基于OBE理念的應用型本科機器人人才培養(yǎng)體系探究

［摘 要］機器人學是一門跨專業(yè)綜合性學科，針對不同院校、不同層次學生，其人才培養(yǎng)要求有所不同，這給教學帶來了極大挑戰(zhàn)。文章基于OBE理念，構建機器人人才培養(yǎng)體系，深度剖析崗位需求與技術技能要求，明確應用型本科院校在機器人技術教育中的培養(yǎng)方向和目標，并創(chuàng)新性地設計以OBE為導向的人才培養(yǎng)模式，融合多元要素，構建多層次、漸進式的課程體系，旨在探索培養(yǎng)機器人創(chuàng)新人才的新路徑，為應用型本科院校在機器人專業(yè)建設與發(fā)展方面提供參考。

［關鍵詞］機器人；人才需求；人才培養(yǎng)；OBE理念

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）16-0113-04

一、背景和意義

機器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應用水平是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。2021年，十五部門聯合印發(fā)的《“十四五”機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，要加快解決技術積累不足、產業(yè)基礎薄弱、高端供給缺乏等問題，推動機器人產業(yè)邁向中高端[1]。2023年，十七部門聯合印發(fā)《“機器人+”應用行動實施方案》，全面推進機器人在各行業(yè)各地方深化應用和特色實踐，進一步激發(fā)產業(yè)創(chuàng)新活力[2]。近些年，機器人市場規(guī)模持續(xù)快速增長，“機器人+”應用不斷拓展深入[3]。按用途劃分，智能機器人主要可以分為工業(yè)機器人、服務機器人、特種機器人三類。2023年，我國工業(yè)機器人市場規(guī)模超過600億元，服務機器人市場規(guī)模超過了650億元，特種機器人市場規(guī)模有望達到193億元，中國機器人市場五年年均增長率達到22%[4]。發(fā)展機器人產業(yè)是我國從制造大國邁向制造強國的必由之路。

機器人產業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇，但與之相關的專業(yè)人才缺口巨大，這給機器人專業(yè)人才培養(yǎng)帶來了重大的挑戰(zhàn)[5]。在此背景下，地方本科院校設立機器人專業(yè)或將機器人學科知識融入現有課程，積極開展機器人技術應用教育，為區(qū)域產業(yè)輸送專業(yè)人才，對于推動中國經濟發(fā)展具有重要意義。

二、機器人產業(yè)人才需求分析

機器人學是一個龐大的跨專業(yè)體系，深度融合了機械、電子、控制及計算機科學等領域的專業(yè)知識。隨著智能化技術的飛速發(fā)展，機器人產業(yè)需要大量高水平、復合型、創(chuàng)新型人才，以滿足不斷發(fā)展的產業(yè)需求。針對不同院校不同層次的學生，教學目標與內容必然會有所不同，這給機器人教學帶來了極大挑戰(zhàn)。本文基于前期調研結果[6]，主要從兩個角度深度剖析當前的人才需求態(tài)勢。

（一）崗位需求分析

從企業(yè)發(fā)布的終端人才需求來看，機器人相關崗位的工程師可以歸納為以下四類：（1）機器人工程師。機器人工程師是機器人領域中的核心崗位，包括工業(yè)機器人工程師及其他機器人工程師，負責需求分析、方案設計、項目實施，要求熟悉各種類型機器人的開發(fā)、編程、調試和維護。此類工程師需具備扎實的專業(yè)知識與技能，如機械設計、電子電路、嵌入式開發(fā)、PLC控制、工業(yè)網絡、視覺處理等，并具備良好的綜合素質。（2）機器人機械工程師。主要負責機器人及其集成系統(tǒng)的機械結構設計，包括機器人設計可行性評估、方案制定、零部件設計和選型、整機結構設計、運動分析與力學仿真，以及建模、出圖、BOM清單編制、樣機裝配調試等。（3）機器人電氣工程師。主要負責工業(yè)機器人應用集成項目的電氣部分，設計集成項目的機器人視覺應用和電氣控制系統(tǒng)。要求熟悉工藝流程與規(guī)范，熟練掌握PLC、觸摸屏、機器人程序編寫、工業(yè)總線等技術，能夠完成機器人電氣系統(tǒng)設計、電氣圖紙設計，負責各種電動、氣動元器件選型，整理生產清單和購買零件清單，配合機械工程師完成安裝、接線、功能測試。（4）機器人算法工程師。包括AI算法工程師、控制算法工程師等，要求具備較強的計算機視覺、圖像處理、導航、機器學習、機器人運動學和動力學等方面的技能，如移動機器人運動控制、路徑規(guī)劃、軌跡規(guī)劃與優(yōu)化算法、多軸機械臂的運動控制算法、無人機飛控算法等，要求熟練掌握Python、C /C++、MATLAB、ROS等。

（二）技術方向與技能分析

目前，國內機器人領域的人才需求主要來源于三個方面：一是機器人制造廠商，主要實現機器人設計研發(fā)、制造、技術支持和市場推廣等，涉及各種類別的機器人設計與開發(fā)，用人總量相對較少，但是技術要求比較高。二是機器人系統(tǒng)集成商，主要涉及工業(yè)機器人系統(tǒng)集成、非標自動化系統(tǒng)設計、售前售后技術支持等，用人需求量大且對專業(yè)能力有較高要求。三是機器人應用企業(yè)，主要涉及機器人管理、運行與維護，用人總量最多，但對專業(yè)技能的要求相對較低。

其中，來源于機器人制造廠商和機器人系統(tǒng)集成商的人才需求普遍要求本科及以上學歷，而機器人應用企業(yè)則大多要求大專及以上學歷。針對應用型本科學生，培養(yǎng)重點應緊密對接機器人制造廠商和機器人系統(tǒng)集成商的需求?？傮w而言，應用型本科院校應重點培養(yǎng)機器人設計、開發(fā)、集成應用方面的復合型人才，具體方向包括工業(yè)機器人和智能機器人（服務機器人與特種機器人）方向，以下是兩個方向的相關技能。

工業(yè)機器人方向：機械結構設計、電氣控制系統(tǒng)設計、變頻伺服控制技術、工業(yè)機器人編程、PLC控制、運動控制、機器視覺、智能制造、系統(tǒng)集成等。

智能機器人（服務機器人與特種機器人）方向：機械結構設計、機器人操作系統(tǒng)ROS、軟件程序開發(fā)、 運動規(guī)劃、C/C++、Python、MATLAB、機器視覺、SLAM、人工智能、嵌入式控制等。

三、構建以OBE為導向的機器人人才培養(yǎng)模式

OBE（Outcome?Based Education，成果導向教育）理念是一種以學生為中心、以學習成果為目標的先進教育理念，倡導逆向思維構建課程體系。以OBE為導向的機器人人才培養(yǎng)模式，遵循“反向設計、正向實施”原則，堅持“目標導向、以學生為中心、持續(xù)改進”基本理念，從實際需求出發(fā)，反向設計整個體系（人才培養(yǎng)目標→專項能力→課程體系→課程內容），通過持續(xù)改進促使人才培養(yǎng)滿足實際需求（見圖1）。“需求”既是起點，也是終點，從而最大程度地保障了人才培養(yǎng)的質量[7]。

應用型本科機器人人才培養(yǎng)應緊密對接國家、地方和行業(yè)實際需求，服務地方經濟發(fā)展，培養(yǎng)促進產業(yè)發(fā)展的機器人技術應用創(chuàng)新型人才。本文以工業(yè)機器人應用與移動機器人開發(fā)為主線，面向以工業(yè)機器人為主導的智能制造生產線系統(tǒng)開發(fā)與集成設計的工程實踐能力培養(yǎng)，以及移動機器人系統(tǒng)的工程設計、開發(fā)及應用，培養(yǎng)滿足行業(yè)發(fā)展需求、具備良好的人文社會科學素養(yǎng)和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ墓こ碳夹g應用型人才。此外，學生應具備良好的專業(yè)素養(yǎng)，能夠在機器人領域的生產制造企業(yè)以及集成應用公司，勝任機器人集成系統(tǒng)設計、裝調與改造，以及機器人自動化生產線的設計、應用及運行管理等技術或管理崗位。

四、構建多元融合的多層次、漸進式課程體系

以OBE為導向的機器人人才培養(yǎng)模式，需將OBE理念貫穿人才培養(yǎng)方案制定與課程體系構建，明確各教學模塊及課程的專項能力目標，以確保最終達成既定的培養(yǎng)目標。

（一）“思、教、科、產”四融合課程體系建設

以思政為引領，構建多元融合的課程體系（見圖2），將政治認同、家國情懷、科學精神、時代責任、職業(yè)操守等思政元素有機融入課程教學，對學生進行價值引領和人格塑造。課程體系層次分明，涵蓋通識課程、學科基礎課程、專業(yè)基礎課程、專業(yè)課程等多個層次，各層次均設定了明確的思政目標與能力培養(yǎng)目標，旨在促進學生綜合素質與專業(yè)技能的同步提升。以產業(yè)需求為導向，科教融合為動力，積極推動學校與科研院所、企業(yè)的深度合作，開展協(xié)同創(chuàng)新與育人工作。通過深度融合學校教育與企業(yè)發(fā)展，將產業(yè)技術需求有機融入各層次的教學內容和實踐項目，確保學生在不同階段實現不同的素質能力提升。

（二）核心課程群建設

核心課程群由一系列相互關聯、相互支撐的課程組成，共同構建一個完整的教學體系。核心課程群建設是專業(yè)建設和課程建設的重要組成部分，也是基礎性工作。為了明確應用型本科機器人人才的培養(yǎng)目標，需系統(tǒng)性地聚焦于核心課程群的設置（見圖3），包括機器人機構課程群、控制技術課程群、機器人感知課程群、機器人系統(tǒng)課程群和人工智能課程群，全面覆蓋工業(yè)機器人與智能機器人技術的核心知識領域。核心課程群的設置需緊密圍繞專業(yè)能力目標，以確保滿足行業(yè)對人才的需求。

（三）遞進式機器人實踐教學體系建設

實踐教學是應用型本科培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)，能夠幫助學生加深對理論知識的理解，實現理論知識與實踐操作相結合，提高機器人實際操作技能和創(chuàng)新設計能力。設計應用型本科遞進式機器人實踐教學體系建設方案（見圖4），包括機器人認知實踐、機器人結構設計與控制系統(tǒng)設計、機器人綜合實踐三個階段。每個階段可引入PBL項目教學方法[8]，項目來源可以是自擬課題、競賽課題、科研課題和企業(yè)課題，不同階段的課題來源會有區(qū)別，通過各種項目訓練逐步提高學生機器人設計與開發(fā)的能力。

五、結語

機器人人才培養(yǎng)是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要從頂層設計出發(fā)，聯合高等院校、科研院所和行業(yè)企業(yè)等多方力量協(xié)調推進。自2016年東南大學率先設立機器人工程專業(yè)以來，目前全國超過340所本科院校設立了機器人工程專業(yè)，有的學校能夠結合自身科研確立特色方向[9]，有的學校能夠與相關機器人企業(yè)緊密結合聯合培養(yǎng)學生[10]，有的學校在人才培養(yǎng)模式方面不斷創(chuàng)新實踐[11]。但總體而言，我國機器人人才培養(yǎng)的整體水平尚待提升，特別是應用型本科人才的培養(yǎng)，仍需持續(xù)探索與實踐，以更好地滿足行業(yè)需求，為社會輸送更多優(yōu)秀的機器人專業(yè)人才。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 中華人民共和國中央人民政府.十五部門關于印發(fā)《“十四五”機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的通知[EB/OL].（2021-12-21）[2024-03-18].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-12/28/content_566498?8.htm.

[2］ 十七部門聯合印發(fā)《“機器人+”應用行動實施方案》[J].機器人技術與應用，2023（1）：1.

[3］ 王耀南，江一鳴，姜嬌，等.機器人感知與控制關鍵技術及其智能制造應用[J].自動化學報，2023，49（3）：494-513.

[4] 王德生.世界智能機器人產業(yè)發(fā)展動態(tài)[J].競爭情報，2024，20（1）：55-63.

[5] 龍迎春，韓竺秦，曾祥鋒，等.新工科背景下機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系構建的探索[J].高教學刊，2021，7（30）：147-150.

[6] 彭芳，劉保軍，黎萍.機器人相關產業(yè)人才需求分析與人才培養(yǎng)啟示[J].科技視界，2023（5）：129-132.

[7] 張俊逸，馬文靜.OBE理念下機器人專業(yè)應用型人才培養(yǎng)路徑探析[J].科教導刊，2022（34）：48-50.

[8] 彭芳，劉保軍，黎萍.基于PBL的工科專業(yè)課程教學探索與應用[J].教育教學論壇，2018（12）：178-180.

[9] 榮偉彬，李瑞峰，馮培連，等.機器人工程專業(yè)課程建設與探索[J].高教學刊，2022，8（28）：27-30.

[10] 栗琳，鄭莉芳，馬飛，等.產教融合的機器人工程專業(yè)實踐教學體系構建研究[J].高等工程教育研究，2021（4）：88-92.

[11] 劉敏，王耀南，張小剛，等.機器人領域三維協(xié)同育人體系構建與實踐[J].高教學刊，2023，9（22）：1-4.

［責任編輯：梁金鳳］