機器人工程新工科專業人才培養模式淺析

胡而已 唐超權

摘要：機器人技術本身屬于多學科交叉領域，涉及機械工程、計算機科學、電氣工程，甚至行為心理學等諸多學科。目前國內外關于機器人工程人才培養模式多樣，專業分布在不同學院，本文通過對比分析國內外相關情況，以期探尋到符合國內特點的機器人新工科人才培養模式，為新時期人才寬口徑、復合型人才培養提供參考。

關鍵詞：機器人工程；新工科；人才培養；協同育人

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）32-0259-02

一、當前世界范圍內機器人技術發展趨勢

機器人技術將會成為信息技術之后的下一個發展熱點和方向，谷歌公司的無人駕駛汽車、多足及仿人機器人、亞馬遜公司的倉儲自動導引車，以及好奇號火星車等都在吸引著全球媒體的目光。在德國提出的“工業4.0”和中國版本的“中國制造2025”計劃中，機器人均作為核心技術受到了前所未有的重視。據統計，國內重點發展機器人產業的省份有20多個，機器人產業園區40余個，機器人企業數量800余家，產業鏈相關企業超3400家。受勞動力不足、人口老齡化等因素影響，服務機器人（包含特種作業機器人）的應用及普及已成剛需，未來服務機器人行業發展空間巨大。“十三五”期間中國機器人產業發展目標為自主品牌工業機器人年產量需達到10萬臺，服務機器人年銷售收入超過300億元，整體技術水平達到或接近世界先進水平，關鍵零部件市場占有率達到50%以上。但不得不承認，產業火熱的背后我國機器人技術發展瓶頸仍存，中國與歐美日等發達國家在機器人領域還有相當明顯的差距。首先，國產機器人整機市場份額低。其次，機器人用精密減速器、伺服電機及驅動器、控制器等核心零部件，在性能、精度、可靠性方面均有待提高。

二、國內外機器人技術人才培養概況

自第一臺工業機器人誕生至今已經有50多年的歷史。全球不少學校都有與機器人相關的課程，在當今信息時代，如何合理、有效、系統地開展機器人方向的人才培養，對于很多學校來說可能都是一個新的課題。卡內基梅隆大學的機器人研究所（Robotics Institute）是整個計算機學院（School of Computer Science）下屬的一個系。它成立于1979年，剛成立時只有一個主要研究方向，即計算機集成制造系統，后來在此基礎上不斷發展，它是當今世界上最大、最先進的機器人研究機構，包括在主校區的1萬平方米、國家機器人工程中心1萬平方米和專門的測試場地Robot City等。卡內基梅隆大學的機器人研究所提供各個級別的教育，從本科到研究生，包括本科雙學位、本科輔修、本科加碩士5年制學位等。該校同時提供面向高中的實習拓展項目以及面向本科生的短期夏季學者實習項目等。主要雙學位課程設置包括四個模塊：數學（微積分、矩陣、機器人導論等）；運動學、動力學及控制；感知（計算機視覺、傳感器等）；認知與推理（機器學習、人工智能等）。此外還有一門實踐課和兩門選修課（仿人機器人、移動機器人、機電一體化等）。其他國外高校大多只是將機器人作為研究方向，如斯坦福大學、麻省理工學院、密歇根大學、佐治亞理工大學等，雖然在機器人學界具有較好的聲譽，但其機器人研究機構更多以實驗室的形式組建，如斯坦福的機器人實驗室是人工智能實驗室的一部分；而麻省理工學院的野外與空間機器人實驗室依托于機械工程學院，其課程設置與安排大多參考CMU的課程設置和安排。

目前，隨著“中國制造2025”戰略的推動及資本對機器人相關方向的追捧，國內對于機器人技術相關人才的需求日益迫切，許多高校也隨之提出建立機器人專業。從我們了解的情況來看，2015年只有東南大學獲批了機器人工程專業，而在2016年就有25家全國各個層次的高校獲批機器人工程專業。這些學校的規模層次各不相同，機器人工程專業所屬學院也各不相同，如東南大學機器人專業隸屬自動化學院，安徽工業大學的機器人專業則隸屬機械工程學院，而東北大學則直接成立機器人學院。東北大學的機器人學院為東北大學、中科院沈陽自動化研究所與沈陽新松公司三方共建。

三、機器人工程人才培養基本要求

（一）培養目標

本專業培養具有扎實的自然科學、人文社會科學和工程技術基礎，掌握各類機器人機械本體結構及控制系統的設計，以及機器人集成應用、檢測與維修、生產運行與管理等專業知識，受到較強工程實踐和研究能力的訓練，能從事機器人工程領域內的機器人整機、核心零部件、控制系統設計，以及機器人系統應用等相關領域的科學研究、技術開發、應用維護及管理工作，具有良好的經濟、安全和環保意識，具有人文社會科學素養、社會責任感、工程職業道德及國際視野的機器人工程領域的高級技術人才，預期發展成為所在領域的專業技術骨干或管理骨干。

（二）對畢業生的基本要求

本專業畢業生在知識、能力和素質方面應達到以下基本畢業要求，力求成為能參與國際競爭的高層次機器人工程技術人才和未來開拓者。

1.能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決機器人工程領域所涉及的研發及應用等復雜問題。

2.能夠應用數學、自然科學和機器人工程科學的基本原理，對復雜機器人工程問題進行識別、表達、建模和分析求解。

3.具有較強的創新意識，掌握基本的創新方法，具備對機器人工程領域新產品和新技術進行研究、開發和設計的初步能力，并能夠在解決方案中充分考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素。

4.能夠針對特定的復雜機器人工程問題，基于科學原理并采用科學方法，進行建模分析、設計樣機開展實驗研究、進行數據處理、并通過信息綜合得到合理有效的結論。

5.能夠針對機器人工程領域中的設計開發、仿真分析及性能測試等特定需求，開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，對復雜工程問題進行預測與模擬，并能夠理解其使用范圍。

6.了解與本專業相關的社會、健康、安全、法律以及文化方面知識，能夠基于工程相關背景知識，合理分析評價專業工程實踐和機器人工程復雜問題的解決方案對上述因素的影響，并理解應承擔的責任。

7.能夠理解和評價針對機器人工程領域復雜工程問題的專業工程實踐對環境、社會可持續發展的影響。

8.愛國守法，具有人文社會科學素養和社會責任感，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業道德和規范，并履行相應的責任。

9.具有一定的人際交往能力和組織管理能力，能夠在多學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色。

10.能夠就機器人復雜工程問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告和設計文稿、陳述發言、清晰表達或回應指令，并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。

11.理解并掌握機器人工程領域產品開發及生產運行維護等方面的管理原理及經濟決策方法，并能在多學科環境中加以應用。

具有自主學習和終身學習的意識，有不斷學習和適應發展的能力。

（三）主要業務范圍及核心課程安排

本專業根據經濟、社會發展對人才的需求，采取寬基礎、重實踐的培養模式。課程知識體系涵蓋機械工程、自動化、計算機等多學科，同時將部分專業課程分成中文、雙語和全英語三個不同層次，有利于拓展學生的知識面和國際視野。本專業學生主要學習機器人工程專業方向的基礎理論知識及基本技能。畢業生主要面向企業、科研機構及高等院校等單位，從事機器人工程領域內的機器人整機、核心零部件、控制系統設計，以及機器人系統應用等相關領域的科學研究、技術開發、應用維護及管理工作。專業核心課程：工程力學、工程圖學、電工技術與電子技術、數據結構與算法、通信原理、機械原理、機械設計、機械制造工程學、自動控制原理、微機原理與接口技術、計算機控制技術、液壓與氣壓傳動、機電傳動與控制、傳感器原理與檢測技術、機器人學導論、機器人動力學與控制、機器人系統設計及應用。

參考文獻：

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

[2]吳文強，朱大昌，江帆，陳從桂，劉鎮章.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）.

[3]王穎，高尚，苗志懷.機器人技術本科實踐教學課程創新方案設計[J].高校實驗室工作研究，2017，（3）.