“新工科”背景下機器人行業實踐型人才知識構建與培養方法探討*

王 高，葉文生，柳 寧

（暨南大學信息科學技術學院/機器人智能技術研究院，廣東廣州 510632）

在當前國內機器人應用迅速普及、機器人產能擴張、國產品牌機器人進入規模應用的大背景下，國產工業機器人的伺服驅動、RV減速機等關鍵零部件還沒有實質性突破，但已有大量的國產機器人控制系統面世，并進入產業化發展軌道。機器人控制系統的研發工程師需求量大，但機器人技術是一種涉及機械、計算機、電子、自動控制等學科的綜合技術，絕大部分高校都沒有機器人專業，目前在崗的機器人控制系統研發工程師都是實踐中成長起來的，水平、能力成長周期差異較大，企業必須考慮這種綜合人才的培養與使用問題，高校對于這類人才的早期培養及塑造作用愈發明顯。

教育部適時提出面向工程教育改革創新的“新工科”概念[1]，將新興產業領域極具產業化特色的機器人、智能制造羅列其中。基于國內目前與機器人相關的專業課程設置，實質是雜糅了機械、計算機、電子、自動控制等學科的綜合體，培養體系和目標還不明晰，建設機器人/智能制造學院等面向新興產業領域的產業化學科集群時機尚不成熟。

“新工科”對人才培養目標的定位由學生個體發展、工程本質屬性、社會需求及國家意志所決定[2]。新工科的出現將變革或顛覆原有工科知識體系，是面向未來的工程教育。面向工業機器人控制器研發的工程師培養定位。本文著力探討“新工科”背景下的實踐型研發人才知識框架構建和結構模型分析，及基于該框架下的本科生“工程師目標”培養方法。基于某校工業機器人控制器軟硬件研發多年來人才培養經驗及教訓，列舉人才培養中面臨的一些問題，提出面向應用的培訓指導方案，希望能夠拋磚引玉。

1 工程知識構建需求及實現途徑

高等教育中的工科是培養大批工程人才重要學科門類，美國工程與技術鑒定委員會（A-BET）在《工程標準2000（EC2000）》中所提及的本科工程教育人才培養標準第一條即“具備運用數學、科學和工程知識的能力”。工程知識是關于工程原理與規律、技能和能力等方面的知識[2]，其來源于工程實際，對工程能力的培養尤為重要。本科生獲取工程知識可通過系統學習和參與科研活動：系統學習是基本要求，參與科研是必要條件。

任何知識均由元知識、核心概念、基礎理論、派生理論以及研究范式等構成。想要系統了解一個新的領域，必須清楚它的理論基礎、核心概念、理論發展、研究范式。工業機器人控制系統也不例外，采用溯本求源、經典教材學習、文獻綜述等方法可從根本上解決基礎知識架構，但解決機器人控制應用的實際問題還需要“專業知識+應用場景”的歷練過程，如何做好二者的銜接是人才培養的核心部分。依據知識構建理論及工程知識特征[2]，學生對工程知識的認知是基于原有認知圖式逐步建構起來的，其建構過程需要關聯工程實踐的直觀感受，并伴隨連續地知識反饋驗真。這個過程不可能一次完成，有同化或順應，也可能有逆反或碰撞，要經過多次迭代，才能完成關聯與綜合、漸進、逐步升華的過程，具有其特定的建構規律。

圖1 工程知識構建的一般途徑

從工程知識到工程能力的轉化過程，國內外高校一般采用本科生參與科研的方法，其主要形式體現為：其一，學生作為學徒參與教師牽頭的研究小組，在其中擔任研究助理；其二，由學生自己提出項目方案，包括研究性項目、工程設計項目以及公眾服務性項目等，根據方案向學校申請研究資金。由于學科背景與內涵的差異，前者更適合“新工科”特色，以教師為主導、應用需求為導向、產業化為目標。從知識到能力的轉化，嚴格樹立起學以致用、對社會做貢獻的精神，倚靠應用研究手段、落地產業成果。

未來，工業機器人控制系統的研發不是簡單的經驗傳承，是信息、材料、物理等多學科的交叉，屬于典型的跨界交叉融合學科，通過跨界釋放高能，輻射出比傳統機械、自動化、計算機更大的能量，從而走向智能制造階段[10]。彈性設置教學計劃，豐富教學手段，增設具有跨學科性質的輔助課程，促進專業課程與輔助課程緊密結合，融合教學內容和研發工具，使專業知識群模塊與研發所輔助課程模塊有機關聯。如機器人工程或智能制造系統即是一個跨機械、信息、自動化、材料等專業的綜合性學科群，具有強烈的“新工科”屬性，具備提供可行性方案、系統集成、研發等功能；而機器人學則是研究機器人剛體組成的相互關系，主要涉及數學、控制理論、動力學等理論領域，具備輸送應用基礎理論的功能。

實現工業機器人在具體行業上線服役是檢驗工程師知識構建質量和工程能力轉化的基本途徑。未必要求工程師具有全部開發、實施技能，但在整體項目實施過程中，必須具有全局視野，懂得模塊協同原理，完成自身工作。

2 機器人控制系統研發人才需求

由前述可知，工業機器人控制系統研發人才屬于復合型人才，不僅需要精通機械、自動化、計算機等學科基礎知識，更要對系統科學和行業專門知識熟稔，高級研發人才還應具備知識體系間交叉、融合的遷移相關情境性知識和歸納經驗性知識。這類人才是一種稀缺資源，從專業基礎知識體系構建向專業能力的遷移需大量實踐積累，其培養過程需要大量人力及資源耗費。

現階段，國內高校少有機器人專業，企業自然沒有對口的機器人控制系統研發工程師來源。崗前培訓、在崗培訓成為重要環節，高級崗位工程師則要進行跨專業、長周期的培養。從企業角度出發，用人成本與用人效率始終是一個重要議題，培養過程也是以提供機會、搭建平臺、師徒傳承方式為主。用（使用）與養（培養）結合是當前主要模式。從解決社會及公司人力成本支出角度看，工科高校所承擔起的研發人才培養任務，是體現高校服務社會價值屬性的支撐點。

崗位研發人才的技術需求包括：（1）計算機技術，包括：嵌入式計算機原理、實時操作系統、C/C++語言與數據結構；（2）數字控制技術，包括：數控原理、自動控制原理、計算機控制技術；（3）機器人技術，包括：機器人運動學、機器人動力學、機器人力控制；（4）信號與信息處理技術，包括機器視覺、系統辨識、信號處理與信息融合等。從需求等級來看，機器人控制系統研發崗位可劃分為初級崗、中級崗和高級崗，如圖2所示。其中：

（1）初級崗應掌握工程知識基礎，具備模塊開發、調試或集成的能力。體現為：通過培訓及自主學習掌握行業知識、技能，能夠解決技術問題、自主完成任務。

（2）中級崗應具備專業場景下合理運用工程知識的能力，具備算法集成、優化和模塊集成能力，可分析具體問題，并給出客觀技術方案。

（3）高級崗應具備制訂并實施工程方案的能力，規劃具體技術路線、設計關鍵算法模型及接口并制訂系統級評測框架。

理順機器人控制系統研發工程師的崗位能力要求，合理安排研發工程師崗位與人力資源配置，充分發揮高校學科平臺的引導作用，探討研發工程師在崗的培養方法，是加速機器人控制系統研發人才培養的關鍵。

圖3 機器人、智能制造系統所涉及知識體系構建

圖2 機器人控制系統研發人才崗位需求簡表

3 知識結構模型分析及教學實踐優化

建構主義學習理論強調“教學過程的邏輯是學科的邏輯與學生掌握教材的心理活動的‘合金’”。學無定式、教無定法，由于學生個體存在差異，教學實踐與理論設計無法完全吻合，但最終目標是激發學生興趣、增強主動學習意識、加深內容理解，并實現分析、創新、協作等綜合能力的養成。我們調研了部分國內工科高校工科教學法的實踐經驗，歸納為以下方面：

（1）基于課堂教學的知識體系創新。這是對專業邊界的重新審視與再設計，是新工科知識架構的創新及對原有工程知識體系的改革[3-4,7]。以教師為主體進行。

（2）基于課外科技創新活動及科研實踐[6,8,11-12]。這是原有理論知識體系和實踐效果的轉化與碰撞，依賴教師與學生的互動。

（3）自主社會實踐與科研訓練計劃的實施[5,9]。這是一種目標明確的專業技術訓練與素質養成，主要是學生自主/自覺，且以項目需求驅動。

需要強調的是，面向機器人系統研發的工程知識具有綜合性強、形式多樣、涉及面廣、邏輯關聯性和遞進性、實踐性/情景性等特點。學生對其認知必然基于原有知識框架并逐步構建出輪廓漸清的工程認知體系[9]。機器人工程的復雜屬性決定了知識構建過程必須經過不斷綜合、反復演進的構建過程，經過多輪迭代、反復驗證，完成漸進升華。工程知識的構建是為工程能力的形成服務的，其構建過程也體現相關學科知識群融合、理論與工程實踐關聯的過程，脫離工程情景，即失去了構建的意義。

高校機器人工程平臺建設在教學實踐設計上應注重從基本層面的學科知識點向知識面演進，形成機器人固定知識體系，并結合應用情景將工程知識轉化為工程能力。根據文獻[3]中關于工程知識構建過程的示意圖，結合工業機器人、智能制造相關專業知識，基于本科教育體系課程設置規劃出工程知識構建模型，如圖3所示，并對工程能力的形成進行解讀。具體探討以下幾點：

（1）基于機器人控制系統研發的系統教學，實現工程知識框架的初步構建。一般工科課程設置的學科基礎課和專業基礎課作為知識點鋪墊于前，通過考試/考核手段檢驗掌握程度。

（2）以工程知識的融合和再造為目標，賦予其新的工程內涵，以實踐推進為手段，將全虛擬仿真、半物理仿真、全實物控制引入相關課程實驗，建立一體化、全貫通的平臺實踐環節。

（3）根據教學/培訓內容和崗位培養階段要求的不同，采用遞進式項目開發訓練，在試錯平臺上進行各種機器人工作情景調測訓練，依賴不斷增強的仿真手段和半實物控制器優化，強化工程知識構建到工程能力遷移的效果。

總之，實踐型人才的能力包括3個方面，知識框架與學習能力、技能與實踐應用能力、見識與職業閱歷。對機器人控制系統研發工程師來講，知識框架包括計算機知識、自動控制知識、機器人知識、信號與信息處理知識，其中，計算機與自動控制是基礎知識，機器人與信息處理是專業知識。在計算機領域，學習新技術的能力要求更為明顯，基本上5年一代計算機技術更新，要求從業者要有強烈的進取心和學習能力；技能包括C程序開發技能、嵌入式系統/工控機開發與調試技能、機器人檢測與標定等。技能的實踐應用能力是指解決研發過程中不確定問題的能力。見識與職業閱歷是決定工程師職業技術水平高低的核心要素，它包括研發項目調測經歷、關聯技術領域寬度與深度、項目應用中的問題反饋與解決響應。

表1 機器人控制系統研發工程師應掌握的“新知識”體系

機器人控制系統研發工程師的知識領域涉及計算機、自動化、機械與信息4個學科，知識體系龐大，但從應用開發的角度來看，機器人控制系統研發工程師應掌握的知識點可歸納成表1所示“新知識”體系。

因此，融合計算機視覺和運動控制的新型研發工程師應該具備更廣闊的專業視野和開發素養。這就要求新的機器人開發實踐平臺和具有學科交叉綜合專業素養的教師共同承擔人才培養任務。

4 研發人才培養面臨的問題

工業機器人近幾年才大規模進入中國制造業，其中國產機器人產業近幾年蓬勃發展。由于國內高校少有機器人本科專業，20世紀90年代初機電一體化技術所催生出的機械電子工程本科專業將機械與控制專業融合，針對機電一體化技術發展的要求，增加自動控制與計算機控制課程，滿足機電一體化系統的設計與制造技術崗位的需求，可視為機器人工程近專業。目前在崗的機器人控制系統的專門研發工程師均是轉行、自學或機器人相關方向研究生成長而來，成才周期長，質量與水平參差不齊，遠不能滿足行業發展需求。“新工科”常態下的工程人才不能復刻，只能造就。精深、扎實的專業知識，應該注入“新”的元素。

機器人不僅是機電一體化產品，而是基于機電一體化系統，集成了信息技術與智能控制技術，技術體系更加龐大和復雜，技術融合度更高，且作為智能制造的代表，更容易吸收最新技術，如3D視覺、多傳感器融合、智能決策等，這些技術的落腳點全部集中在控制系統上。相應地，機器人控制系統的研發工程師，特別是高級崗位研發工程師勢必要求掌握信息技術與智能控制技術。也就是說，機械電子工程是機械與自動控制的融合，機器人則是機械、自動控制和信息技術的融合。機械電子工程專業為掌握機械與控制技術，本科學制設置5年，如果設立機器人本科專業，且按機器人技術體系安排教學內容，機器人本科專業學制可能延長至6年，學制太長，顯然不符合學科發展實際。

用人企業在研發崗位的安排上會作技術領域的細分，機器人的運動控制、動力學控制和力控制以機械類或控制類專業背景工程師為主，機器人的信息感知與決策控制則是以信息類專業背景工程師為主，而計算機技術則是這些崗位的基礎知識與技能。但是，機器人控制系統的高級研發人才需要全面貫通機器人相關的機械、自動化、計算機、信息等技術領域，如何培養這類人才是高校和企業共同面對的重中之重的問題。

依靠數學、物理、電子電路、單片機嵌入式等基本課程養成學生的基本專業素質；依賴專業教師“學徒制”塑造工程研發能力[7]，這些完全依賴課程或教師本身的做法，時間成本過高，對教師的專業全面性要求也高。如何科學、合理安排相關專業知識、技能教學環節，如何將其有機結合并形成“新知識”體系是考量“新工科”轉型的關鍵因素。

圖4 機器人控制系統研發/培訓平臺的基本組成架構

5 研發人才使用與培養方案探討

智能制造及機器人行業人才是國家實體經濟發展的柱石，是中國跟隨時代發展的精英角色。高校必須承擔起培養任務，而不能完全推給社會培訓機構或公司任其自由發展。這不僅造成行業人才流失，還會導致社會資源浪費。深化科教結合、產教融合、校企合作的“新工科”人才培養模式改革，建立高校機器人研發平臺，承擔起機器人研發人才的發掘、培養任務是當前“新工科”教育的初衷。

為建立實踐型工程人才培養的路徑，形成以創新-創業為導向的培養模式；形成推動創新-創業成果轉化應用、產學研用緊密結合的體制和機制。智能制造和機器人行業人才培養亟待打破固有機械、自動化與控制、計算機、材料等學科領域界限，形成多學科交叉融合特征的工程人才培養模式。

基于某單位目前課程體系現況，擬開設跨學科選修課程，更新原有教學內容，探索面向復雜機器人工程問題的課程和教學模式。對教學/培訓團隊指導教師、新入門學生、熟手學生間應建立有機合作關系，各負其責、各司其職，教學相長，學生在專業技能進步的同時，教師也應在前沿技術跟蹤、技術發展趨勢方面建立正確的理念，因此建立一套科學、有效的研發培養/交流體系勢在必行。對應前文提出的機器人控制系統研發崗位的三級劃分需求，以下從崗位對應三階段分別對人才培養方案進行總結：

（1）初級階段。初級階段是成長最明顯的階段，需要完成由新手到合格工程師的轉變，增加成長動能、提高成長速度，快速將工程知識轉化為工程能力，完成開發試錯的全階段經歷。一要培養其勤學、多思的習慣；二要培養其職業習慣，如工具規范、技術文檔整理；三是向職業化轉變，負責、守時。本階段可總結為技術原則及職業素養的成型期。

（2）中級階段。中級階段能夠負責并解決獨立問題。基于初級階段部分技術積累和解決簡單問題的經驗，應安排其獨立完成具體算法的開發與調試，解決關鍵技術問題；培養其從更廣闊視角審視問題，需要對產品負責，對團隊進度負責；培養其對產品技術的理解、對當前技術方案的優化能力；關鍵是培養其具有整合資源開發，合理安排自行攻堅任務和第三方技術支援。

（3）高級階段。高級階段應負責核心技術、決定技術全局、規劃發展方向。該階段應采取對人才的引導和協商方式，盡量創造機會增進其對產品技術領域的縱深認識，使其對技術方案有清晰的認識和實踐經驗。作為技術帶頭人，不僅自身應有強大的技術儲備，還要有前瞻的研發思路和敏捷方案，并能夠對技術熱點和開發可持續性保持敏感。

這三階段培養內容對應機器人研發崗位的人才需求。能力的進階與崗位的升級并非被動進行，這也是培養人才的關鍵：主動、積極、熱愛本職工作，主動發起能力進階，積極學習與積累，承擔更多的任務與責任。

機器人控制系統開發的試錯環節意義重大，盡量讓試錯環節提前在高校研究平臺解決，盡可能多的設置試錯環境和試錯手段，這是提高或催熟高質量工程師的珍貴經歷。這就對教育者、培訓者提出了非常高且非常實際的問題，如何基于現有高校資源給出合適的培養平臺和方案。結合本單位實際，本文給出機器人控制系統研發/培訓平臺的基本組成架構如圖4所示，三層架構中，第I層安排了實物機器人原型和虛擬機器人原型，用于建模、標定、集成開發及后續演示/培訓；第II層給出了PC-Based和DSP-Embedded兩種開發環境，自主開發及外購硬件靈活選擇，直接驅動實物機器人和虛擬機器人（HIL，硬件在環模式），并采用Vision系統的數據交換、數據變換、數據融合[13-16]完成運動與視覺的融合；第III層通過平臺開發/集成，進行運動、模型、幾何、任務等技術與知識抽象，落實具體開發細節，服務人才培養，同時根據機器人結構、功能、數據、行為模型劃分出不同行業領域的應用，可直接服務應用廠家。

6 結束語

機器人控制系統研發人才的技術領域要求寬、涉及機械、自動控制、計算機及信息處理等學科領域。國內在2016年之后有24所招收“機器人工程（080803T）”四年制工學本科專業的高校，2017年已增至60所，涵蓋“雙一流”建設高校及高職院校。這說明國家層面對機器人及智能制造行業的重視和教育“實踐化”回歸。高端研發人才依靠實踐培養，通過崗位分級、輪崗與調崗、師徒傳承和產學研合作，是目前解決機器人控制系統研發人才培養的可行方案。

通過對工業機器人控制系統研發人才的知識結構、能力框架及培養平臺建設等方面的分析，初步建立起基于當前工科專業知識體系的人才培養及發展方案，其核心在于團隊對數控及機器人技術的積累和產業研發成果的落地。基于當前企業對機器人控制系統研發人才需求分析，量化了知識結構模型并對教育實踐過程進行優化；基于人才培養難的問題，給出了細化的培養方案，并根據我單位平臺條件給出了三層架構的培訓/培養平臺；通過平臺建設與知識/技能培訓兩大抓手，將機器人控制系統研發人才培養工作落到實處，期望培養出一批知識根基牢固、研發視野廣闊、開發功底過硬的工程師，為我國本土機器人控制器關鍵零部件技術及產品發展提供人才資源。