基于“成果導向”教育理念的機器人工程專業人才實踐能力培養模式探索

申慧敏

摘 要 隨著工程教育專業認證工作的不斷推廣，“新工科”專業——機器人工程專業的人才培養模式還在不斷探索中。針對機器人工程專業人才在理論知識與實踐能力之間存在脫節的問題，本文以“成果導向”教育理念為前提條件，把專業教育成果作為出發點，對機器人工程專業人才實踐教學體系進行了探討，以實踐促學習，激發學生學習興趣，促進教學與產業的接軌。

關鍵詞 成果導向 機器人工程 創新實踐

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.02.017

Exploration on the Training Mode of Robot Engineering Professionals' Practical Ability Based on the "Results Oriented" Education Concept

SHEN Huimin

（School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093）

Abstract With the developing of engineering education accreditation， the personal training mode of the new engineering—robotic engineering is under exploration. To address the problem that the knowledge of theory and practical ability of the students majored in robotic engineering is disconnected， this paper studies the mode of practical ability training of the students majored in robotic engineering base on outcome based education （OBE）. By taking the outcome of professional education as the starting point， we discuss the theory of practical teaching， and aim to promote the learning effectiveness， interest in study and integration with industry.

Keywords outcome based education； robotic engineering； innovative practice

0 概述

我國于2016年正式加入《華盛頓協議》，通過工程認證的專業畢業生在相應的會員國申請工程師執業資質時，將享有與本國畢業生同等的待遇，這一事件標志著我國的高等教育在對外開放上又向前邁出了一大步，標志著我國工程教育質量得到國際標準的認可。目前，全國高校都在積極推廣和開展工程教育認證工作。“成果導向”的教育理念（Outcome Based Education，簡稱OBE）是工程教育專業認證要求所貫徹的三大理念之一。[1]OBE教育理念以所有學生都能夠掌握所學知識為前提條件，把專業教育的成果作為出發點，制定專業教育的課程目標，構建專業教育的課程體系。

目前，第四次工業革命正在國際社會廣泛展開，歐美日等制造強國紛紛提出了“德國工業4.0”、“美國工業互聯網”等戰略發展規劃，以加快本國產業升級改造的步伐。我國也出臺了“中國制造2025”，為加快先進制造業的發展，促進我國產業邁向全球價值鏈中高端提供政策保障。不論是在“德國工業4.0”、“美國工業互聯網”，還是“中國制造2025”，在新工業產業革命浪潮中，機器人技術都處于核心和不可替代的位置。

產業的發展離不開人才的推動，為培育機器人技術相關專業人才，機器人工程專業應運而生，是順應時代潮流發展的“新工科”專業。目前，全國已有85所本科院校的機器人工程專業建設申請獲批，機器人工程專業人才培養模式的探索之路不斷推進。我國在《機器人產業發展規劃（2016-2020年）》[2]中把“加強人才隊伍建設”作為機器人產業發展的六大保障措施之一，并明確提出要加強大專院校機器人相關專業學科建設。機器人工程專業具有較強的實踐性，[3]將OBE教育模式應用到機器人工程課程教學，將更好的激發專業人才的學習興趣，提高專業人才的實踐能力。

1機器人工程專業及人才需求分析

伴隨全球產業向智能化生產的升級改造，機器人產業集多種先進的技術于一體，是推進產業轉型升級不可替代的重要現代智能制造裝備。以先進智能制造為背景，機器人工程集中了精密化、柔性化、智能化、軟件應用開發為一體，已然具備了鮮明的學科特征。機器人作為一個復雜的工程系統，[4]需要綜合運用多學科交叉知識和技術，包括機械、電子、控制和通信等基礎理論知識和技能，涉及合理的機械結構、靈敏的感知認知、準確的動作控制以及和諧的人機交互等。

從國家頂層設計的發展戰略實施和推進，到產業瓶頸解決，都迫切需要大量的機器人專業人才。此外，伴隨著用工成本的增加，“人才紅利”取代“人口紅利”成為我國實現工業經濟發展加速轉型升級的關鍵，由政府全面推廣、企業全力實施的“機器人換人”戰略正在加緊部署。從2013年開始，我國已經連續四年成為全球最大的工業機器人需求市場，預計到2022年，我國機器人產業將發展成為上萬億元產值的產業集群，機器人智能裝備產業面臨前所未有的發展機遇。面對我國機器人產業呈現出的“快速成長”和“國產替代”雙重重要特征，以培養機器人領域復合型高素質技術人才為目標的“機器人專業”，是順應國家建設需求和國際發展趨勢而出現的新興專業。

隨著全球機器人市場的持續快速增長，機器人技術領域急需大量的機器人工程專業技術人才。然而，目前我國機器人領域專業人才主要來源于經過企業二次培訓的各大院校機電一體化或電氣自動化專業畢業生，機器人工程專業人才的短缺已經成為中國智能制造發展升級的瓶頸。教育部發布的《制造業人才發展規劃指南》[5]中指出，到2025年高檔數控機床和機器人領域所需人才總量將超過900萬人，屆時將面臨約450萬人的人才缺口。機器人作為高端智能裝備，從位于產業鏈中上游的機器人本體設計研發和制造到產業鏈下游的機器人系統集成和應用，都迫切需要掌握先進機器人系統裝備機械設計及控制、安裝調試、維護與開發應用等方面的高層次專業技術人才。

因此，對接“中國制造2025”、“上海全球科創中心建設”等國家和地方發展的重大戰略，“機器人工程”專業的廣泛開設，培養具有機械工程、控制科學與工程和計算機科學與技術交叉學科背景，具有扎實基礎、知識面寬、實踐能力以及創新意識強，能夠從事機器人相關領域工程設計、技術開發、系統運行與維護以及產業應用等工作的高素質、國際化、復合型應用技術人才，符合國家和行業發展以及學科建設需求。

2機器人工程專業畢業要求

隨著機器人工程專業在全國高校開設，專業人才的培養目標和課程體系的構建應面向畢業要求，體現新工科內涵。機器人工程專業人才的培養要基于多學科交叉特性，涵蓋機械工程、控制科學與工程和計算機科學與技術，堅持“工程型、創新性、國際化”的人才培養理念，探索培養德才兼備、國際視野、胸懷國家，具有扎實基礎、知識面寬、實踐能力以及創新意識強，符合社會和行業發展需求，能夠從事機器人相關領域工程設計、技術開發、系統運行與維護以及產業應用等工作的高素質、國際化、復合型應用技術人才。

從機器人工程專業人才培養的目標出發，對標12條工程教育認證畢業要求，機器人工程專業的本科畢業生在走向社會時，應該能夠達到如下畢業要求。

（1）基礎工程理論知識儲備：能夠將自然科學、數學、專業知識和工程基礎用于解決復雜機器人系統裝備的開發設計、生產制造及過程控制等工程問題。

（2）問題的分析和推理能力：通過運用自然科學、數學和機械工程科學的基本原理知識進行識別和表達機器人設計、制造及控制過程中的關鍵問題，并能輔助文獻研究對其進行分析，從而得到有效合理的結論。

（3）開發和設計解決方案制定：針對復雜機器人系統裝備領域的復雜工程問題，制定相應的解決方案，并根據用戶的具體需求，研發出特定的機器人系統裝備，能夠在實際的開發過程中體現出創新意識。

（4）科學研究：能夠基于基本的科學技術原理，通過運用科學的方法和技術手段對機器人工程領域的工程問題開展科學研究，進行系統的性能分析，設計具體實驗流程、能夠通過對實驗數據進行分析與推理，通過信息的綜合得出有效而合理的結論。

（5）先進工具的使用：針對機器人工程領域出現的復雜工程問題，會自主開發、選擇與使用合理的現代化的技術、資源、工程工具以及信息技術工具等，對機器人系統的設計、制造及控制過程進行模擬，并獲得合理的預測結論，對模擬的局限性能夠合理認識。

（6）工程與社會：基于機器人工程領域的基礎理論知識，對機器人系統的設計、制造和產品使用過程可能對社會、健康、安全、法律及文化產生的影響，能進行合理的分析，并采取合理的手段對不利影響進行減弱或歸避。

（7）環境和可持續發展：能夠前瞻性地針對機器人工程領域復雜工程問題的生產制造過程和產品實際使用可能對環境以及社會的可持續發展產生的影響進行評價和解釋。

（8）職業操守和規范：具備一定的人文社科素養，具有社會擔當和責任感，在機器人產品設計、制造及應用中，恪守工程職業的道德規范，履行應盡的職責。

（9）個人與團隊：針對機器人工程學科具有的多學科交叉特性，能夠在團隊中肩負起多重角色，包括隊員、負責人等。

（10）溝通與協調：針對機器人工程領域復雜工程問題，能夠進行跨文化背景的溝通和交流，并通過報告和設計文稿、陳述發言、清晰表達或回應指令等多種方式，與業界的同行、社會公眾開展有效的溝通和交流。

（11）項目管理：能夠理解和掌握一定的工程項目管理原理與經濟決策方法，實現多學科交叉環境的靈活應用。

（12）終身學習：從適應專業發展和推進自身發展的角度，具有較強的自主學習意識和終身學習意識。

我們將以上畢業要求作為機器人工程專業人才培養的出發點，培養能夠從事機器人軟硬件、機器人系統、智能制造以及相關領域的科學研究、技術開發、應用及管理工作的優秀機器人工程專業人才，使他們發展成為機器人工程及智能制造系統應用領域的工程技術人員。

3基于OBE理念的實踐能力培育方案

根據工程教育專業認證的通用標準明確，工程專業學生培養方案中工程實踐和畢業設計所占總學分的比例要高于20%。機器人工程作為一門實踐性較強的專業，為了更好地啟發學生的學習積極主動性，有效地提高學生掌握專業知識的能力，必須要加強機器人工程專業的實踐教學環節。基于“成果導向”的核心教育理念，從機器人工程專業學生的實際畢業要求出發，對應機器人工程專業的具體能力要求，對應能力培養設置課程功能模塊。將課程基礎理論知識與實踐有機結合，構建貫通的機器人專業教學體系，并最終獲得較好的教學效果。[6]

典型的機器人系統包括機器人本體設計以及控制軟件開發，涉及機械設計、測試與控制、軟件開發等學科交叉。從OBE理念出發，機器人工程專業人才的實踐能力培養要實現以下兩方面：

（1）機器人本體結構設計能力：綜合運用機器人技術理論知識，包括機器人運動學、動力學等，配合控制系統，完成機器人執行機構的設計。

（2）機器人系統軟件開發能力：掌握基本的開發語言環境，包括C語言程序設計、單片機接口設計、嵌入式（ARM）系統[7]等，并在如Arduino等開源硬件[8]上實現應用。（下轉第79頁）（上接第44頁）

在實踐教學中，以項目為導向，激發學生學習興趣，幫助學生建立機器人系統整體開發概念，并更好的與工程實踐接軌。此外，構建多層次實踐教學體系，包括入門學習、強化應用、競賽挑戰等，滿足學生多層次的學習需求。

4結束語

作為新工科專業，我國高校在機器人工程專業的人才培養模式還在不斷探索中。針對機器人工程專業具有的極高實踐性，在專業人才培養中，堅持“成果導向”教育理念，以畢業要求為出發點，通過構建多層次教學體系，培養學生的實踐能力。幫助學生打下牢固的機器人基礎理論知識和專業知識，提供多方支持和渠道，以實踐促學習，激發學生的學習興趣，提高學生的技術應用和實踐操作能力。探索培養德才兼備、國際視野、胸懷國家，具有扎實基礎、知識面寬、實踐能力以及創新意識強，符合社會和行業發展需求，能夠從事機器人相關領域工程設計、技術開發、系統運行與維護以及產業應用等工作的高素質、國際化、復合型應用技術人才。

參考文獻

[1] 申天恩，斯蒂文；洛克.論成果導向的教育理念[J].高校教育管理，2016.10（5）：47-51.

[2] http：//ghs.ndrc.gov.cn/ghwb/gjjgh/201706/t20170621_851920.html.

[3] 吳文強，朱大昌，江帆，等.機器人工程專業創新型人才培養方案探索[J].高教學刊，2017（15）：43-45.

[4] 董翠敏，劉永強.以機器人教育為平臺培養大學生創新意識和能力[J].實驗室研究與探索，2011（9）：257-258+334.

[5] http：//www.miit.gov.cn/n1146290/n4388791/c5500114/content.html

[6] 郭東亮，保延翔，劉樹郁，等.綜合性大學自動化專業機器人實踐教學體系探索[J].實驗室研究與探索，2017.36（3）：212-216.

[7] 宮小飛，陳富林，馮帥.基于ARM嵌入式機器人控制系統的研究與設計[J].機械與電子，2017（12）：72-76.

[8] 鄧欣，王進，于洪，等.開源硬件在“智能機器人”實踐課程中的應用[J].計算機教育，2015（18）：105-110.