新工科背景下機(jī)器人工程專業(yè)研究與探索

李瑞峰 榮偉彬 鄧鑫

摘 要：機(jī)器人工程專業(yè)是典型的新工科專業(yè)，具有很強(qiáng)的新穎性、綜合性和實(shí)踐性。本文分析了新工科背景下工程專業(yè)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，回顧了國內(nèi)外多所著名大學(xué)機(jī)器人專業(yè)建設(shè)情況，介紹了哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：新工科;可持續(xù)競爭力;機(jī)器人專業(yè)建設(shè);課程體系

21世紀(jì)以來，世界科技快速發(fā)展，并帶動了新興產(chǎn)業(yè)的興起。“互聯(lián)網(wǎng)+”的出現(xiàn)帶動了“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代服務(wù)業(yè)”“互聯(lián)網(wǎng)+行業(yè)/新業(yè)態(tài)/新模式”“互聯(lián)網(wǎng)+社會服務(wù)+SoloMo”的發(fā)展，人工智能的興起帶動了人工智能戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)智能化、智能企業(yè)與智能公共服務(wù)的發(fā)展，而“工業(yè)4.0”的提出帶動了“網(wǎng)絡(luò)化制造+智能化制造”“服務(wù)型制造+現(xiàn)代物流”“機(jī)器人+工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)+務(wù)聯(lián)網(wǎng)”模式的發(fā)展。在這個背景下，2017年教育部公布了“新工科建設(shè)行動路線”，致力于探索建立工科發(fā)展新范式，構(gòu)建工科專業(yè)新結(jié)構(gòu)，更新工程人才知識體系，創(chuàng)新工程教育方式與手段，增強(qiáng)國際教育競爭力等[1-3]。新工科建設(shè)是新經(jīng)濟(jì)背景下高等工程教育綜合改革的重要舉措，是服務(wù)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展、解決人才供需矛盾和深化工程教育改革的需要，也是我國對國際工程教育改革發(fā)展做出的中國本土化的回應(yīng)[4-6]。

目前，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)及智能制造領(lǐng)域成為各國競爭的焦點(diǎn) ，也是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)[7]。機(jī)器人工程是一門在真實(shí)世界環(huán)境下將感知、決策計(jì)算和執(zhí)行驅(qū)動組合在一起的應(yīng)用交叉學(xué)科和技術(shù)。機(jī)器人工程專業(yè)是順應(yīng)國家建設(shè)需求和國際發(fā)展趨勢而設(shè)立的一個新興專業(yè)，屬于典型的新工科專業(yè)，具有很強(qiáng)的新穎性、綜合性和實(shí)踐性。

一、新工科背景下工程專業(yè)人才培養(yǎng)的特點(diǎn)

世界科技的快速發(fā)展和社會大環(huán)境的變化，要求高等工程教育必須做出相應(yīng)的改變。從社會角度看，信息化、網(wǎng)絡(luò)化與認(rèn)知型社會的新特征是社會變革的表現(xiàn)形式。社會與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展、知識形成與信息傳播的變化，都會導(dǎo)致未來社會對人才需求的變化與挑戰(zhàn)。從個體角度看，新一代青年學(xué)生的成長特點(diǎn)、職業(yè)發(fā)展需求與要素、學(xué)習(xí)方式等也在發(fā)生變化，每一個學(xué)生都需要擁有適應(yīng)未來社會發(fā)展與挑戰(zhàn)的可持續(xù)競爭力。同時，大學(xué)教育也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如全球化高等教育競爭與不平衡的形勢、MOOC引發(fā)的教育教學(xué)改革、多元化/多維度大學(xué)教育功能的變化，等等。

新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的跨界性與快速變化的特征，要求工程科技人才具備更高的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界合作能力。在這個背景下，需要重視對學(xué)生可持續(xù)競爭力的培養(yǎng)。這是因?yàn)椋瞬诺木C合素質(zhì)和創(chuàng)新能力反映了可持續(xù)競爭力的核心價值，是個人在未來職業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新工作中發(fā)揮重要作用的潛質(zhì)。可持續(xù)競爭力是指面對未來社會變化和競爭的適應(yīng)能力、基于使命和技術(shù)的創(chuàng)新能力、推動社會發(fā)展與科技進(jìn)步的行動能力。可持續(xù)競爭力能夠體現(xiàn)未來人才培養(yǎng)的時代要求和總體質(zhì)量觀，有可持續(xù)競爭力的創(chuàng)新人才將成為未來社會與新經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的人才。因此，新工科專業(yè)人才的培養(yǎng)具有以下一些特點(diǎn)：

（1）新理念。面向戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)與引領(lǐng)性行業(yè)需求培養(yǎng)人才，需要多專業(yè)學(xué)科交叉與融合創(chuàng)新，這是新工科建設(shè)的要求。

（2）新特征。新工科具有信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、交叉化、創(chuàng)新性、認(rèn)知型，以及國際化、多元化，實(shí)踐性、廣譜性的特征。

（3）新知識。戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)工科專業(yè)需要新技術(shù)、新知識、學(xué)科交叉，特別是信息技術(shù)、人工智能技術(shù)與各專業(yè)的融合，帶動新工科課程體系的建設(shè)。

（4）新模式。新工科人才培養(yǎng)注重課程學(xué)習(xí)與項(xiàng)目學(xué)習(xí)相結(jié)合、創(chuàng)新實(shí)踐與企業(yè)實(shí)習(xí)相結(jié)合、探究式學(xué)習(xí)與小班研討相結(jié)合、國際化培養(yǎng)與跨國交流學(xué)習(xí)相結(jié)合。

（5）新人才。新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)是研發(fā)人才、新興產(chǎn)業(yè)人才、認(rèn)知型人才、T型創(chuàng)新人才、交叉復(fù)合型人才、國際競爭人才、可持續(xù)競爭人才。

從培養(yǎng)可持續(xù)競爭力人才出發(fā)，新工科專業(yè)的典型教育模式包括以下幾類：

（1）“多學(xué)科交叉融合+輔修專業(yè)”培養(yǎng)模式。如含多學(xué)科交叉的課程體系、面向行業(yè)或領(lǐng)域的交叉綜合新工科特設(shè)專業(yè)、“主修專業(yè)+輔修專業(yè)/微專業(yè)/雙學(xué)位”教育模式、虛擬教學(xué)中心/協(xié)調(diào)中心等。

（2）面向行業(yè)應(yīng)用與實(shí)踐的校企協(xié)同育人模式。如創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育、產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人、企業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)與行業(yè)認(rèn)證、卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃/工程領(lǐng)軍人培養(yǎng)計(jì)劃、校企聯(lián)合的產(chǎn)業(yè)技術(shù)學(xué)院等。

（3）基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的創(chuàng)新教育。如目標(biāo)驅(qū)動/能力優(yōu)先的培養(yǎng)方案、產(chǎn)學(xué)研合作聯(lián)合培養(yǎng)計(jì)劃、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)計(jì)劃、基于創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的訓(xùn)練計(jì)劃、創(chuàng)業(yè)商學(xué)院等。

（4）跨區(qū)域跨校的在線開放課程“1+M+N”教育模式。如“MOOC/SPOC/020+大學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂+學(xué)生群體”混合式教學(xué)模式、基于MOOC的跨校合作協(xié)同教學(xué)模式等。

（5）“X+Y”國際化教育模式。如跨國多校“X+Y”（2+2，3+1，4+0，1+1等）國際化雙學(xué)位聯(lián)合人才培養(yǎng)模式、跨國實(shí)習(xí)與進(jìn)修等。

二、國內(nèi)外機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)

《中國制造2025》的主攻方向是智能制造，智能制造的關(guān)鍵是機(jī)器人與智能裝備。工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等在智能制造中發(fā)揮著重要作用，具有廣泛的市場需求，其研發(fā)和應(yīng)用需要大量的機(jī)器人專業(yè)技術(shù)人才。目前，國內(nèi)近200所院校開設(shè)了機(jī)器人工程專業(yè)。

基于人才培養(yǎng)目標(biāo)，各校在機(jī)器人工程專業(yè)課程設(shè)置、培養(yǎng)環(huán)節(jié)等方面有不同的考慮。高職院校更多的是考慮機(jī)器人技能人才的培養(yǎng)，所以更加注重機(jī)器人安裝、操作、編程、維護(hù)等技能的培養(yǎng)。應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)目標(biāo)定位于機(jī)器人應(yīng)用工程師，所以注重機(jī)械、電氣、自動控制等方面的知識教學(xué)以及機(jī)器人系統(tǒng)綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。研究型大學(xué)要為機(jī)器人研究領(lǐng)域培養(yǎng)高端人才打好基礎(chǔ)，在課程設(shè)置方面應(yīng)該加強(qiáng)基礎(chǔ)，同時強(qiáng)調(diào)個性化、特色化及前沿化的探索性知識掌握及科學(xué)研究能力的培養(yǎng)。

機(jī)器人是智能制造鏈條的一個重要節(jié)點(diǎn)。考慮到國家和企業(yè)的需求，機(jī)器人工程專業(yè)課程體系要做到對接《中國制造2025》，注重工業(yè)化和信息化的深度融合，能夠跟隨國際前沿，例如機(jī)器人新原理、柔性軟體機(jī)構(gòu)、微納米機(jī)器、深度學(xué)習(xí)、仿生、人工智能等。同時，還要按照工程專業(yè)認(rèn)證的12條（工程知識、問題分析、設(shè)計(jì)開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個人和團(tuán)隊(duì)、溝通、項(xiàng)目管理、終身學(xué)習(xí)）開展教學(xué)，注重本科生和研究生課程的貫通，突出個性化培養(yǎng)和訂制、產(chǎn)學(xué)研用一體化。

卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)在世界上最早開展機(jī)器人及人工智能研究，建立了世界著名的機(jī)器人技術(shù)學(xué)院，機(jī)器人專業(yè)是舉世公認(rèn)的頂級機(jī)器人專業(yè)。在本科課程中，必修課（7門選3門）涉及機(jī)器人導(dǎo)論、機(jī)器人機(jī)構(gòu)、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)、機(jī)器人控制等基礎(chǔ)理論與應(yīng)用課程。該校結(jié)合計(jì)算機(jī)與控制優(yōu)勢專業(yè)，開設(shè)了機(jī)器人視覺、嵌入式系統(tǒng)、認(rèn)知科學(xué)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、并行計(jì)算、智能控制、微納米機(jī)器人、空間機(jī)器人技術(shù)等多學(xué)科交叉的選修課程（27門選2門）。該校機(jī)器人本科課程設(shè)置特點(diǎn)為：夯實(shí)基礎(chǔ)，廣泛拓展，注重在新型交叉學(xué)科領(lǐng)域的培養(yǎng)。

麻省理工學(xué)院曾因研發(fā)出獵豹機(jī)器人、世界上第一個有人類感情的機(jī)器人Kismet等而享譽(yù)全球。該校本科生課程設(shè)置非常注重機(jī)器人基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐，包括機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、動力學(xué)、機(jī)器人智能等方面的課程。本科生可以直接參與課題，強(qiáng)化鞏固所學(xué)知識。

普渡大學(xué)本科課程以機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動力學(xué)、控制、計(jì)算機(jī)視覺和人工智能為主要內(nèi)容，設(shè)置了21門本科生課程。南加州理工大學(xué)以機(jī)器人人機(jī)交互為特色，開設(shè)了機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制、人工智能、視覺等22門課程。

表1展示了國內(nèi)外部分大學(xué)在機(jī)器人課程設(shè)置方面的對比。可以看出，國外大學(xué)課程重心主要放在機(jī)器人基礎(chǔ)知識類，應(yīng)用實(shí)踐類課程所占比例較小。這主要是國外大學(xué)的機(jī)器人專業(yè)重點(diǎn)培養(yǎng)面向機(jī)器人研究方面的人才。哈爾濱工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“哈工大”）充分吸收國外同類學(xué)校的經(jīng)驗(yàn)，同時結(jié)合我國對人才的實(shí)際需求，在基礎(chǔ)類課程和實(shí)踐類課程的比例上保持相對均衡。

三、哈工大機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)實(shí)踐

機(jī)器人工程專業(yè)是以控制科學(xué)與工程、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程和認(rèn)知科學(xué)等學(xué)科中涉及的機(jī)器人科學(xué)技術(shù)問題為研究對象，綜合應(yīng)用自然科學(xué)、工程技術(shù)、社會科學(xué)、人文科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論、方法和技術(shù)，研究機(jī)器人的智能感知、優(yōu)化控制與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人機(jī)交互模式等學(xué)術(shù)問題的一個多領(lǐng)域交叉的前沿學(xué)科。機(jī)器人專業(yè)本身具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，同時又具有創(chuàng)新性。

為了培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)，我們在機(jī)器人方向課程設(shè)置中重點(diǎn)從以下幾個方面來考慮：

（1）專業(yè)能力實(shí)現(xiàn)（素質(zhì)、目標(biāo)），主要是機(jī)器人（智能機(jī)電耦合系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)、建模、認(rèn)知、實(shí)現(xiàn)與創(chuàng)新。

（2）機(jī)器人基礎(chǔ)知識，包括機(jī)器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、仿真與控制（運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃、運(yùn)動控制）等。

（3）機(jī)器人硬件知識，包括工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)與應(yīng)用（機(jī)械關(guān)鍵部件）、嵌入式系統(tǒng)（控制硬件）等。

（4）機(jī)器人感知與認(rèn)知技術(shù)，包括傳感器技術(shù)、信號處理、智能控制。

（5）機(jī)器人交互與共融技術(shù)，包括機(jī)器人與人的交互（主從式）、機(jī)器人與人的物理集成和功能集成（穿戴式、植入式）（專業(yè)課+創(chuàng)新研修課）。

（6）機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)成與實(shí)現(xiàn)，包括醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)綜合集成視野拓展，空間機(jī)器人技術(shù)有空間特殊服役環(huán)境下機(jī)器人典型應(yīng)用視野拓展、輕量化折疊機(jī)構(gòu)、一體化關(guān)節(jié)、變剛度變結(jié)構(gòu)、自由漂浮運(yùn)動控制等 （創(chuàng)新研修課）。

（7）前沿創(chuàng)新與拓展，包括并聯(lián)（面向高速高精度的復(fù)雜機(jī)構(gòu)創(chuàng)新前沿），微納（微納米制造與MEMS、精密操作機(jī)器人概述創(chuàng)新前沿），仿生（仿生理念與專業(yè)化仿生、結(jié)合生物體特點(diǎn)的特種功能系統(tǒng)創(chuàng)新前沿，如軟體、四足、人工肌肉）。

表2展示的是機(jī)器人方向具體的課程設(shè)置情況。

為了培養(yǎng)復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才，促進(jìn)學(xué)生個性化發(fā)展，滿足新時代國家對拔尖創(chuàng)新人才的需求，哈工大自2017年秋季學(xué)期起實(shí)施輔修專業(yè)（學(xué)位）改革試點(diǎn)。學(xué)有余力的本科生和研究生在修讀主修專業(yè)的同時，可自主選修能夠幫助個人成長發(fā)展的輔修專業(yè)（學(xué)位）。2018年首批開設(shè)了智能無人系統(tǒng)、智能機(jī)器人、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用、計(jì)算金融、智能制造系統(tǒng)6個專業(yè)。為此，我們開設(shè)“智能機(jī)器人”輔修專業(yè)（學(xué)位），設(shè)置了15門智能機(jī)器人課程，促進(jìn)學(xué)生在智能機(jī)器人領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。

我們在注重課堂教學(xué)的同時，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。機(jī)器人國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家機(jī)器人創(chuàng)新中心、高端裝備制造國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為學(xué)生提供實(shí)踐教學(xué)環(huán)境。我們鼓勵學(xué)生積極參加哈工大競技機(jī)器人隊(duì)，通過國內(nèi)外一系列機(jī)器人比賽，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用中，促進(jìn)學(xué)生理論與實(shí)踐認(rèn)知的結(jié)合。同時，我們與國內(nèi)機(jī)器人龍頭企業(yè)——安徽埃夫特機(jī)器人、山東棟梁科技、哈工大機(jī)器人集團(tuán)等相關(guān)企業(yè)建立了學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)踐合作關(guān)系。讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)踐實(shí)習(xí)基地，把工廠“搬進(jìn)”教室，使學(xué)生感到“學(xué)的東西有用”：對他們就業(yè)有用，對他們的職業(yè)生涯發(fā)展有用。

四、發(fā)揮科研對機(jī)器人專業(yè)建設(shè)的支撐作用

自1986年哈工大機(jī)器人研究所成立以來，我校逐步建成了863智能機(jī)器人機(jī)構(gòu)網(wǎng)點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室、黑龍江省機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家機(jī)器人創(chuàng)新中心，并在弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、石化行業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線、機(jī)器人汽車焊接生產(chǎn)線、神舟飛船交會對接整機(jī)試驗(yàn)臺、神光3核聚變送靶機(jī)器人、空間機(jī)器人以及月球車大型空間折展臂等領(lǐng)域取得了多項(xiàng)第一，在國內(nèi)外產(chǎn)生了較強(qiáng)的影響力。哈工大機(jī)器人技術(shù)研究旨在基礎(chǔ)研究、國家重大需求、國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)軍民融合。我們面向國家重大需求，進(jìn)行了載人航天、探月工程、在軌維護(hù)、核能開發(fā)等技術(shù)研究，其中包括空間站機(jī)械臂、空間折展機(jī)構(gòu)、月球車移動及轉(zhuǎn)移、月面采樣機(jī)構(gòu)、空間機(jī)械手、空間靈巧手、神光3靶精密定位、ITER遙操作機(jī)器人。在服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面，我們進(jìn)行了微納機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人等方向的研究。

我校機(jī)器人技術(shù)研究在專業(yè)教師培養(yǎng)、課程體系建設(shè)及培養(yǎng)模式創(chuàng)新上都發(fā)揮了重要作用，機(jī)器人方向的選修課程也融合了最新的研究方向和成果。機(jī)器人工程專業(yè)的本科生在大三就可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，圍繞實(shí)驗(yàn)室的研究方向開展本科設(shè)計(jì)工作。

五、結(jié)語

在新工科背景下，機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)需要從培養(yǎng)有可持續(xù)競爭力的人才出發(fā)。在培養(yǎng)環(huán)節(jié)和課程設(shè)置上，加強(qiáng)機(jī)器人基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，重視實(shí)踐教學(xué)，校企結(jié)合，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。同時，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也將帶動專業(yè)建設(shè)的進(jìn)程，在人才培養(yǎng)上將面向智能制造中的基礎(chǔ)研究、國家需求與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)相結(jié)合的人才需求，通過不同層次的培養(yǎng)模式，促進(jìn)機(jī)器人技能人才、應(yīng)用人才、研究人才的培養(yǎng)。

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[責(zé)任編輯：夏魯惠]