新工科背景下機器人工程人才培養(yǎng)體系的建設

劉敏　王耀南　張輝　何赟澤

［摘 要］ 隨著新興產(chǎn)業(yè)的興起和新經(jīng)濟的發(fā)展，目前機器人工程等新工科人才培養(yǎng)體系存在教學資源不足、培養(yǎng)模式單一以及課程內容陳舊等問題，無法滿足國家和產(chǎn)業(yè)發(fā)展對高素質新工科人才的需求。因此，湖南大學機器人工程專業(yè)立足國家戰(zhàn)略和前沿產(chǎn)業(yè)需求，致力于培養(yǎng)多學科交叉型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，提出了“三軸支撐—兩鏈融合”的機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系。該模式自實施以來，在機器人工程領域人才培養(yǎng)方面取得了突出的應用成效，可供國內外高校借鑒。

［關鍵詞］ 新工科；機器人工程；多學科交叉

［基金項目］ 2021年度中國高等教育學會創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育分會“‘四新建設與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育”研究課題項目“‘四新與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育高質量發(fā)展研究——‘新工科背景下人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式的改革與實踐”（IEEECKT202108）；2022年度湖南省普通高等學校教學改革研究立項項目“基于專創(chuàng)融合的自動化專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式的研究與改革”（HNJG-2022-0501）

［作者簡介］ 劉 敏（1981—），男，湖南益陽人，博士，湖南大學電氣與信息工程學院副院長，教授，主要從事機器視覺和模式識別研究；王耀南（1957—），男，江西吉水人，博士，湖南大學電氣與信息工程學院教授，中國工程院院士，主要從事智能機器感知與控制技術研究；張 輝（1983—），男，陜西咸陽人，博士，湖南大學機器人學院教授，主要從事機器人視覺檢測與控制及深度學習圖像處理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）04-0001-04［收稿日期］ 2022-12-10

引言

隨著新一輪產(chǎn)業(yè)革命的出現(xiàn)，機器人、智能制造、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術迅速發(fā)展，對當前工程領域全鏈條化發(fā)展提出了前所未有的要求［1-2］。因此，工信部先后發(fā)布《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》《關于促進機器人產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等一系列文件，推動我國機器人產(chǎn)業(yè)快速健康可持續(xù)發(fā)展［3］。機器人產(chǎn)業(yè)迎來高速發(fā)展，相關企業(yè)對機器人工程專業(yè)人才需求迫切，但同時對人才培養(yǎng)提出了更高的要求。各高校以新工科的提出為契機，結合“一帶一路”“互聯(lián)網(wǎng)+”和“中國制造2025”等國家重大戰(zhàn)略，整合各工科專業(yè)優(yōu)勢建設機器人工程專業(yè)，解決新經(jīng)濟、前沿交叉學科、未來技術領域人才短缺等問題［4］。

雖然眾多高校在機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系的探索和實踐方面取得了一定的成績，但更多表現(xiàn)在對原有相關教學科研工作基礎上的進一步加強，或者是結合各校優(yōu)勢專業(yè)方向，對本科教育進行有特色的加強［5］，仍然沒有打破傳統(tǒng)工科培養(yǎng)體系的局限性，難以培養(yǎng)出符合國家戰(zhàn)略需求的新型人才。因此，湖南大學以培養(yǎng)機器人領域工程技術人才為根本目標，發(fā)揮機器人領域優(yōu)勢，依托現(xiàn)有各大重點實驗室平臺，成立了全國首批機器人學院，開設了機器人工程專業(yè)，構建了多學科交叉融合，提出了“三軸支撐—兩鏈融合”的機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系，致力于培養(yǎng)思維新、視野廣、國際化的科學研究型、技術創(chuàng)新型與科技創(chuàng)業(yè)型人才，并取得了豐富的實踐成效。

一、機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)存在的主要問題

當前，我國機器人和人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，機器人和人工智能領域急需眾多技術型高端人才，但我國機器人領域人才的教育現(xiàn)狀并不樂觀，在教學資源、培養(yǎng)模式、課程內容和教學方法等方面存在嚴重不足，無法滿足國家對高素質專業(yè)人才的需求。

（一）教學資源不足，缺乏支撐體系

機器人工程專業(yè)是新工科背景下設立的全新專業(yè)，因此，一些高校的教學資源建設尚不完善，嚴重缺乏實踐教學基地，亟須緊跟時代前沿科技建設教學資源。具體地，多數(shù)高校仍延續(xù)自動化、機械工程等已有學科教學團隊，不能專注于機器人工程專業(yè)的教學，缺乏對機器人工程專業(yè)的教學研究，需要成立全新的符合機器人工程專業(yè)的教學團隊；此外，許多高校并沒有省部級、國家級等機器人教學平臺作為支撐，缺少足夠的實驗場地和實驗設備進行理論驗證，理論與工程實踐不能得到有效貫通和融合。

（二）培養(yǎng)模式單一，缺乏個性化發(fā)展

目前，機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式尚未完善，各高校仍然采用傳統(tǒng)的“填鴨式”培養(yǎng)模式，脫離多元化發(fā)展，限制了學生思維和能力的培養(yǎng)。并且，一些高校未能針對學生的不同興趣、能力、未來職業(yè)規(guī)劃制訂個性化培養(yǎng)方案，做到因材施教，尚未打破傳統(tǒng)模式的局限，因而部分學生僅具有單一的知識體系和思辨能力，缺乏個性化發(fā)展［6］。同時，傳統(tǒng)的教育培養(yǎng)模式存在不同程度的過度專門化、過早專門化等弊端，導致出現(xiàn)學科壁壘，窄化了工程人才的知識體系。

（三）課程內容陳舊，滯后了前沿科技

一些課程內容相對陳舊，未能根據(jù)國家戰(zhàn)略需求和科技發(fā)展做出相應調整，存在當前教學內容與機器人技術發(fā)展脫節(jié)的問題，缺乏涉及前沿科學技術的教學內容。當前，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、計算機、機器人等領域的技術更新迭代迅速，易使高校的課程教學與時代脫軌，人才培養(yǎng)落后［7］。

二、“三軸支撐—兩鏈融合”機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系

針對現(xiàn)有的人才培養(yǎng)體系無法滿足國家對機器人工程專業(yè)人才巨大需求的困境，湖南大學機器人工程專業(yè)結合新工科建設背景，提出“三軸支撐—兩鏈融合”人才培養(yǎng)體系，由“教師團隊軸”“校內教學平臺軸”“校企創(chuàng)新基地軸”三軸構成機器工程專業(yè)強勁的支撐體系；另外，以“特色課程鏈”“綜合實踐鏈”為兩鏈主體構建理論與實踐深度融合的能力培養(yǎng)體系，培養(yǎng)思維新、視野廣、國際化的科學研究型、技術創(chuàng)新型與科技創(chuàng)業(yè)型人才，建立全新的機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系，主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務創(chuàng)新驅動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略。

（一）三軸支撐，建成堅實完善有力的支撐體系

1.教師團隊軸，支撐創(chuàng)新人才培養(yǎng)。為了適應機器人領域技術的高速發(fā)展，解決機器人工程專業(yè)教師團隊缺乏的問題，湖南大學機器人學院構建了一支師資力量雄厚、專業(yè)能力過硬的教師團隊，現(xiàn)有專兼職教師33人，其中校內教師26人、外聘兼職教授7人。由中國工程院院士、國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才等國家級科技人才組建智能控制與機器人研究教學團隊、視覺感知與人工智能研究教學團隊和人工智能及其應用研究教學團隊等對機器人領域的前沿知識開展相關教學工作，便于學生根據(jù)自己的興趣愛好以及個人能力自主從三個（不同的）教學團隊中選擇心儀的導師進行相關知識的學習，接觸機器人領域最前沿的科學技術，避免與時代脫軌。

2.校內教學平臺軸，保證教學正常推進。為了有效解決教學設施不足的問題，湖南大學機器人工程專業(yè)由機器人視覺感知與控制技術國家工程研究中心、國家超級計算長沙中心、汽車車身先進設計制造國家重點實驗室等國家級、省部級平臺組建教學平臺，設有機器人基礎、工業(yè)機器人、服務機器人和特種作業(yè)機器人等教學實驗室。學生可以通過教學實驗室掌握機器人傳感器、機器人控制器和機器人設計的基礎知識，并能利用機器視覺技術、語音語義識別技術和地圖建模等技術從事各類智能服務機器人的設計、研發(fā)和高級應用開發(fā)等工作。

機器人學院通過教學平臺實驗室重點培養(yǎng)學生對智能機器人、智能制造、智能信息處理等領域前沿技術的認識，為機器人工程專業(yè)提供教學基地，為學生的實踐能力培養(yǎng)提供有效支撐，保證教學能夠正常推進。

3.校企創(chuàng)新基地軸，彌補教學資源不足。加強校企聯(lián)系，建設校企創(chuàng)新基地，有效彌補校內教學資源的不足，以便學校可以及時地、有針對性地對學生進行實踐技能的培養(yǎng)，讓學生了解企業(yè)對人才技能的需求。湖南大學聯(lián)合博世集團、威勝集團、紅太陽廣電、開元儀器等知名企業(yè)共建校企深度融合的機器人創(chuàng)新人才培養(yǎng)基地，加強產(chǎn)學研協(xié)同，探索高校與重點企業(yè)、科研院所之間靈活的協(xié)同育人機制和模式。此外，湖南大學孕育了一批如湖南愛米家智能科技有限公司、長沙安芯屋木藝有限公司等具有創(chuàng)新意識的企業(yè)，校企之間互動密切，為湖南大學培養(yǎng)符合國家戰(zhàn)略的機器人工程專業(yè)人才提供了強有力的支撐。

（二）兩鏈融合，構建理論實踐融合的培養(yǎng)體系

1.特色課程鏈，夯實專業(yè)基礎。機器人工程專業(yè)是融合自動化、機械工程、計算機科學與技術等學科的前沿交叉學科，學院堅持學科前沿性與工程導向性，充分發(fā)揮湖南大學工程學科群的多學科交叉優(yōu)勢，針對機器人工程專業(yè)特定人才需求，采用個性化培養(yǎng)模式，制定“機器人+”學科交叉的個性化全新課程體系，以“5+3”的人才模式進行培養(yǎng)。前5個學期，采用多學科交叉融合、知識結構與素養(yǎng)重建的教改模式，緊密結合機器人學科方向進行多學科融合教學改革，夯實專業(yè)基礎；后3個學期，根據(jù)每位學生的發(fā)展目標制訂個性化培養(yǎng)方案，培養(yǎng)專業(yè)創(chuàng)新能力。具體地，按照深度和能力遞進設置通識教育、學門核心、學類核心、專業(yè)核心及個性培養(yǎng)5個課程模塊。在專業(yè)核心課程上，機器人學院開設全新的機器人領域特色課程，包括“機器人基礎”（2學分）、“機器人原理與機構設計”（4學分）、“機器人感知與學習”（4學分）、“機器人驅動控制”（4學分）和“智能機器人系統(tǒng)”（4學分），使學生充分掌握機器人組成原理、機械結構、控制原理等技術的相關理論；在個性培養(yǎng)方面，學生可以根據(jù)興趣愛好從機器人感知與學習、機器人運動控制、機器人結構設計和機器人前沿技術等5個方向選擇，并采用方向分組與任選相結合的方式實施，且每個方向設有4門課程，以實現(xiàn)學生能力的多元化發(fā)展，有效解決傳統(tǒng)培養(yǎng)模式單一的問題。

2.綜合實踐鏈，啟發(fā)創(chuàng)新思維。為了有效實現(xiàn)理論與實踐的深度融合，提高學生的綜合實踐能力，湖南大學機器人學院制訂了“導師群+”實踐驅動的項目制課程體系和“研賽創(chuàng)+”開放式創(chuàng)新協(xié)同育人實踐體系。（1）“導師群+”實踐驅動的項目制課程體系：實行項目制教學，以遞進式實踐項目啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。建立多學科交叉融合的導師團隊與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作坊，實行多學科導師與學生團隊融合的項目制教學模式；制訂貫穿整個大學期間的實踐教學體系，設計迭代升級的實踐教學環(huán)節(jié)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，以從基礎到專業(yè)、從簡單到系統(tǒng)的遞進式實踐教學啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。（2）“研賽創(chuàng)+”開放式創(chuàng)新協(xié)同育人實踐體系：實行“政產(chǎn)學研資”合作模式，以產(chǎn)業(yè)前沿技術助推科學創(chuàng)新，拓寬學生的設計思維與國際視野。通過政府產(chǎn)業(yè)發(fā)展機構、企業(yè)家與知名校友共同參與的學院理事會，構建“政產(chǎn)學研資”緊密合作、產(chǎn)業(yè)與人才協(xié)同發(fā)展的人才培養(yǎng)機制，以科學研究、學科競賽、科技“雙創(chuàng)”等方式培育具備研究、創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力的復合型人才。

三、人才培養(yǎng)模式的成效

湖南大學機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系立足于習近平新時代中國特色社會主義思想，取得了豐碩成果，建立了需求驅動、學科交叉、理論與實踐深度融合的機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系，專業(yè)建設思路清晰，成績斐然。

（一）實驗室建設成效顯著

2014年以來，湖南大學機器人領域新建1個國家級工程研究中心、4個省部級工程實驗室、6個教育部產(chǎn)學研協(xié)同育人中心，可容納兩百余人做實驗，建立了以產(chǎn)業(yè)需求為導向的新型教育模式，建立了工程訓練中心和實驗平臺，緊密結合企業(yè)實習實踐基地，系統(tǒng)開展了機器人工程訓練和生產(chǎn)實習，加強了學生的工程技術實踐能力以及對機器人工程專業(yè)的認識和興趣，實驗室以及育人中心的育人模式得到社會各界人士認可。

（二）學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力得到極大提升

在優(yōu)質教師團隊的指導下，參與國家級及省部級實驗平臺訓練的學生在各種賽事中取得了優(yōu)異的成績。近年來，近260人次在全國大學生創(chuàng)新實踐活動競賽中獲獎，學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力得到極大提升。僅在2021年機器人領域相關學科競賽中，湖南大學獲國家級一等獎6項、二等獎9項、三等獎3項，獲省級一等獎4項、二等獎4項、三等獎2項，競賽獲獎數(shù)量位居全國高校前列。

（三）社會各界對人才培養(yǎng)成果給予高度評價

機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系所培養(yǎng)的本科生，表現(xiàn)出很強的創(chuàng)新意識和實踐動手能力，深受用人單位好評。2014年7月，時任總理李克強視察我院機器人創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果展，稱贊團隊培養(yǎng)的學生“有勇氣，思想活躍，有創(chuàng)意火花”。來自《人民日報》、新華社、中央電視臺、《光明日報》、《經(jīng)濟日報》等十多家主流媒體報道了機器人領域人才培養(yǎng)特色及科研成果。此外，新華網(wǎng)、湖南經(jīng)視、新浪微博等主流媒體先后針對機器人領域創(chuàng)新人才培養(yǎng)、大學生競賽獲獎等進行了報道，積極評價湖南大學為高等院校本科生教育工作做出了示范作用。

結語

機器人、智能制造和人工智能等前沿產(chǎn)業(yè)需要大量機器人領域專業(yè)人才，因而機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)是高等教育的重中之重。本文首先分析了目前我國機器人和人工智能領域高端人才培養(yǎng)在教學資源、培養(yǎng)模式、社會需求等方面存在的不足，重點介紹了“三軸支撐—兩鏈融合”的機器人工程專業(yè)新型人才培養(yǎng)體系，建立了“政—學—研—產(chǎn)—資”多方聯(lián)合支持、跨院系多學科交叉融合培養(yǎng)的工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才協(xié)同培養(yǎng)模式。雖然新的人才培養(yǎng)體系取得了明顯成效，但是成果仍有進一步深化和完善之處，例如可以持續(xù)優(yōu)化教學手段，加強教學與科研的有機融合，強化校外實踐教學基地建設，以實現(xiàn)更深入的校企融合人才培養(yǎng)。

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Construction of Robot Engineering Talent Training System under the Emerging Engineering Education： Taking Robot Engineering Major of Hunan University as an Example

LIU Mina， WANG Yao-nana， ZHANG Huib， HE Yun-zea

（a. College of Electrical and Information Engineering， b. School of Robotics， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China）

Abstract： With the rise of emerging industries and the development of new economy， the current training system in robot engineering cannot meet the national needs of the industrial development for high-quality New Engineering talents because of the problems of insufficient teaching resources， single training mode and outdated curriculum content. Therefore， based on the national strategy and the demand of frontier industry， the robot engineering major of Hunan University aims to cultivate interdisciplinary innovative and entrepreneurial talents， and proposes the robot engineering professional talent training system of “Three-Axis Support and Two-Chain Integration”. Since its implementation， it has achieved outstanding results in the field of robot engineering training， which can be used for reference by domestic and foreign universities.

Key words： emerging engineering education; robot engineering; multidisciplinary