基于新工科新農科的《生物生產自動化與機器人》課程體系優化

徐麗明，張 賓，王紅英，劉星星，張凱良

(中國農業大學工學院，北京 100083)

0 引言

近年來，我國農業裝備產業綜合實力快速提升，逐步形成了較為完善的農業裝備工業體系，隨著現代農業生產對高端裝備和智能化工程技術的需求，國內眾多農業產業龍頭企業對高端、創新復合型人才的需求日趨迫切。2015年5月19日，國務院印發《中國制造2025》，這對現代農業和農業裝備提出了新挑戰，也亟需新型技術人才。據相關機構統計，到2025年，農業裝備相關領域人才缺口達50萬人。2019年4月，教育部等相關部門發布“六卓越一拔尖”計劃2.0，鼓勵發展“新工科、新農科”等，大力推動新型人才的培養。

機器人技術從20世紀50年代開始發展，是一種集園藝、機械設計、自動控制、圖像處理、專家系統、傳感器和智能控制等多學科、多技術融合的技術。在農村勞動力急劇下降、勞動力成本急劇增加的情況下，用“機器代替人”“機器人代替人”是現代農業需要解決的關鍵問題。

本研究以“新工科、新農科”為指導思想，依托國家現代農業發展戰略，緊密結合新工科、新農科、鄉村振興、智慧農業和精準扶貧等專題，針對研究生課程《生物生產自動化與機器人》，優化和提升課程目標和課程體系，細化課程重點和內容，提高學生在機器人整體方案設計、機械設計、自動控制和圖像處理技術等方面的專業技能，提升學生的專業知識、專業技能、自學能力和“三農”情懷，把握國際前沿技術，夯實專業知識基礎，構建學生的發散型科研思維、扎實專業基礎技術和創新能力，為現代化農業培養創新型人才。

1 國內外相關機器人課程情況

1.1 國外教學情況

國外大學和研究機構對機器人課程的發展相對較早，已形成了系統性。如美國卡耐基梅隆大學機器人學院以ROBOTCl平臺為基礎，構成一個覆蓋從小學到大學階段的機器人課程體系；俄勒岡州立大學搭建了TekBots機器人學習平臺；麻省理工大學和美國東北大學都開設了機器人專業[1]。每年“美國農業與生物工程師學會國際學術年會”(ASABE)的機器人大賽，都吸引許多海內外學生參賽。

日本的機器人起源于20世紀60年代，國際機器人展覽會(iREX)，由日本工業新聞和日本機器人產業協會主辦，目標是“與機器人一起共創未來”。新加坡國立教育學院舉辦的亞太地區ROBOLAB國際教育會議，研討機器人的教育方式。加拿大多倫多大學、阿爾伯塔大學、西安大略大學和不列顛哥倫比亞理工學院等都開設了機器人專業。

1.2 國內教學情況

我國的清華大學、國防科技大學、南開大學、上海大學、北京郵電大學和北京航空航天大學等建立了機器人課程的教學，主要以授課為主，學校的機器人教學和相關比賽活動相對獨立，但是國內涉農高校的機器人課程相對較少，需要進一步加強，以適應新形勢對人才的要求。

清華大學開設了機器人技術與應用、智能機器人和太空機器人等課程。北京航空航天大學設有機器人工程專業。國防科技大學開設了機器人控制課程，組織學生參加相關比賽。東北大學采用DIY推動機器人教育。上海交通大學開設了機器人性能仿真與控制原理、步行機器人機構學課程。哈爾濱工業大學開設了機器人工程專業、智能機器人專業和智能裝備實驗班。南開大學開設了機器人課程[2]。

北京工業大學開設了機器人學和柔性自動化、智能工程課程。北京郵電大學開設了工業機器人課程和機器人系統綜合性實驗課。北京郵電大學積極開展機器人理論教學與競賽實踐[3]。中國礦業大學徐海學院開設了工業機器人課程，面向問題進行啟發式教學，開展分層次的項目驅動式教學。浙江大學開設了生物生產機器人課程[4]。安徽理工大學的機器人課程，采用基于三維建模軟件和工程數學軟件建立虛擬仿真平臺的方法[5]。上海理工大學為研究生開設機器人專業基礎課程。中南民族大學及部分學院，也開設了相關的機器人課程[6-11]。

我國涉農大學中，華南農業大學人工智能學院開設了人工智能專業；南京農業大學農業機械化及其自動化專業，開設了生物生產系統機器人課程、精準農業等課程，其人工智能學院設有人工智能專業；浙江大學開設了生物生產機器人課程；江蘇大學在農業裝備專業開設了智能化農業裝備課程。

中國農業大學工學院2000年起開設了機器人基礎、生物生產自動化與機器人、生物生產機器人設計、機器人系列實驗等課程，理論和實驗結合，提高學生的機械設計、編程、圖像處理和動手能力等[12]。

中國農業機械流通協會、中國農業機械工業協會、中國農業機械化協會、中國農業機械學會和中國農業工程學會，從2017年起，聯合舉辦了“中國農業機器人大賽”，吸引了國內外的高校參加比賽。

2 《生物生產自動化與機器人》課程體系優化

新工科建設是應對新經濟的挑戰，從服務國家戰略、滿足產業需求和面向未來發展的高度，在“卓越工程師教育培養計劃”的基礎上，引入新技術、新產業、新業態和新模式，改造升級傳統工科專業，培養新型的工程科技人才。

人類社會由第3次工業革命的信息時代進入第4次工業革命的智能化時代，現代農業也迎來新的發展需求，中國特色社會主義新時代的農業發展和農業技術人才培養也面臨著更高的要求和挑戰。新農科人才需要掌握更多智能化時代的知識和新型技術，其培養方式上要求應用更多的電子化技術、信息化技術和科技理論等。

本課程依據新工科、新農科的理念，緊密結合國家現代農業的發展戰略，培養新型的創新型人才。

2.1 課程目標

本課程依據現代農業發展和國家鄉村振興發展戰略，以“德育為先、能力為重、三全育人”的人才培養理念，以“多學科系統發展、卓越綜合素養”為核心，培養具有厚實工科基礎理論、瞄準產業發展、胸懷世界和情向“三農”的拔尖創新人才為目標。

本課程的主要任務是通過課堂教學、作業錄像、作業視頻和機器人實驗等環節培養學生掌握生物生產機器人基本原理、世界前沿技術等能力，通過案例剖析，擴寬知識結構，擴寬科研思維，掌握現代化農業自動化、智能化的創新能力。機器人實驗環節，針對問題，學生可以進行機械手/手爪設計、自動控制和圖像處理等模塊的學習，提升專業技能，鍛煉設計能力、動手能力和團結協作能力。

2.2 教學內容

2.2.1 理論講授

理論講授主要包括3方面的內容。①概述。主要講授生物生產系統的概況、機器人定義；教學要求是了解掌握生物生產系統的概念、組成和發展等。②設施生物生產系統自動化技術和機器人。主要包括智慧農業系統、環境自動監控技術、水肥一體化自動系統、自動化搬運機器人系統和移栽機器人系統等；教學要求是了解掌握設施生物生產系統自動化技術和機器人。③機器人技術。主要講授機器人的發展前沿、機器人原理和生產案例剖析。

案例剖析是本課程的重點，主要講授無人駕駛技術、田間管理機器人、采摘機器人、水果自動化分級技術、林果管理機器人和畜牧養殖機器人等。每個案例以“問題引出—方案提出—方案設計—試驗驗證”為思路，著重闡述“如何發現問題、如何解決問題、實踐驗證”的思維方式，掌握解決問題的專業技術理論、技術方法、實驗方案設計、試驗驗證和結果分析等。

以臍橙采摘機器人為例，按照“臍橙采摘情況—種植模式農藝參數—人工采摘方式—采摘機器人設計—實驗”的思路，讓學生從生產實踐中發現問題、設計方案、參數計算和制作加工，直至解決問題。具體的教學案例如圖1所示。

圖1 臍橙采摘機器人案例剖析Fig.1 Case analysis of navel orange picking robot

2.2.2 實驗操控

結合現有的機器人平臺(圖2)，學生可以自主設計機械手、運動自動控制和圖像處理等模塊，學生自由選擇進行實戰操練，掌握知識技術、三維繪圖、自主編程、圖像算法、試驗設計和試驗數據分析等。

圖2 課程實驗教學平臺Fig.2 Teaching platform of course experiment

2.3 實施效果

本課程實施后，學生可以掌握機器人的基本原理，獲得機器人整體設計方案、機械設計思路、自動控制和圖像處理等專業知識技能，并進行實驗設計，形成發散式科研思維，掌握機器人前沿技術，提高創新能力，立足服務農業產業發展，樹立愛農、知農和興農的理想。

3 結束語

我國現代農業的快速發展，《中國制造2025》戰略的實施，都亟須智能化專業人才，教育部等相關部門鼓勵培養“新工科、新農科”創新型拔尖人才。在此背景下，《生物生產自動化與機器人》課程以“德育為先、能力為重、三全育人”的人才培養理念，以“愛農、知農、興農”的創新型人才為培養目標，優化課程目標和知識體系，著重加強學生科研思維、專業知識和創新能力的訓練，為現代化農業發展培養新型人才。