新工科背景下機器人本科專業人才培養模式初探

熊根良 萬偉民 張華 李玉龍

摘要：在新工科背景下，從地方綜合性“211”高校對機器人專業人才培養目標和需求出發，提出了以機器人大賽為基礎、以“機器人特色班”為組織形式、以“卓越工程師計劃”為參考、以校企聯合培養為主線，形成集競賽、科研訓練、創新創業、企業實踐、理工醫多學科交叉融合的機器人本科生培養模式，并搭建與之相適應的機器人專業人才培養實踐平臺。為機器人以及其他工科專業人才培養模式進行有益的探索。

關鍵詞：新工科；制造2025；機器人特色班；培養模式

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）31-0132-05

一、引言

在國家實施創新驅動發展戰略的背景下，“中國制造2025”被提出。工業機器人是重構制造業戰略格局的切入點，是打造智能制造裝備平臺的必經之路，是先進制造業中不可替代的重要裝備，是“中國制造2025”的核心內容。工業機器人代表智能制造業的先進技術，是新興產業方向，對我國工業進步和社會發展起著重要作用。

2017年2月14日，教育部、人力資源和社會保障部、工業和信息化部聯合印發了《制造業人才發展規劃指南》（以下簡稱《指南》），在《指南》中，最引人注目的是其列出的制造業十大重點領域人才需求預測[1]。在這份預測中，高檔數控機床和機器人領域位居制造業十大重點領域第3位，僅次于信息技術產業和電力裝備產業。

《指南》的印發，一時間引起了社會各界對于工科教育的廣泛關注，“新工科”概念即被提出[2]。2017年2月18日，教育部在復旦大學召開了高等工程教育發展戰略研討會，與會高校對新時期工程人才培養進行了熱烈討論，共同探討了新工科的內涵特征、新工科建設與發展的路徑選擇，簡稱“復旦共識”[3]。2017年4月8日，教育部又在天津大學召開新工科建設研討會，60余所高校共商新工科建設的愿景與行動。簡稱“天大行動”[4]。2017年6月9日，新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議在北京會議中心召開。簡稱“北京指南”[4]。

從“復旦共識”到“天大行動”、再到“北京指南”，新工科建設“三部曲”起承轉合，激起廣泛關注和共鳴[5]。

二、新工科背景下機器人及機器人專業人才需求分析

（一）機器人需求現狀

在當今產業轉型升級不斷深入、人口紅利逐步減弱的背景下，工業機器人應用范圍越來越廣，“機器換人”在逐漸變成工業制造的一種趨勢，成了工業進化中“時尚”的代名詞。最新的國際機器人聯合會數據顯示：2016年全球工業機器人銷量約29萬臺，同比增長14%，其中中國工業機器人銷量9萬臺，同比增長31%。2016年底中國機器人產業聯盟公布的《2016年上半年工業機器人市場統計數據》顯示：2016年上半年國內機器人企業累計銷售19257臺機器人，較上年增長37.7%，增速比上年同期加快10.2%，實際銷量比上年增長70.8%。我國工業機器人市場規模已經位居世界第一，未來十年，預計中國機器人市場還將至少保持30%以上的高速增長。

中國已經成為工程機械制造大國，但與歐美、日韓等國家仍然有較大差距，接下來必然要向高技術含量和高附加值的方向進行轉型，向制造強國邁進，這需要更加精密的加工與制造手段，工業機器人代替人工將成為發展趨勢。

中國社科院發布的《2014中國社會藍皮書》稱，未來10年我國面臨人口老齡化轉型。相比人力成本，近年來機器人的性價比優勢日益凸顯。與此同時，機器人還能夠在惡劣、危險以及重復等特殊、不宜于人工作的環境中進行作業，具有人工勞動力所不具備的優勢。在這種背景下，機器人行業的從業者也必將成為企業爭奪的重點。

（二）機器人專業人才需求分析

根據《指南》，到2020年，新一代信息技術產業、電力裝備、高檔數控機床和機器人、新材料將成為人才缺口最大的幾個專業，其中高檔數控機床和機器人專業人才缺口將會達到300萬人。到2025年，高檔數控機床和機器人專業人才缺口將達到450萬人。

此外，對于機器人企業來說，機器人專業人才的需求也是多層次的。而如果根據職能劃分，一般的機器人企業內部的技師級員工，大概可以分為四個工種：工程師助手、機器人生產線的試產員與操作員、機器人總裝與調試員、機器人保養與維護員。這種因技術水平差異而形成的崗位層次分級，不僅已在部分大企業內部逐步凸顯，更預示著一個新機器人技工群體的崛起。事實上，機器人技工的層次分野早已在部分應用技術較為成熟的企業內部形成。

為了滿足企業對機器人技工的需求，不少高職院校抓住這一契機開設機器人相關專業。2010年，常州機電職業技術學院開設了一個新專業——工業機器人應用，成為首家開設這一專業的職業院校。據統計，截至2014年，全國有9家職業院校以工業機器人應用這一專業進行獨立招生，120多家職業院校開設了與機器人相關的專業方向。

據此，中職或高職學校機器人相關專業學生在經過機器人技術專業培訓后成了制造企業的“香餑餑”。中國制造2025，要落到實處并產生效果，關鍵還在于人才。中國制造不僅需要大批技能高超的技工隊伍，更需要科技領軍型人才。由此，在制造2025的背景下，在產業轉型升級不斷深入、人口紅利日益減弱的情形下，工業機器人技術及應用范圍越來越廣，在本科生中開展機器人相關專業的人才培養是迫切需要的，也是新工科教育面臨的挑戰。

三、機器人本科專業開設現狀及人才培養存在問題分析

（一）高校機器人本科專業開設現狀

近年來，許多高校都開設了與機器人相關的專業和課程，教學底蘊和師資力量也各不相同[6]。但真正作為一個系統的本科專業，直到2016年9月，東南大學才開設全國首個機器人本科專業，招生30人，而且課程與自動化專業沒有任何區別，兩年后（即2018年）根據志愿及學業狀況進行專業分流。在2018年第六屆中國機器人教育行業高峰論壇上北京大學指出將設立機器人工程本科專業。相對于開設機器人本科專業來說，成立機器人學院的高校倒是為數不少。例如，2015年10月由東莞松山湖國際機器人研究院、廣東工業大學、東莞理工學院和香港科技大學機器人研究所等四方合作共建的機器人學院成立。2015年10月，東北大學、中國科學院沈陽自動化研究所、沈陽新松機器人自動化股份有限公司簽約合作組建國內“985”高校首個機器人科學與工程學院。2016年4月26日，湖南大學機器人學院成立，學院由湖南大學電氣與信息工程學院、湖南大學機械與運載工程學院、湖南大學信息科學與工程學院、湖南大學設計藝術學院等學科通過融合、滲透組成。2016年5月19日，北京聯合大學成立機器人學院，該學院是全國首個機器人專業的全日制本科二級學院。

除此之外，電子科技大學創造性地提出集機器人競賽、科研、創新與產業于一體的機器人特色實驗班培養方案，并搭建與之適應的機器人創新實踐平臺，在人才培養方面取得了豐碩的成果[7]。

綜上所述，雖然許多高校都開設了機器人技術相關的課程或者專業（如機器人學，自動化專業等），但還未形成系統、全面的機器人工程專業培養方案和大綱[8-12]。因此，開展機器人工程專業本科生培養，培養機器人工程專業人才，更好地為中國制造2025服務，成為本科院校迫切希望解決的問題。

（二）機器人本科專業人才培養存在的問題

目前，我國機器人專業人才培養存在的問題如下。

1.機器人本科專業人才培養缺失。國內重點高校和科研院所主要培養機器人專業研究型人才（碩士、博士），如哈爾濱工業大學、北京理工大學、上海交通大學、中科院沈陽自動化研究所等“985”高校和研究所都有相應的機器人研究所、實驗室，卻均沒有開設機器人本科相關專業。而不少職業類院校開設了工業機器人應用專業培養機器人專業人才，但這類院校培養的人才一般定位于工業機器人的簡單維護和操作。由此可見，在整個機器人專業人才培養過程中缺少了本科專業人才培養這一重要環節。

2.理論教學與實踐教學脫節。國內工科院校中雖然許多課程都涉及機器人專業知識，但大多只進行基礎理論教學，沒有與之相應的實踐教學。例如《機器人技術》是一門實踐性要求強于理論性教學的課程，但很多學校在進行本課程教學時，教學內容主要是講授機器人的基本理論知識，如坐標變換、運動學、動力學的分析計算、軌跡規劃、控制等，內容抽象難懂。而相應的實驗環節很難開展，即使有的學校有教學用機器人，由于各種原因，學生只能了解機器人機械結構和觀看演示性實驗，而不能全面認識機器人系統，更難實現獨立操作。因此，在新工科背景下，需要將理論教學與實踐教學環節相融合，激發學生的學習興趣。

3.課程安排不合理，實踐類課程仍顯薄弱。目前，大部分專業的培養方案課程安排都是按部就班式的，大一、大二學習數學、物理、英語等基礎課，大三、大四學習專業課。這導致很多學生在大學的前兩年僅知道自己的專業名稱，卻不知道自己的專業將來能干什么和需要具備哪些專業知識。到大三、大四開始接觸專業課程時，有些學生開始考慮考研、出國留學或者找工作，導致學生專業知識掌握不扎實。此外，就整個專業的培養方案來看，特別是工科專業實踐類課程顯得較為薄弱，主要的實踐類課程分為認識實習、金工實習、生產實習、課程實驗部分、畢業實習和畢業設計，這樣的實踐安排導致課程之間的知識是零碎割裂的，學生在上課階段可能對知識點還比較熟悉，但在遇到需要綜合運用所學知識來分析、解決問題時就不知所措。因此，合理安排理論課程教學，增加實踐類課程也是人才培養方案中需要改進和完善的。

四、機器人本科專業人才培養方案探討

南昌大學作為地方性“211”本科院校在機器人教育方面起步較早，于2002年2月成立了以潘際鑾院士為學術委員會主任、張華教授為實驗室主任的江西省機器人與焊接自動化重點實驗室，研究方向是機器人技術與焊接自動化裝備，已形成以機器人技術為主、多學科交叉、多層次人才培養與科研基地。并且于2005年創立了南昌大學機器人隊，作為大學生創新創業團隊，以每年的亞太大學生機器人大賽、中國教育機器人大賽等學科競賽為主導，借以培養學生的思維能力，鍛煉其實際動手能力，增強學科專業知識綜合應用，促進團隊協作等方面的能力，并在往屆的中國教育機器人大賽和全國大學生機器人大賽中取得特等獎、一等獎等優良成績。經過10多年的發展，南昌大學機器人隊已經培養了600多名本科學生，其中大部分考取了碩士研究生乃至博士研究生，不少學生成了企業中的技術骨干。

在“新工科”和“中國制造2025”背景下，以及南昌大學10多年的機器人實踐教育經驗來看，作為地方性“211”本科院校，馬上成立機器人學院或設置機器人本科專業可能存在困難。但基于現有基礎，本文提出以機器人大賽為基礎、以“機器人特色班”為組織形式、以“卓越工程師計劃”為參考、以校企聯合培養為主線，形成集競賽、科研訓練、創新創業、企業實踐、理工醫多學科交叉融合的機器人本科生培養模式（圖1所示）。可以為將來設立學院或專業打下基礎，為地方制造業、經濟發展需求服務，完全符合“新工科”對工程人才培養的要求，也是地方“211”高校服務地方經濟發展應盡的責任。

南昌大學機器人特色班人才培養目標是發揮地方“211”綜合性大學優勢，培養工程師型、科學研究型和復合型等多類型、多層次機器人應用、研究和管理的高質量人才。方案實施主要遵循以下幾點。

1.機器人特色班學生選拔。每年大一上學期，在新生中宣傳機器人特色班的培養方案以及選拔標準；下學期從機電工程學院、信工工程學院、理學院、醫學院中選拔60人左右作為機器人特色班學生。該特色班為虛擬行政班，學生學籍歸屬招生時學院與專業，需要學習自己原屬專業必修課，除此之外，還必須選修機器人特色班培養方案課程達到一定學分，特別是實踐類課程。

2.總學分遵循學校的原則。充分在各學院培養方案中選擇課程，但選修時間可以變；各課程的學時數和實驗、實踐環節維持不變，但針對學習內容，修改教學大綱，強化實踐環節的要求。部分課程學分在教務處的協同下實現不同學院之間互認。

3.部分通識課選修時間按照“應用和需要”原則適當前移或后移。面向科學研究或工程師不同學生，部分課程分為必修課和選修課。

4.增加學科基礎課學分。并綜合機電、信工、理學院和醫學院的課程，分為若干模塊，供不同學生選擇。

5.增加專業課程學分。部分專業課程選修時間適當前移，并綜合機電、信工、理學院和醫學院的課程，分為若干模塊，供不同學生選擇。

6.大量減少選修課。但整理各學院選修課程清單，建議學生選擇旁聽。

7.整理部分學科基礎課和專業課實驗課程，供有意愿參加機器人特色班的大一學生課外實踐，為選拔學生做準備。

8.整理各類競賽項目，作為機器人特色班實踐類課程的一部分，根據難易程度，供大一到大四學生選擇，實現漸進式實踐培養模式。

9.要求機器人特色班學生，從大二開始申請科研訓練和創新項目。

10.校企聯合培養，參照“卓越工程師計劃”培養方案，機器人特色班學生需要到與學校合作的知名機器人企業進行實訓一年。

經過上述培養方案中理論知識的學習和實踐環節的培養與鍛煉，使機器人特色班的學生的機器人理論知識得到系統的學習，實踐動手能力、科研能力、創新創業能力得到全面的訓練和提升。

五、機器人本科專業人才培養實踐平臺建設

為實現機器人專業人才培養，除了上述完備可行的培養方案外，還需要搭建與機器人特色班培養方案和目標相應的實踐平臺。實踐平臺首先依托學校實驗教學和科研平臺、江西省機器人與焊接自動化重點實驗室、南昌大學機器人隊、與學校合作的知名機器人企業。其次根據培養方案課程需要，構建課程體系、課程群實驗平臺，以機器人技術為核心，構建起機器人結構設計、控制、軌跡規劃、視覺、人機交互、醫工結合、機器人應用等綜合性科研與實驗平臺。

1.機器人機構設計、創新實踐平臺。以大學生機械創新設計大賽為載體，建立了南昌大學“大學生機械創新基地”、三維CAD協會、ME科創小組、ME創客協會等，并與海爾創客實驗室合作。依托這些平臺，將機器人特色班學生分成幾個小組，根據老師給出的主題，進行資料的查找、機器人機械結構方案的確定、三維模型建立與仿真分析、創意說明與評比，極大地激發學生自主學習的熱情。

2.機器人競賽實踐平臺。以南昌大學機器人隊為依托，機器人隊從2005年創立至今，已購置和制作了各種機器人平臺。如移動機器人、滅火機器人、物流機器人、巡線機器人、救援機器人、教育機器人等。依托這些現有機器人平臺，依據競賽規則，以小組的形式對機器人進行學習與調試，讓學生在組裝、調試、控制、團隊協作等得到訓練。

3.機器人控制、軌跡規劃、視覺實踐平臺。該部分主要依托江西省機器人與焊接自動化重點實驗室，實驗室多種工業焊接機器人、爬壁焊接機器人、水下焊接機器人等。此實驗室可以完成機器人課程實驗，如機器人控制、軌跡規劃。也可以以課題的形式開展研究，如基于視覺的機器人焊縫跟蹤等。讓學生在機器人控制、軌跡規劃、圖像處理、視覺、傳感器技術等方面得到綜合訓練。

4.人—機器人交互與醫工結合實踐平臺。該部分由仿人形機器人、智能輪椅、護理機器人、虛擬手術平臺等組成。仿人機器人具有四肢、頭、眼等物理特征，還能模仿人類的視覺、觸覺、語言，甚至情感等功能。利用此平臺，學生可以完成人—機器人交互，如基于深度學習和人工智能知識進行自然語言交流；基于視覺可以進行人臉識別、手勢識別等。使學生在控制理論、視覺、傳感器、深度學習、人工智能、模式識別等方面得到充分訓練。而智能輪椅、護理機器人和虛擬手術平臺能承載機構設計、直流電機控制、視覺傳感導航、超聲傳感避障、語音交互控制、嵌入式程序設計（匯編、C語言）、肌電/腦電控制、生理信息監測監控等功能，是很好的醫工結合典范。該部分能很好地將機電學院、信工學院、理學院和醫學院各專業知識進行結合，讓學生體會到機器人是多學科交叉融合的產物。

5.機器人應用實踐平臺。該部分主要是智能制造平臺，由智能化裝配拆卸生產系統和智能化物流倉儲系統組成。智能化裝配拆卸生產系統是由工業機器人，配套智能機器視覺系統，通過手眼協調工作，完成工件在托盤上的拆卸和裝配。在入口處的AGV對接料架上，機器人識別七巧板物料的各形狀、尺寸、顏色及位置，通過機器人吸盤，將七巧板進行有序高速的拆卸并將物料依次搬運至皮帶輸送線。待七巧板物料被輸送至裝配工位時，帶有CCD的機械手依次識別七巧板物料的尺寸、顏色及位置信息等，通過吸盤裝置吸取物料裝配至合適的位置。該部分使學生在人機協作、視覺、機器人應用等方面得到訓練。

6.校企聯合培養平臺。學院組織老師，對知名機器人企業進行調研，建立合作關系，這些企業如廣州數控、哈工大機器人集團、深圳歐鵬、深圳全童等，可以為學生在校企聯合培養中提供很好的平臺和機會，學生在企業導師的指導下完成企業布置的任務和畢業設計等，從項目立項、技術方案確定、硬件平臺搭建、項目組織實施等方面對學生進行系統綜合訓練，并為學生創新創業奠定基礎。

在上述培養方案和實踐平臺的基礎上，以大學生機械創新設計大賽、大學生互聯網+競賽、大學生挑戰杯、Robocup、Robocon機器人競賽、校企聯合等漸進式的機器人專業知識培養體系，突出以“競賽、科研訓練、創新創業、企業實踐、理工醫多學科交叉融合”的機器人本科專業人才培養模式。為學生日后的工作學習奠定堅實的機器人技術專業知識和實踐能力。

六、結束語

在新工科和“中國制造2025”背景下，機器人是智能制造的重要基石，機器人行業的發展為中國高端智能制造業帶來新的機遇，而智能制造也給中國工科教育帶來新的動力和更多挑戰。因此，作為地方綜合性“211”高校，將以此為契機，探索以“機器人特色班”為形式的本科機器人專業人才培養模式，為地方性高校工科專業人才培養模式進行有益的實踐探索。

參考文獻：

[1]樊秀娣.“新工科”方向下的熱門專業大類展望[R].文匯報，2017年/6月/16日/第006版.

[2]吳愛華，侯永峰，楊秋波，郝杰.加快發展和建設新工科 主動適應和引領新經濟[J].高等工程教育，2017，（1）：1-8.

[3]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育，2017，（3）：1-6.

[4]陸國棟，李拓宇.新工科建設與發展的路徑思考[J].高等工程教育，2017，（3）：20-26.

[5]陳慧，陳敏.關于綜合性大學培養新工科人才的思考與探索[J].高等工程教育，2017，（2）：19-23.

[6]駱德淵，何莉萍.構建機器人特色實驗班創新平臺校企聯合培養行業拔尖創新人才[J].實驗研究與探索，2017，36（1）：204-206.

[7]王志良，劉遙峰，解侖.基于智能交互機器人平臺的教學與實踐[J].計算機教育，2009：74-77.

[8]王迎暉.工業機器人專業人才培養模式的探索與研究[J].當代教育實踐與教學研究，2017：48-49.

[9]王鑫，李楠.基于卓越工程的機器人創新性教學實踐研究[J].職業技術，2017，16（2）：20-21.

[10]葉仁虎.普通本科院校工業機器人專業發展現狀及前景[J].科技經濟導刊，2016，（16）：145-146.

[11]洪亮，梁治國.抓住機器人大賽的有利契機探索增強工科教育實踐環節的新方法[J].機器人技術與應用，2004：1-2.

[12]肖靜，余穎，張道海等.立足機器人競賽促進創新訓練與實踐教學改革[J].東華理工大學學報：社會科學版，2013，32（2）：189-192.