機器人工程專業研訓一體化平臺建設與實踐

盧斌 楊紫伊

[摘 要]文章針對機器人工程專業實訓平臺的建設與實踐現狀，提出了一種以多學科導師指導下的項目制、遞進式和個性化培養的實踐教學模式，依托機器人視覺感知與控制技術國家工程實驗室，充分整合校內外“產學研”協作育人資源，建設機器人工程專業研訓一體化平臺，闡述了平臺的內涵以及建設的策略與方法，總結了平臺運行的做法和經驗，平臺建設與實踐在人才培養和服務社會方面取得了成效。

[關鍵詞]新工科;機器人工程;研訓平臺;國家工程實驗室

[中圖分類號]N45;G642.0 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2021）05-0005-06

引言

《中國制造2025》將“高檔數控機床和機器人”作為大力推動的重點領域之一[1]。國家一系列重大戰略深入實施呼喚新工科建設，產業轉型升級和新舊動能轉換呼喚新工科建設，提升國際競爭力和國家硬實力呼喚新工科建設[2]。機器人工程專業具有典型的新工科技術特征，強調學生的實踐創新能力培養，其專業實踐教學平臺建設質量是人才培養水平提升的關鍵。目前，高校的基本做法是依托國家、部省級重點實驗室、工程研究中心、實驗教學示范中心以及高水平師資來建設機器人工程專業實踐教學平臺。2016年，東南大學設立了我國首個“機器人工程”本科專業，圍繞“復雜工程系統測量與控制”教育部重點實驗室、國家級實驗教學示范中心和省級自動化工程實踐教學示范中心，投入國家萬人計劃教學名師、長江學者、國家杰出青年以及國家級教學團隊，側重機器人系統總成與工程應用中的控制與計算理論、實時信息與數據處理、計算機硬件與軟件等關鍵技術，建設機器人專業實踐教學平臺。哈爾濱工業大學依托“機器人技術與系統”國家重點實驗室、國家機器人創新中心和中德空間機器人技術聯合實驗室，投入以“機器人基礎理論與關鍵技術”國家自然科學基金創新群體，以及“機器人機電一體化技術”和“納米級精密定位及微納操作技術與裝備”教育部創新團隊的師資力量，面向空間機器人、微納機器人、醫療機器人、服務機器人和仿生機器人等技術對象，利用國家科研任務為本科生提供更多的科研實踐機會，打造機器人專業實踐教學平臺。華南理工大學則充分利用所處珠三角區域經濟和產業資源優勢，以廣東省智能工程國際聯合研究中心、智能與康復裝備工程技術研究中心以及眾多企業研產基地為依托，憑借許多具有優秀學術背景的師資，采用“雙導師”創新培養模式（教授作為學業導師，負責新生學術方面的深入指導;在讀研究生作為學習及生活導師，指導本科生的學習和生活等方面），力圖建立起富于國際視野的、人文素質教育和創新能力并重的機器人專業實踐教學生態圈。

依托湖南大學建設的“機器人視覺感知與控制技術”國家工程實驗室，緊密圍繞國家經濟社會建設對機器人技術的需求，開展機器人感知、智能控制、高性能電機和靈巧作業機構等關鍵技術的研究和產業化，提升我國在相關領域的自主創新能力和核心競爭力，促進我國機器人和智能制造相關產業的快速發展。為了更好更快地推動湖南大學機器人工程專業建設與教學改革，將機器人國家工程實驗室納入機器人工程專業教育核心陣地，充分發揮其“產學研”資源優勢，通過有機整合校內外育人資源，打造機器人工程專業研訓一體化平臺，讓本科生早進實驗室、進課題、進團隊，培養具有社會主義核心價值觀、理論基礎厚、工程素質高、動手能力強、人文素養優的機器人領域研究型與復合應用型人才。

一、平臺建設

（一）平臺構成

以機器人行業人才需求為目標，以機器人國家工程實驗室為核心，以機器人科研、產品、競賽、創新創業項目為導向，以工農業、醫療衛生、服務娛樂、特種作業和軍用輔助機器人為實踐載體，面向機器人感知與學習、機器人運動控制、機器人結構設計、機器人前沿技術四個方向，打造集研、教、學、創、企等多方育人資源于一體的機器人工程專業研訓一體化平臺，平臺構成見圖1所示。

（二）內涵建設

1.導師群

平臺發揮機器人國家工程實驗室師資優勢，導師群按照“專家引領、校企結合、學科交叉、理實兼顧”原則組建，開啟校內外跨學科多行業導師聯合指導模式，實現全過程、全方位、多場景和個性化育人。導師群分工情況見表1所示。

2.項目群和學術群

項目群是平臺研訓課題的重要確定依據和萃取資源。平臺采用“研訓課題從項目中來，所學再用到項目中去”的循環遞進式教學模式。平臺擁有機器人科研、產品、競賽、創新創業、企業生產和管理等各級各類項目，先將每個項目分成若干理論、技術、工藝、管理知識和技能要點，按類別分層次梳理歸納成獨立的研訓課題內容素材，再依據機器人工程專業實踐大綱的要求，將素材有機聚合成一個個研訓課題，并集合成課題庫。課題庫將隨著各種新項目的加入而不斷優化更新，以保持研訓課題的前沿性、實用性、啟發性和創新性。

學術群是平臺人才培養質量的重要保障。平臺舉辦了院士論壇、項目首席專家講座、項目實施方案研討、博碩士學習和技術經驗分享、個人技術思路和創新創意交流、機器人核心部件、整機研制說明及功能演示等活動。通過平臺，我們邀請國內外知名大學、企業和研究機構的機器人專家、高級技術人員來校交流，舉辦機器人新理論新技術成果展示會、機器人國家重大專項專題講座、行業研發工具推介與應用研討會等，讓學生了解更多的機器人前沿科技及發展趨勢，開闊專業眼界。

3.實驗室群和基地群

科學與藝術是一枚硬幣的兩面，兩者的結合將啟發藝術創作之靈感，并推動科學研究的創新[3]。大學教育要實現科學與藝術的結合[4]。以中華優秀傳統文化教育推動大學生社會主義核心價值觀認同[5]。平臺在建設機器人工程技術科研、教學實驗室和實訓基地的同時，還將校內外具有歷史文化特色和革命傳統底蘊的教育基地納入平臺育人體系。平臺還與企業院所共建校外實踐基地，進一步優化、豐富育人場景空間，形成了校內外育人資源優勢互補、多方共贏和可持續發展的人才培養新格局。平臺的實驗室、基地建設情況見表2所示。

4.研訓課程群

平臺研訓課程群由機器人入門實踐、機器人技術基礎、機器人技術進階、機器人應用設計基礎、企業實習和畢業設計五個部分組成，每一部分都包含一個研訓課題系列。課題內容的設計以“項目引導、學科交叉、研訓結合、夯實基礎”為原則，將機器人科研、產品項目有機有序融入到課題之中，使研訓貼近機器人項目研發實際需求，讓學生親歷平臺的產、學、研、創、賽的全過程，完成全方位訓練，實現做中學、學中做，以研導學，以研促訓，以訓助研，循環推進。課程主要內容見下頁表3所示。

5.學業評價

本科生是高素質專門人才培養的重要群體，本科階段是學生世界觀、人生觀、價值觀形成的關鍵階段，本科教育是提高高等教育質量的重要基礎[12]。平臺對學生的評價以“德才兼備”為導向，以“人文素養與科學素質兼顧，專業基礎與創新能力并重”為原則，從個人素養、專業素質和創新潛力三個維度展開，見表4所示。

以表4為依據，結合研訓課題實現的功能、性能、外觀結構、創新創意、性價比、安全與環境影響，以及作品孵化、競賽成績等方面，對學生的每一項研訓課題的成績以及實踐總成績作出評價。

二、平臺實踐

（一）“導師群+”多學科交叉的個性化培養

機器人工程專業交叉融合控制科學與工程、機械工程、計算機科學與技術、工業設計等學科，學生的專業個性化發展空間開闊。大一下學期和大二為機器人技術入門和基礎夯實階段，開展機器人基礎普適性技術實訓，實行統一的研訓課題和教學指導。從大三上學期開始，學生自主選擇技術方向，研訓進入個性化培養階段。平臺將以行業專家、學科教授、企業院所高級技術人員和在讀博碩士助教，組成跨行業、學科、地域和單位、呈梯次和優勢互補的聯合導師團隊群。學生可自選導師團隊，各導師團隊根據所帶學生的前期基礎實踐情況和所選技術方向，為學生量身制訂后續個性化研訓方案，并根據平臺研訓課程內容安排，結合本團隊在研項目的技術資源，為學生設計個性化研訓課題，開展個性化指導和研訓過程的精細化管理。各導師團隊將學生帶入自己的科研團隊，將專業實踐置于機器人科研、產品項目的研發環境之中，讓學生接觸機器人科研項目，增長專業見識，培養科研興趣，開啟項目研究，培養研究思維，將研究所獲方法、技術遷移轉化到專業實踐之中。針對研訓過程中表現優秀的、或在學科專業某方面有突出能力和較高潛質的學生，導師團隊將為其另立后續研訓計劃，適當拔高培養標準，讓研訓課題更多涉及科研、產品項目，更深技術和創新元素，同時改由不同學科導師團隊聯合指導，為其專業個性化的橫向縱深發展創造條件。

（二）“研賽創+”項目制開放式創新協同育人

平臺堅持學科前沿性與工程導向性，把機器人“研創賽”項目與研訓課題結合起來，采用“問題—方案—論證—實踐—驗證—總結”六步訓練法，在“是什么—怎么做—為什么”的問題解決過程中培養學生自主性學習和創新潛力等綜合素養。大一下學期開始，平臺以學分、獎學金、評優和技術孵化等多種舉措激勵學生參加機器人、電子設計、工業設計、創新創業等校、省、國家級競賽，讓學科競賽成為平臺研訓新常態，以競賽培興趣、挖潛力、助創新、促教改。大二上學期開始，平臺又安排學生接觸機器人科研、產品和創新創業項目，僅2020年新加入的項目就有軌道智能巡檢機器人、醫藥大輸液視覺在線檢測機器人、電廠大型冷凝器清洗機器人、智能焊接機器人等8項，將項目的部分研發任務直接作為研訓課題，拓展了專業研訓層次空間。例如，2020年2月，機器人國家工程實驗室承擔了應急防控救護智能機器人項目，聯合企業、醫療等單位跨地域行業組成研發和指導團隊，平臺組織學生小組承擔并完成了部分研發任務。平臺還利用創新創業教育中心、科技成果轉化中心和知識產權中心等基地開展技術創新方法、微小企業管理和運作、科技項目轉化和知識產權運營等創新創業相關知識技能的培訓，與研訓課題搭配，培養學生創新創業團隊。

（三）“課程思政+”激發求知創新報國原動力

文化是民族的血脈，是人民的精神家園。新時代人才培養工作，要圍繞培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人這一根本問題，堅持立德樹人根本任務，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人。平臺充分發揮地域資源優勢，讓思政課程走出課堂，開展時事新聞分析、革命傳統教育、紅色影視作品觀摩、優秀傳統文化講座、愛國主義主題演講，擔任紀念館志愿講解員，開展假期紅色之旅和社會實踐等多渠道、多形式教育活動，將愛國主義教育和專業學習有機結合，以強國為動力，以需求定目標，以信念促學習。科學技術是第一生產力。目標識別是智能無人機的一項關鍵技術，通過真實案例引導，將智能無人機、目標識別等技術應用范例呈現給學生，激勵學生篤定目標信念，將來為國防科技作出貢獻。

三、結語

平臺自2018年開始創建以來，在人才培養和服務社會方面取得了良好成效。在2019中國機器人大賽中，獲冠軍1項、亞軍1項、季軍2項;在2020年RoboMaster2020機甲大師賽全國對抗賽中，獲嵌入式、雷達機器人、算法3個二等獎，以及戰隊、運營、機械、步兵、工程共5個三等獎;在2020年中國機器人大賽暨RoboCup機器人世界杯中國賽中，獲一等獎2項， 二等獎1項。學生探索創新項目作品有氣動柔性手部外骨骼康復機器人、基于小型飛行器的智能遙感測繪系統、蛙式交替掘進下水道清理機器人等20余項。學生作品產業孵化項目有智能焊接機器人、古機械復原、無人駕駛汽車ADAS系統等6項。2020年3月，湖南大學向湖南省人民醫院捐贈醫用噴灑消毒機器人和醫用紫外消毒機器人各1臺，平臺組織學生團隊承擔了部分研發任務。

今后平臺將加大“走出校門”的力度，以市場為導向，不斷優化課程體系、結構和內涵，不斷豐富平臺線上教學渠道和學習資源，不斷探索 “產學研”深層次融合共贏持續發展的新路徑，推動機器人工程專業人才培養水平更上一層樓。

[參考文獻]

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[作者簡介]盧斌，湖南大學電氣與信息工程學院高級工程師，碩士，研究方向：機器人技術研發及創新實驗室建設;楊紫伊，湖南大學科學技術研究院助理研究員，碩士，研究方向：科研管理及科技成果轉化。

[責任編輯 肖志明]