養(yǎng)的核心方向，服務(wù)機(jī)器人開發(fā)作為第二方向。

（二）人才培養(yǎng)層次

人才培養(yǎng)層次的定位也是制定培養(yǎng)目標(biāo)和構(gòu)建課程體系的重要因素。需要考慮學(xué)校定位和生源層次，來確定人才培養(yǎng)的層次。南陽理工學(xué)院定位為應(yīng)用型本科院校，植根南陽、服務(wù)河南、面向全國，以培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才為己任。對于機(jī)器人工程專業(yè)而言，所培養(yǎng)人才層次要與傳統(tǒng)高職高專院校有所區(qū)別。高職高專院校在培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人使用、操作、編程以及維護(hù)上都有一定的積累，有較好的辦學(xué)基礎(chǔ)［6］。作為服務(wù)地方的應(yīng)用型本科院校，不能照搬此類院校的課程體系設(shè)置，要提升人才培養(yǎng)的層次。所培養(yǎng)學(xué)生不僅要具備操作機(jī)器人的技能，還要具備機(jī)器人集成開發(fā)的能力，要有一定的應(yīng)用研究能力。

（三）人才培養(yǎng)目標(biāo)

基于機(jī)器人領(lǐng)域人才需求和我校應(yīng)用型本科的辦學(xué)定位，專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)如下：

圍繞工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與開發(fā)，主要面向工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的系統(tǒng)集成、工程設(shè)計、開發(fā)及應(yīng)用，培養(yǎng)具有優(yōu)良品德和執(zhí)著信念，具備良好的溝通協(xié)作、跨專業(yè)認(rèn)知融合和終身學(xué)習(xí)能力，擁有創(chuàng)新精神、良好的科學(xué)素養(yǎng)和高度的社會責(zé)任感，具備機(jī)器人理論基礎(chǔ)、較強(qiáng)機(jī)器人工程實踐能力，能從事現(xiàn)代機(jī)器人相關(guān)的工程設(shè)計與開發(fā)、系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)，并具有一定管理能力的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

本專業(yè)畢業(yè)生在畢業(yè)5年后，達(dá)到以下職業(yè)能力：

（1）能夠運(yùn)用多學(xué)科知識解決機(jī)器人在系統(tǒng)集成中的復(fù)雜工程問題，具備在機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域的組織與管理能力，能成為企業(yè)技術(shù)或管理骨干。（會做事）

（2）能夠和團(tuán)隊進(jìn)行有效溝通交流，具有團(tuán)隊合作能力。（會共處）

（3）能夠跟蹤機(jī)器人行業(yè)國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)，具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識和能力。（會學(xué)習(xí)）

（4）能夠遵守機(jī)器人行業(yè)的道德規(guī)范，履行社會責(zé)任。（會做人）

三、課程體系構(gòu)建

結(jié)合目前機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀、行業(yè)人才需求、我院智能制造大背景，以及我院實際師資和生源情況，將課程體系聚焦于以工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成與開發(fā)。工業(yè)機(jī)器人作為智能制造的重要一環(huán)，地位重要，但不能孤立存在，而應(yīng)該作為智能制造的核心單元之一，要和周邊的機(jī)械系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、控制軟件、電氣系統(tǒng)緊密配合，相輔相成，為智能制造服務(wù)。因此，機(jī)器人工程專業(yè)應(yīng)當(dāng)瞄準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人在實際使用場景中的集成與開發(fā)技術(shù)，放在智能制造大背景下進(jìn)行發(fā)展，培養(yǎng)出能在智能制造行業(yè)中完成工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成、開發(fā)和設(shè)計的應(yīng)用型人才。課程體系分為理論和實踐兩部分：

（一）理論教學(xué)體系

理論課程體系包括通識教育課、數(shù)理知識課、專業(yè)平臺課、專業(yè)方向必修課、專業(yè)方向選修課等五部分組成，如圖2所示。

1.通識教育課

通識教育課包括必修課程和選修課程，必修課包括思想道德與法制、國家安全教育、形勢與政策、中國近現(xiàn)代史綱要、馬克思主義基本原理、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育基礎(chǔ)、毛澤東思想和中國特色社會主義理論體系概論、勞動教育、黨史、工程與社會。選修課包括公共藝術(shù)教育（美育類）課程、公共選修課程和社會實踐活動。選修課程學(xué)分須達(dá)到10學(xué)分。選修課課程是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、德智體美全面發(fā)展的重要手段，為后續(xù)為人做事、學(xué)習(xí)工作提供支撐。

2.數(shù)理知識課

數(shù)理知識課主要為培養(yǎng)學(xué)生基本的科學(xué)素養(yǎng)服務(wù)，為后續(xù)對機(jī)器人集成與開發(fā)的原理分析能力打下基礎(chǔ)，數(shù)理分析課也是應(yīng)用型本科院校區(qū)別于高職高專的主要特征。主要包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)與積分變換、概率論與數(shù)理統(tǒng)計。

3.專業(yè)平臺必修課

專業(yè)平臺必修課包括專業(yè)導(dǎo)論與職業(yè)發(fā)展規(guī)劃、工程制圖、電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、自動控制原理、機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用、機(jī)械工程基礎(chǔ)、智能傳感檢測技術(shù)。學(xué)生通過此類課程的學(xué)習(xí)，掌握機(jī)器人的基礎(chǔ)知識和基本素質(zhì)，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)和工程實踐提供支撐。

4.專業(yè)方向必修課

專業(yè)方向必修課包括電機(jī)及電力拖動基礎(chǔ)、可編程序控制器、機(jī)器人視覺技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人離線編程與仿真、伺服運(yùn)動控制技術(shù)、PCB電路板設(shè)計、ARM微處理器技術(shù)、ROS機(jī)器人程序設(shè)計。經(jīng)過此類課程的學(xué)習(xí)，掌握從事工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成與開發(fā)所需的專業(yè)知識。

5.專業(yè)方向選修課

專業(yè)方向選修課包括智能制造導(dǎo)論、Python程序設(shè)計基礎(chǔ)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)控制理論、電氣控制設(shè)計基礎(chǔ)、EPLAN電氣設(shè)計技術(shù)、數(shù)字信號處理、最優(yōu)化算法、模式識別與機(jī)器學(xué)習(xí)、高級語言監(jiān)控技術(shù)。專業(yè)方向選修課最少修夠6學(xué)分。

（二）實踐課程體系

機(jī)器人工程專業(yè)作為新工科專業(yè)，最大的特點就是多學(xué)科交叉融合，培養(yǎng)應(yīng)用型工程師，強(qiáng)調(diào)學(xué)生動手能力。因此，實踐課必須要給予足夠的重視。實踐類課程如圖3所示。

初步認(rèn)知階段的課程是認(rèn)知實習(xí)和工程訓(xùn)練，機(jī)器人工程專業(yè)的新生通過一周的認(rèn)知實習(xí)對機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù)有了一個初步的了解，并通過工程訓(xùn)練建立興趣并培養(yǎng)初步的動手能力，建立工程的概念?；A(chǔ)訓(xùn)練主要是課程實驗和基礎(chǔ)工程訓(xùn)練，包括電子技術(shù)實訓(xùn)、大學(xué)物理實驗、工程制圖實訓(xùn)、模擬電子技術(shù)實驗和數(shù)字電子技術(shù)實驗，通過基礎(chǔ)訓(xùn)練掌握基礎(chǔ)的工程技能，為專業(yè)訓(xùn)練打下基礎(chǔ)。專業(yè)實踐訓(xùn)練與專業(yè)課程同步進(jìn)行，邊學(xué)邊練，提高學(xué)習(xí)效率。最后通過綜合性的課程設(shè)計和學(xué)科競賽對學(xué)生的工程實踐能力進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力，樹立自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，掌握自主學(xué)習(xí)的方法。

（三）特色課程凝練思考

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前大部分院校開設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)特色并不明顯，因為本專業(yè)是學(xué)科交叉性很強(qiáng)的專業(yè)，有的院校把專業(yè)放在機(jī)械學(xué)院就偏向機(jī)械設(shè)計，放在自動化學(xué)院就偏自動化控制，放在計算機(jī)學(xué)院就偏向軟件［7］。專業(yè)特色不能僅憑就近原則，而應(yīng)該綜合考慮人才市場需求和學(xué)院實際情況。專業(yè)特色依靠特色課程來支撐，特色課程的選擇和設(shè)置可以從以下兩方面來考慮：第一，依托行業(yè)背景，如果專業(yè)能找到較好的工業(yè)背景支持，那么直接與相關(guān)優(yōu)秀企業(yè)進(jìn)行深層次的合作。校企融合、培養(yǎng)方案和課程體系由校企共同建設(shè)，專業(yè)自然就可能有特色。第二，在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中尋找被較少關(guān)注但又不可或缺的點進(jìn)行深耕。比如，在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成中，末端執(zhí)行器是不可或缺的部分，但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前開設(shè)機(jī)器人末端執(zhí)行器相關(guān)課程的院校相對較少。因此，南陽理工學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)擬將機(jī)器人末端執(zhí)行器作為特色課程來建設(shè)。

結(jié)語

對于應(yīng)用型本科高校，培養(yǎng)目標(biāo)能否實現(xiàn)，能否培養(yǎng)出合格的機(jī)器人工程師，最終還是要落實到一門門具體的課程上。因此，課程體系建設(shè)至關(guān)重要，機(jī)器人工程專業(yè)開設(shè)時間較短，可借鑒經(jīng)驗不多，同時行業(yè)技術(shù)發(fā)展又日新月異，課程體系建設(shè)將會是一項長期而艱巨的任務(wù)，需要付出巨大的努力。因此，必須堅持OBE理念，以學(xué)生為中心，建立反饋機(jī)制，持續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：智能制造背景下融合OBE理念的研究性教學(xué)模式探索與實踐（項目編號：2022SYJXLX113）；“機(jī)器人工程2021培養(yǎng)方案修訂”（項目批準(zhǔn)號：470005）

作者簡介：劉源（1985—?），男，漢族，河南鄧州人，博士研究生，講師，機(jī)器人工程教研室主任，研究方向：機(jī)器人控制、多智能體協(xié)調(diào)控制等。