基于“一中心四布局”的機器人工程專業教學實踐探究

張宏強 郭家偉 王佐 邵國慶 梁峰

關鍵詞：需求；機器人工程；“一中心四布局”；高素質應用

0 引言

在新工科建設的背景下，機器人工程專業的建設與研究在部分高校逐漸展開，目前已經取得了一定成績。馬天力等人提出一種“教賽合一”的專業培養新模式，將學科和競賽相結合的專業發展模式，提出了具體的改革思路[1]。王承業等人利用多功能的工業機器人實驗室建設方案，在理論研究的基礎上進行實踐化應用教學[2]。張海濤等人從理論和實踐課程框架兩方面推動專業發展，實現“理論—實踐—再理論—再實踐”的正反饋效果[3]。陳皓等人闡述了機器人工程專業人才培養方案與人才培養模式、校企深度合作開展專業建設以及實驗設備與實習基地建設[4]。王春玲根據學生參加機器人大賽，探討了大賽對教師隊伍建設、學生全面發展、教育教學改革等的促進作用[5]。馬榮琳針對應用型地方本科院校機器人工程本科專業，制定畢業要求、可考核指標點，展開課程體系構建研究[6]。

黨的二十大報告提到要加強新興和交叉等學科的建設，對高校學科和專業的建設提出了新的要求。機器人工程專業是跨學科和多種技術融合的專業，對專業的建設需要更加精準化、深入化和需求化。

1 機器人工程專業人才培養現狀與存在的問題

機器人工程主要研究機器人的結構、電氣硬件、軟件控制等方面設計和應用的基本知識和技術，以及對其相關應用系統和生產線的設計、裝配、調試和優化等，代替人類的手工作業，改善勞動環境和降低勞動強度。機器人工程專業人才的需求量與日俱增，根據《中國機器人產業發展報告（2022年）》顯示，僅在中國人工智能機器人行業人才缺口就高達500萬（人）。

面對如此大的人才需求量，高校對機器人工程專業的建設需要及時發現目前的問題并有效解決，才能培養出更優秀的人才。

部分高校在機器人工程專業人才培養上目前存在著以下不足。

1） 專業設立時間短，專業建設基礎和經驗薄弱從總體看，高校設立機器人工程專業的時間都不長，在不斷的摸索中進行發展和優化，專業建設方面基礎和經驗薄弱，培養目標、學制安排、教學內容、教學方法和課程教材等都要根據社會和企業對人才的新的需求不斷完善和開拓創新。

2） 教師資源緊缺，專業技能和綜合技能有待提高部分高校機器人工程專業的教師隊伍的數量比較緊缺，需要進一步補充和引進，在引進和留住人才的政策上也要適當調整。另外經過調查發現，機器人工程專業的教師的專業大部分都是非本專業畢業，原因是此專業較新，目前畢業生較少，尤其是碩、博研究生畢業人數更少，所以目前只能通過其他專業的有近似研究方向的老師任教，所以教師的專業技術能力和綜合技能有待提高。

3） 教學實驗設備和平臺緊缺和陳舊，有待補充和優化部分高校機器人工程專業的教學實驗設備的標準化需要提升，市場上售賣此專業的教學設備多種多樣，廠家通過簡單的一個自動化項目改裝就變成了教學設備，這樣不利于學生對專業知識的學習。另外有些實驗平臺是借助其他專業的平臺，雖然有知識體系的關聯，但比較陳舊，與市場和企業的技術方面有局部的滯后，所以機器人工程專業的實驗設備、平臺比較緊缺和陳舊，有待補充和優化。

4） 學生對專業理論知識學習起來比較抽象，實踐經驗較少學生對機器人的專業理論知識理解起來相對比較抽象，如機器人位姿的坐標變換、機器人的運動學和動力學等知識。理論知識感到抽象是實踐經驗少的原因，如學生連串聯機器人都沒有見過，對連桿兩端相鄰坐標系變換的理解就會很抽象。

2 機器人工程專業“一中心，四布局”的思路

為把高校機器人工程專業的學生培養為高素質應用型人才，需要在培養模式、教學內容和方法等方面進行不斷創新，提出了“一中心四布局”教學實踐探究，即以學生為中心，在教學、項目、大賽、創業四個方面進行同時布局，圖1為機器人工程專業教學實踐“一中心四布局”的構建思路。

機器人工程專業教學實踐的“一中心四布局”的構建是相互關聯、相互促進和相互統一的過程。

機器人工程專業的建設以學生為中心是核心和導向標，是開展“四布局”的主體和中心，這一原則必須要長期堅守。

教學是項目的基礎，為項目的順利展開提供技術基礎；教學為大賽提供指導，教學的專業知識為大賽的賽事技能提供指導；學生創業最大的問題除了資金短缺以外，就是大學生沒有一個創業的理論思路和體系，不知道如何開始，不知道從哪里開始，教學只能為學生創業提供理論支撐。

項目為教學提供實踐的載體，學生通過項目的實踐能更好地理解教學過程中的理論知識；項目為大賽提供平臺，大賽平臺的設計和建立需要綜合體現多種知識的應用，讓學生參與項目的設計有助于能夠更快地勝任大賽所需的技能，項目為大賽提供一個很好的技術平臺；項目也為創業提供經驗，學生參與項目的設計、組裝和調試，會積累很多經驗，這些經驗會為學生后期創業提供寶貴的技能財富。

大賽能夠深化教學的理論知識，讓學生加深對理論知識的理解，提升應用知識的技能；大賽為項目提供思路，讓學生多參加相關的大賽，了解和掌握不同大賽平臺所需的技能，為做項目提供系統應用和技術創新的思路；大賽為創業提供技能，一個大賽設備是一個先進技術的集成，學生在參賽過程和氛圍中不知不覺地掌握跨學科的綜合技能，對這種技能的掌握一直會延續到學生創業的過程中，起到力半功倍的效果。

創業為教學提供方向，因為創業是就業的一部分，學生創業過程中收獲的反饋為教學提供寶貴的指引；創業能夠改進大賽平臺，創業需要貼近和響應客戶的需求，客戶的需求是學生畢業后達到的技能水平的要求，這樣的技能水平很大一部分就是要通過大賽來訓練，大賽平臺的技術水平需要與其對標，通過創業了解客戶對人才的技能水平的要求從而改進大賽平臺，使培養出的學生更加符合社會的需求；創業為項目帶來最新的市場需求，從而帶來新的技術需求，這種新的技術需求為項目提供前期的技術方案，使項目與市場進行緊密的關聯和結合。

3“一中心，四布局”的具體的實施策略

3.1 堅持以學生為中心

機器人工程專業的建設更要強調“以學生為中心”，既要看到大學生對這個專業的共同的熱愛和對專業未來方向的憧憬，又要看到學生之間的差異，根據差異進行引導式教育，從而更好地預判和倡導培養結果的多樣性，這種多樣性是指學生對整個專業體系有自己的看法和見解，具備創新思維和獨特扎實的專業技能。

另外要把學生的個體差異和專業建設的標準統一起來，在統一的系統的專業建設框架下要考慮個體差異的冗余度和靈活度，在每個環節上的設置上都要考慮這一原則，把“以學生為中心”落到實處。

3.2“四布局”的具體實施策略

在機器人工程專業建設中，堅持“以學生為中心”，以教學、項目、大賽和創業的“四布局”同時進行，夯實了機器人工程專業建設的基礎和增加建設經驗，“四布局”的實施是一種創新，具體實施策略如下：第一，以培養人才為目標，以專業建設體系為生態，狠抓、深抓教學質量。

在“四布局”中教學是主體，是“以學生為中心”原則下培養人才的主要環節，要在專業建設的過程中圍繞這一主要環節。

機器人工程專業教學實踐需要探索新的方向，如在教學模式上需要結合項目、大賽和創業的方式建立體系，結合實際問題積極反思，對教學內容進行突破和創新，以抓教學質量作為主線，在力度和深度上都要下功夫。

機器人工程專業設立時間短，專業建設基礎和經驗薄弱的問題比較明顯，所以通過創新的教學改革形成專業建設的體系生態，來夯實基礎和增加經驗，使培養的學生專業技能和綜合素質更高。

第二，以項目和大賽為依托，加強學生對專業理論知識的理解和掌握，增加實踐經驗。

以大賽為依托增加學生實踐的教學思路在很多高校已經進行了研究和開展，但以項目為依托目前還是處在初步探索階段，這里主要是結合“項目制”

教學。

“項目制”教學是讓學生在項目的設計、組裝和調試中，身臨其境、不知不覺地牢牢掌握專業知識和技能，例如在學習機器人專業知識工具坐標系的標定時，如果能結合實際項目弧焊機器人的焊槍的三點位置參數標定和z/x方向的姿態參數的標定的實際操作來講解，學生就理解和掌握得更快、更深。

另外在大賽中，學生不僅掌握了比賽的技能，更重要的是從深層次明白了大賽平臺是怎樣設計的，原理是什么，怎樣改善和拓展大賽設備等，例如機器人大賽的部分設備中機器人需要與PLC進行通信，使用這樣的設備不僅要讓學生掌握怎樣操作機器人進行編程和怎樣編PLC梯形圖，還要讓學生掌握機器人的結構是怎樣的，要掌握機器人的控制原理是怎樣的，要掌握集成電氣硬件電路是如何設計和接線的等。

第三，通過“四布局”的反動力，彌補和優化教師資源，提高教師的專業技能和綜合技能。

在教師方面，需提高教師的專業技能和綜合技能，提高理論與實踐水平。在“四布局”中，首先要求教師要具備專業要求的教學能力，要具備設計項目、指導比賽的能力和具有創業思路的規劃能力等，鼓勵老師結合機器人相關的企業和研究院走產學研一體化道路。在項目的研究上也要和企業深入合作，不能只停留在理論層面上而沒有較多的實踐驗證。

另外要結合多種渠道和資源聘請在企業從事機器人相關行業的專家和工程師擔任教學工作和大賽指導，并進行深入的項目經驗和最新市場需求的交流，對專業建設進行指導，對專業評估做出把關。在教師的聘用上增大“雙師型”的占比，優化用人制度，讓教師的企業經驗很好地發揮出來。

在青年教師的培養制度上也要持續完善，老教師能夠積極引導青年教師發揮出應有的潛能，使青年教師在教學和科研上有一個循序漸進的提高，使整個機器人工程專業的教師隊伍的教學質量和綜合技能整體提升。

第四，以大賽為平臺，以項目設計為手段，補齊和更新教學實驗設備。

大賽平臺涉及的大賽設備對學生的教學尤其是實驗教學是一種寶貴的資源，原因有以下兩點：其一：大賽設備代表著較先進的市場技術和市場信息，如用PLC作為主站，機器人作為從站進行軸承的裝配的比賽平臺，涉及的裝配工序之復雜、控制輸入輸出之多等對學生的教學是一個很好的實踐平臺，這種用機器人以及輔助設備做某種產品的裝配的應用是目前機器人領域內比較前沿的應用。

其二：大賽設備一般會是一個跨學科的綜合的平臺，涉及的專業知識比較全面，這恰恰符合機器人工程專業跨學科的專業特點和專業優勢。如上面提到的用機器人裝配軸承的比賽設備，它是涵蓋機器人系統、PLC控制系統、灌珠裝置、分珠裝置、軸承內外圈裝配裝置和視覺識別和判斷等系統，所以能夠熟練完成這樣的大賽設備的操作，對學生的專業知識和技能的訓練是非常有好處的。

大賽設備其實就是一個集成很高的項目，項目為大賽提供平臺，大賽為項目提供思路，兩者相輔相成，要做到互相補充、互相平衡和互相促進。

把機器人大賽的設備和項目設計的設備合理有效地補充到教學實驗設備中，既是對大賽設備和項目產品的有效利用，又是對教學實驗設備的及時補充和布置更新。

第五，以教學、項目和大賽支持學生創業，以創業帶動就業和促進人才培養，形成良性的內循環和外循環。

高校大學生創新創業項目是一個很好的項目，對大學生的自主創新創業起到了很好的啟發和支持作用。在機器人工程專業的建設中，對學生的支持途徑較多，可以通過教學理論知識的培訓支持，通過科研基金項目的拓展支持，通過大賽的技能支持和設備支持等，這樣就形成一個良好的內循環。

大學生的創業還能夠與校外的企業、科研單位等合作。大學生自己的科研成果可以成為企業的重要技術的輸入，從而為大學生提供更多更高的合作平臺和就業機會，這種良性的外循環能夠促進學校培養人才和社會需求人才建設一個暢通的溝通平臺。如機器人工程專業有學生通過學校的創新創業項目，設計了自己的項目成果，并申請了專利，目前正在和企業談產品后期的合作，這就充分見證了大學生的潛力被發揮到了一個很高的層次，對大學生的能力鍛煉以及專業的建設和人才培養都是一個很好的標桿作用。

4 結束語

面對市場環境和人才需求的不斷變化，對高校機器人工程專業的建設提出了“一中心四布局”的教學實踐，即以學生為中心，在教學、項目、大賽、創業四個方面進行布局，解決了部分高校目前在機器人工程專業培養人才上的不足，通過相關的思路梳理，制定了“一中心四布局”教學實踐探究的具體策略，把學生的個體差異和專業建設的標準統一起來，從提高教學質量、增強學生的實踐能力、增強教師隊伍的綜合能力、補齊和更新了教學設備以及建立了創業的良性內外循環等方面進行了具體的專業建設的策略布局，在培養本專業學生具備扎實的理論、很強的實踐能力以及創新的綜合能力等方面起到了初步的成效。

對機器人工程專業的教學實踐的探究任重而道遠，不能因為是新專業而找借口，更不能因為是資源緊缺而找理由，對專業建設的改革和創新需要不斷探索、實踐和優化，這樣才能培養出更加適合企業和社會需求的機器人相關的專業人才。