吳峰華， 李婷雪, 李連德， 楊哲海， 尹競瑤， 王 昊， 金 鑫

(沈陽城市學(xué)院 智能工程學(xué)院，沈陽 110112)

0 引 言

我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段。建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟體系，要以人工智能融合實體經(jīng)濟培育出的增長點推動先進制造業(yè)加快發(fā)展[1]。人工智能的創(chuàng)新普及是我國實現(xiàn)后來居上、邁入制造強國的重大歷史機遇[2]。為搶抓人工智能發(fā)展的重大戰(zhàn)略機遇，構(gòu)筑我國人工智能發(fā)展的先發(fā)優(yōu)勢，加快建設(shè)創(chuàng)新型國家和世界科技強國，2017年8月國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》(簡稱《規(guī)劃》)[3]，指出：“國家相關(guān)規(guī)劃計劃中部署的人工智能研發(fā)項目，重點是加強與新一代人工智能重大科技項目的銜接。加快智能制造與機器人研究，為人工智能重大技術(shù)突破提供支撐”，明確提出“支持開展形式多樣的人工智能科普活動，全面提高全社會對人工智能的整體認知和應(yīng)用水平。實施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程”。

以人類自身的形體結(jié)構(gòu)和智力為原型參照的關(guān)節(jié)驅(qū)動型仿人機器人是人工智能領(lǐng)域的典型代表[4]。關(guān)節(jié)驅(qū)動型仿人機器人已成為衡量一個國家和地區(qū)機器人技術(shù)水平的重要標(biāo)志，集中體現(xiàn)了基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)識別與追蹤、以高性能和強穩(wěn)定性為目標(biāo)的動力學(xué)建模與優(yōu)化控制、云計算與智能語音交互、精密仿真與基于新材料的驅(qū)動器設(shè)計等人工智能領(lǐng)域的諸多方面研究成果，涵蓋了機械、電子、自動控制、計算機和人工智能的生物學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、行為科學(xué)和社會科學(xué)等學(xué)科分支，呈現(xiàn)出史無前例的跨學(xué)科態(tài)勢。

1 產(chǎn)學(xué)研用融合的機器人課程體系架構(gòu)

21世紀(jì)是人類和機器人共處的時代。任何國家、任何職業(yè)、任何階層、任何年齡的人在其日常行為中，大部分時間要與機器人或人工智能產(chǎn)品打交道。民眾渴望更廣泛更深入地了解和接觸機器人，機器人行業(yè)迫切需要專業(yè)化應(yīng)用型人才，機器人研究團隊也不斷推出技術(shù)水平更高的研究成果。社會發(fā)展對機器人學(xué)科的教育提出了緊迫要求：應(yīng)該針對不同受眾群體提供有的放矢的機器人領(lǐng)域?qū)W習(xí)教育方案。為此，本文分別面向中小學(xué)生、高校機器人相關(guān)專業(yè)學(xué)生和機器人領(lǐng)域研究人員提出了3個層次的機器人課程體系。該課程體系面向機器人行業(yè)社會人才的崗位需求和具體工作內(nèi)容和能力要求，結(jié)合機器人產(chǎn)業(yè)化項目所面臨的產(chǎn)品開發(fā)、普及教育課程體系形成、項目推廣及服務(wù)等課題和工作，提出了機器人學(xué)科建設(shè)需要培養(yǎng)機器人產(chǎn)品經(jīng)理、機器人項目開發(fā)、機器人研發(fā)、機器人技術(shù)、機器人認證、機器人安裝調(diào)試與維護、機器人教師、機器人競賽等崗位人才。針對機器人行業(yè)人才的專業(yè)需求和技能要求，設(shè)置了9門核心專業(yè)課、10門方向?qū)I(yè)課程以及8個方向的研修課程,如圖1所示。

2 產(chǎn)學(xué)研用融合的機器人教育系列化課程

2.1 機器人科普教育系列課程(第1層級)

2.1.1 國內(nèi)外青少年機器人教育的現(xiàn)狀

人工智能的普及教育對于教育機器人的需求將形成巨大的市場。教育機器人作為新興領(lǐng)域在實踐應(yīng)用中雖然存在課程管理平臺、學(xué)習(xí)內(nèi)容和師資等缺乏等諸多困難，但是隨著教育機器人市場需求的日益增加，其發(fā)展前景及其廣闊和樂觀。在提倡素質(zhì)教育、注重通識教育、推行研究型大學(xué)模式的當(dāng)今時代，在教育機器人課程的推廣過程中，通過動手組裝和編程實踐，可以拓展青少年的工程實施能力和邏輯思維能力。這種寓教于樂的先進教育模式必將成為青少年人工智能教育的有效手段和工具?；谌蚪逃蜋C器人的相關(guān)市場調(diào)查報告及相似產(chǎn)品的發(fā)展歷程預(yù)測2016～2021年全球教育機器人的市場規(guī)模將達111億美元[5]。在機器人發(fā)展前景大好的大環(huán)境下，我國也非常重視教育機器人的應(yīng)用發(fā)展，不僅開展了各種比賽，教育機器人還被用于課內(nèi)外教學(xué)，如北京、上海、廣東、江蘇等地已經(jīng)將教育機器人納入地方課程或校本課程，以促進學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維、設(shè)計思維和計算思維的培養(yǎng)。隨著機器人技術(shù)的逐步成熟，研究教育機器人已成為一種必然趨勢。

如今世界各國的青少年科學(xué)教育都在發(fā)生劇烈、深刻的變革。美國的K-12科學(xué)教育框架和2014年提出的新一代美國科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)[6],英國經(jīng)過3年修訂后于2014年實施的小學(xué)國家課程學(xué)習(xí)綱要[7],日本6次修訂小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[8],新加坡2014年頒布的以“為明天做準(zhǔn)備”為目標(biāo)的小學(xué)科學(xué)課程大綱，無不面向各自國家和地區(qū)的內(nèi)在教育需求、努力讓小學(xué)生適應(yīng)未來的科技社會、提升本國的國際教育排名。

我國《全日制義務(wù)教育科學(xué)(3～6年級)課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗稿)》已經(jīng)頒布15年，修改版三易其稿爭議猶存[9]。2017年2月，教育部印發(fā)《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)[10]，指出“小學(xué)科學(xué)課程對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)揮了重要作用”，但在實踐中存在時代性有待增強的問題：課程內(nèi)容選擇缺乏現(xiàn)代科學(xué)的宏觀視野、活動設(shè)計不能充分體現(xiàn)科學(xué)實踐的基本特征、目標(biāo)定位與兒童認知特點和發(fā)展需求不相適應(yīng)。

《標(biāo)準(zhǔn)》強調(diào)：小學(xué)科學(xué)課被列為與語文、數(shù)學(xué)同等重要的“基礎(chǔ)性課程”，將科學(xué)課起始年級從小學(xué)三年級提前到一年級，科學(xué)課在九年制義務(wù)教育階段的高度前所未有?？茖W(xué)課程追求的目標(biāo)，并不僅僅是要孩子們掌握碎片化的知識，更重要的是應(yīng)該讓孩子們了解科學(xué)家的工作、學(xué)習(xí)像科學(xué)家那樣實踐和思考?？茖W(xué)教育必須將科學(xué)家做科學(xué)的方法融入到科學(xué)課程中去。在信息爆炸、知識呈指數(shù)級增長的未來社會，這項能力的重要性已無需贅述。

依據(jù)國務(wù)院《規(guī)劃》和教育部《標(biāo)準(zhǔn)》，人工智能的普及教育要從娃娃抓起。本文將人工智能以科學(xué)研究的方式引入小學(xué)課堂，將深刻的科學(xué)原理以通俗易懂的方式進行科普化體現(xiàn)和科研式實操，是保證小學(xué)科學(xué)課程的時代性、提高人民對教育滿意度的強有力措施。

2.1.2 青少年機器人教育的方法與內(nèi)容

將機器人作為引發(fā)興趣容易上手且科技含量較高的教具，通過觀察、比對、測量、記錄、組裝、搜索、體驗、思考、研討、編程、調(diào)試、創(chuàng)作等課堂行為完成機器人通識、機器人搭建、機器人感知、機器人學(xué)習(xí)、機器人控制等課程模塊，傳播機器人的無線遙感、語音交互、目標(biāo)識別、路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤、運動控制等科學(xué)道理與實現(xiàn)方法，設(shè)計機器人踢足球、跳舞、救援、搬運、競速、尋跡、答題等項目賽事，有效培養(yǎng)和充分發(fā)揮青少年的科技創(chuàng)新潛力，全面實現(xiàn)《標(biāo)準(zhǔn)》和《規(guī)劃》提出的人工智能普及教育和科普創(chuàng)作目標(biāo)。

機器人科普教育系列課程將設(shè)置6大學(xué)習(xí)模塊。

(1) “玩”機器人。該模塊包括控制軟件在內(nèi)的仿人機器人成品提供給青少年，按照基本操作方法運行機器人。完成走路、拐彎、歡迎、鞠躬、跳舞、踢球、倒地起身等動作，并回答學(xué)生提出的幾個設(shè)定好的簡單問題。例如，觀察機器人在做每個動作的時候，哪些位置是活動的？嘗試用控制軟件將幾個動作組合起來完成。

(2) “拆”機器人。通過拆解機器人，使青少年了解與思考機器人是怎樣做出來的。提供拆卸步驟，邊拆邊觀察機器人的結(jié)構(gòu)組成。深刻理解每一個零部件的位置連接關(guān)系和作用。觀察機器人舵機、電池、開關(guān)等與控制器的連接。將某一舵機與控制器連接，上電后用控制軟件調(diào)節(jié)舵機主軸旋轉(zhuǎn)，觀察轉(zhuǎn)向和幅度跟控制軟件設(shè)置量的關(guān)系,思考如何組裝機器人。

(3) “裝”機器人。機器人拆解后，按照原樣組裝起來。思考組裝步驟。提供答案供進行不下去時參考。

(4) “調(diào)”機器人。機器人重新安裝后，需要對舵機進行微調(diào)，才可恢復(fù)出廠狀態(tài)。在微調(diào)過程中，觀察調(diào)節(jié)量與舵機轉(zhuǎn)角的關(guān)系。

(5) “編”機器人。通過可視化編程軟件給機器人編寫程序，讓機器人執(zhí)行規(guī)定的或自己構(gòu)想的工作?？梢試L試難度較大的動作。比如：上下樓梯、跑步、跳高等。編程實現(xiàn)機器人回答更多的問題。

(6) “比”機器人。設(shè)計并開展機器人各項競賽。

2.1.3 積極在青少年中開展機器人競賽

根據(jù)其他學(xué)校的經(jīng)驗，孩子們對機器人課程的喜愛是難以想象的。他們不僅在課上積極地接觸機器人，在課后也主動研究，這種喜歡是發(fā)自內(nèi)心的。當(dāng)孩子的積極性被自發(fā)調(diào)動起來的時候，機器人教育的核心價值已經(jīng)在孩子們身上充分體現(xiàn)出來了。這是其他課程很少能做到的，但機器人課程完全能夠做到[11]。

機器人教學(xué)或者比賽，通常是以小組的形式通過任務(wù)來展開。雖然任務(wù)固定，但完成任務(wù)的方法和途徑卻是多樣化的，或者說解決問題的方案是開放性的。這種開放性的任務(wù)環(huán)境可以極大地發(fā)揮學(xué)生想象力、調(diào)動學(xué)生積極思考，挖掘每個人的想法，設(shè)計方案。對學(xué)生創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都大有裨益。以小組的形式則強調(diào)了合作精神，通過各種比賽的經(jīng)驗來看，最終取得好成績的小組，組員之間的合作一定是非常密切的。因此教學(xué)中小組成員常常被安排在一起，經(jīng)過長時間的磨合來培養(yǎng)他們之間的默契和團結(jié)。

方案確定后，機器人的教學(xué)可分為相輔相成的3部分:① 建模。建模需要學(xué)生對現(xiàn)實情況(或者物體)進行分解，然后抽象出其基本共通點，進行建模，搭建機器人。搭建前期的分解，抽象，建模是計算思維的核心內(nèi)容，同時搭建后期的組裝不僅鍛煉了學(xué)生的動手能力，還融合了諸如物理、數(shù)學(xué)等多學(xué)科的知識。② 編程。編程過程中學(xué)生的算法意識、邏輯思維得到了充分鍛煉，這也是計算思維的重要的內(nèi)容。③ 調(diào)試運行。這一階段需要系統(tǒng)、綜合考慮所有問題，進行反思，哪里出了問題，為什么出問題，原因在哪里，是機器人搭建結(jié)構(gòu)的問題還是程序編寫的問題，反復(fù)修改，反復(fù)調(diào)試，以達到最后能夠可靠執(zhí)行任務(wù)的目的。這一系列的過程涉及科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科，因此機器人教育還是STEM教育的主陣地。目前國內(nèi)外對于“如何通過教育機器人課程促進STEM學(xué)科整合及學(xué)生STEM素養(yǎng)提升”這一主題已逐步展開內(nèi)容廣泛的研究。例如美國卡耐基梅隆大學(xué)機器人學(xué)院(Robotics Academy)是隸屬于美國卡耐基梅隆大學(xué)的機器人教育機構(gòu)，致力于研究教師如何在課堂教學(xué)中使用機器人，講授計算機科學(xué)并借助機器人技術(shù)媒介，提升學(xué)習(xí)者在交叉學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域中的學(xué)習(xí)興趣，推廣機器人與教育的整合性應(yīng)用。目前該學(xué)院以ROBOTC[12]平臺為基礎(chǔ)，已發(fā)布近20門教育機器人相關(guān)課程，構(gòu)成了一個覆蓋K-12義務(wù)教育階段到大學(xué)階段的課程體系[13]。

機器人是學(xué)無止境的學(xué)科。因此在教學(xué)過程中，應(yīng)強調(diào)經(jīng)驗的積累和反思。這集中體現(xiàn)在對機器人結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試的要求中。只有在成功與失敗的經(jīng)驗或教訓(xùn)的總結(jié)中，一些工程學(xué)的設(shè)計理念才會漸漸地在孩子的腦海中明晰起來。機器人教育應(yīng)當(dāng)重視制作、調(diào)試過程中的質(zhì)疑和反思。調(diào)試的過程就是不斷自我質(zhì)疑和假定驗證的過程，也是反復(fù)思辨、自我挑戰(zhàn)的過程。在機器人教學(xué)中往往有些學(xué)校急功近利地購買現(xiàn)成的機器人方案，追求比賽成績過人一等，這是違反教育規(guī)律的。因為放棄了設(shè)計調(diào)試的過程，等于放棄了機器人教育的核心能力培養(yǎng)。學(xué)生雖然短期內(nèi)成績突出，但懷疑、批判能力的缺失，將使其在未來的高精尖人才的競爭中無法占據(jù)有利的地位。在機器人教學(xué)中，應(yīng)經(jīng)常向?qū)W生灌輸“創(chuàng)新思維，工匠作風(fēng)”的理念。永遠不滿足于現(xiàn)狀，永遠在腦海中思考如何推翻、改進設(shè)計，如何扎實地調(diào)試和摸索規(guī)律。

科學(xué)的批判與探究能力，是科學(xué)發(fā)展的不竭動力。信息技術(shù)日新月異，其本身就是在不斷地批判與探究中發(fā)展的。機器人教育應(yīng)更加看重學(xué)生的思維能力，尤其是分析問題、解決問題的能力及批判、探究能力的提高[14]。

2.2 機器人高等教育系列課程(第2層級)

2.2.1 國內(nèi)高校機器人教育的現(xiàn)狀

目前我國機器人的研究和人才培養(yǎng)主要集中在一些重點高校和科研院所的自動化專業(yè)、機械制造及其自動化專業(yè)、電氣工程及其自動化等專業(yè)。國內(nèi)部分高職大專院校相關(guān)專業(yè)也開設(shè)工業(yè)機器人操作與維護的課程，主要定位于部分固定品牌和型號的工業(yè)機器人的操作與維護，遠遠不能滿足市場一線技術(shù)人才的缺口。

2015年經(jīng)教育部批復(fù)，東南大學(xué)開設(shè)國內(nèi)本科階段首個“機器人工程”專業(yè)，以自動化大類的形式招生。學(xué)生到大三開始區(qū)分專業(yè)方向，其中之一為智能機器人方向。開設(shè)的主要課程有機器人學(xué)(2學(xué)分),多機器人系統(tǒng)建模與分析(1.5學(xué)分),機器人動力學(xué)與控制(2學(xué)分),服務(wù)機器人(1.5學(xué)分),工業(yè)機器人系統(tǒng)(2學(xué)分),特種機器人(研討課)(1.5學(xué)分),智能機器人系統(tǒng)綜合設(shè)計(研討課)(2.5學(xué)分)，共13學(xué)分。主要學(xué)習(xí)內(nèi)容為機器人學(xué)基本概況,機器人空間描述和變換,機器人正逆運動學(xué)及建模,機器人路徑規(guī)劃,機器人本體設(shè)計,機器人多平臺編程,多機器人系統(tǒng)建模方法,基于一致協(xié)議和剛性圖的多機器人編隊控制系統(tǒng)分析,基于微分幾何的多機器人尋跡編隊控制系統(tǒng)分析,機器人控制方法及實現(xiàn),服務(wù)機器人、工業(yè)機器人和特種機器人基礎(chǔ)知識以及基于自主性能實現(xiàn)、高級應(yīng)用等。東南大學(xué)機器人工程專業(yè)的特點是涉及面比較廣，注重研討，學(xué)生自主查閱資料，課上共同討論、學(xué)習(xí)和實踐，但并未針對機器人產(chǎn)業(yè)化進行人才培養(yǎng),學(xué)生動手實操的機會偏少。

到2016年，東北大學(xué)、湖南大學(xué)、北京信息科技大學(xué)、遼寧科技學(xué)院、沈陽科技學(xué)院、吉林工程技術(shù)師范學(xué)院、哈爾濱遠東理工學(xué)院、哈爾濱華德學(xué)院、常熟理工學(xué)院、南京工程學(xué)院、三江學(xué)院、安徽工程大學(xué)、安徽三聯(lián)學(xué)院、南昌理工學(xué)院、山東管理學(xué)院、武漢商學(xué)院、廣州大學(xué)、廣東白云學(xué)院、廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院、北京理工大學(xué)珠海學(xué)院、華南理工大學(xué)廣州學(xué)院、廣西科技大學(xué)、重慶文理學(xué)院、西安文理學(xué)院、西安航空學(xué)院等25所高校新增備案“機器人工程”本科專業(yè),足見機器人專業(yè)的受重視程度。

2.2.2 部分高校機器人專業(yè)課程體系設(shè)置狀況

資料表明，東北大學(xué)的機器人工程專業(yè)主要以控制科學(xué)與工程、機械工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程和認知科學(xué)等學(xué)科中涉及的機器人科學(xué)技術(shù)問題為研究對象，開設(shè)的主要課程包括機器人技術(shù)基礎(chǔ)、自動控制原理、機械學(xué)基礎(chǔ)、機器人操作系統(tǒng)、機器人動力學(xué)控制、機器學(xué)習(xí)、人機交互與人機接口技術(shù)等。培養(yǎng)目標(biāo)是部分畢業(yè)生通過更高層次人才培養(yǎng)過程，在高校、科研院所從事科學(xué)研究工作；部分畢業(yè)生從事機器人工程設(shè)計、技術(shù)研發(fā)、機器人系統(tǒng)運行與維護和工程應(yīng)用等方面的工作；部分畢業(yè)生在企業(yè)或其他相關(guān)部門從事各類管理工作；部分畢業(yè)生走上自主創(chuàng)業(yè)的道路[15]。

湖南大學(xué)機器人工程專業(yè)設(shè)置的專業(yè)課有機器人概論、機器人入門、機器人學(xué)、機器人控制基礎(chǔ)、機器人動力學(xué)及控制、機器人及其控制、機器人技術(shù)、微型機器人、機器人與現(xiàn)代社會[16],并開展了機器人學(xué)科課程體系的系統(tǒng)性和實用性方面的研究。

遼寧科技學(xué)院機器人工程專業(yè)主要培養(yǎng)FANUC/ABB等知名品牌工業(yè)機器人方向應(yīng)用人才。設(shè)置課程有：機器人技術(shù)基礎(chǔ),工業(yè)機器人離線編程仿真技術(shù),工業(yè)機器人編程設(shè)計與實現(xiàn),工業(yè)機器人系統(tǒng)集成設(shè)計,工業(yè)機器人典型應(yīng)用實訓(xùn),智能制造技術(shù)與應(yīng)用,工業(yè)機器人系統(tǒng)二次開發(fā),工業(yè)機器人技術(shù)綜合實訓(xùn)(操作、編程、視覺),工業(yè)機器人離線編程與仿真實訓(xùn)(離線編程應(yīng)用、工作站仿真),工業(yè)機器人工作站安裝與調(diào)試實訓(xùn)(本體及外圍設(shè)備),工業(yè)機器人典型應(yīng)用實訓(xùn)(弧焊、打磨、上下料),工業(yè)機器人系統(tǒng)集成設(shè)計實訓(xùn)(工作站方案),智能制造生產(chǎn)線實訓(xùn)(各單元模塊實訓(xùn))[17]。

南京工程學(xué)院自動化學(xué)院機器人專業(yè)方向主要規(guī)劃了機器人機械基礎(chǔ)與機構(gòu)學(xué)、機器人傳感器與檢測技術(shù)、機器人控制技術(shù)、機器人編程與操作等4門專業(yè)課程，其他大部分課程仍沿用自動化專業(yè)課[18]。

三江學(xué)院機器人工程本科專業(yè)由機械與電氣工程學(xué)院開設(shè)，設(shè)置機器人軟件、服務(wù)機器人和工業(yè)機器人3個專業(yè)方向[19]。

廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院機器人工程專業(yè)設(shè)置了機器人學(xué)、工業(yè)機器人及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、機器人控制與應(yīng)用、機器人傳感器與檢測技術(shù)、機器人綜合實踐、機器人現(xiàn)場編程、機器人系統(tǒng)集成技術(shù)等課程[20]。

武漢商學(xué)院機器人工程專業(yè)核心課程綜合了機械與自動化專業(yè)主干課，并增加了工業(yè)機器人方向的專業(yè)課，值得借鑒。具體包括：機械設(shè)計基礎(chǔ),機械制造基礎(chǔ),電路原理與分析,高級語言程序設(shè)計,電子技術(shù),單片機原理及其應(yīng)用,嵌入式控制系統(tǒng)及應(yīng)用,現(xiàn)場總線控制技術(shù),自動控制原理,運動控制系統(tǒng),電機與電氣控制技術(shù),機器人傳感器技術(shù)及應(yīng)用,PLC原理與應(yīng)用,工業(yè)機器人控制系統(tǒng),計算機視覺,工業(yè)機器人計算機編程,工業(yè)機器人仿真技術(shù),工業(yè)機器人系統(tǒng)集成技術(shù),生產(chǎn)運作管理[21]。

上述院校機器人工程專業(yè)課程體系設(shè)置還都處于邊實踐邊探索的階段。但都體現(xiàn)了專業(yè)融合和人才培養(yǎng)應(yīng)用化路線。面對機器人行業(yè)巨大又缺乏邊界的人才缺口，如何結(jié)合學(xué)校自身的研究方向進行本科生培養(yǎng)，形成產(chǎn)(產(chǎn)業(yè)化)、學(xué)(學(xué)業(yè))、研(研究)、用(用人單位)一體化互促式發(fā)展，是值得研究的課題[22]。

我校秉承“打好理論基礎(chǔ)-重視實踐應(yīng)用-對接工作崗位”的課程設(shè)置思路，面向世界級機器人比賽和仿人教育機器人研究、開發(fā)與推廣，建設(shè)機器人概論、機器人結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計、機器人運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析、機器人造型與視覺傳達設(shè)計、機器人控制原理與仿真分析、仿人機器人控制系統(tǒng)、機器人感知與辨識、機器人智能決策與規(guī)劃、教育機器人培訓(xùn)等9門機器人方向核心專業(yè)課程,以及機器人前沿技術(shù)解讀、仿人機器人開發(fā)、機器人制造技術(shù)、仿人機器人工藝仿真、仿人機器人本體設(shè)計、機器人電氣設(shè)計、機器人控制器與操作系統(tǒng)、機器人調(diào)試與保養(yǎng)、機器人故障診斷與處理、仿人機器人賽事研究等10門方向課程。課程體系中涉及的理論教學(xué)、項目實踐、實訓(xùn)演練、畢業(yè)設(shè)計等基本環(huán)節(jié)都體現(xiàn)機器人應(yīng)用技術(shù)和解決實際問題的本科專業(yè)定位，并能與實際工作崗位的工作內(nèi)容對接，培養(yǎng)機器人應(yīng)用型高素質(zhì)人才。

2.2.3 機器人專業(yè)課程的設(shè)置依據(jù)、建設(shè)目標(biāo)、主要內(nèi)容和相互支撐關(guān)系

根據(jù)機器人職位人才市場需求，機器人產(chǎn)品經(jīng)理、機器人項目開發(fā)、機器人研發(fā)、機器人技術(shù)、機器人認證、機器人安裝調(diào)試與維護、機器人教師、機器人競賽等崗位人才缺口較大。且這些崗位可以對應(yīng)于自研機器人的崗位設(shè)置。

(1) 機器人項目開發(fā)崗位。主要負責(zé)機器人項目的市場調(diào)研、客戶需求分析、前期技術(shù)溝通、基本方案編寫、及時把握新技術(shù)、掌握機器人的基本操作。對此，設(shè)置了1門核心課機器人概論(4學(xué)分),2門專業(yè)課：機器人前沿技術(shù)解讀(2學(xué)分)、仿人機器人開發(fā)(4學(xué)分)等課程。這幾門課是其他所有崗位工作都涵蓋的最基礎(chǔ)課程。

“機器人概論”的目標(biāo)是對機器人有整體了解。具體內(nèi)容包括機器人的基本發(fā)展歷程、各種機器人的基本結(jié)構(gòu)和原理、機器人總體情況和服務(wù)社會的宗旨、同行業(yè)其他機器人的基本情況以及自研機器人的對比優(yōu)勢等。

“機器人前沿技術(shù)解讀”的目標(biāo)是及時捕捉和了解機器人行業(yè)最新動態(tài)。因為機器人屬于日新月異的學(xué)科，新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品、新政策層出不窮。本課程引導(dǎo)學(xué)生以機器人設(shè)計結(jié)構(gòu)、加工工藝材料、新的仿真技術(shù)與仿真軟件、先進智能算法、先進控制方法、近期出現(xiàn)的新型機器人等各種視角實時收集相關(guān)知識、資訊和文獻，特別是與自研機器人相關(guān)的最新信息，并在課堂上研討,作為師生長期研究的課題。

“仿人機器人開發(fā)”的目標(biāo)是自研機器人的廣泛宣傳與推廣。本課程在學(xué)習(xí)我校自研機器人使用手冊和了解中小學(xué)情況的前提下，組織實訓(xùn)項目，深入中小學(xué)宣傳機器人。研究學(xué)生、家長、老師、管理層等對于仿人教育機器人引入科學(xué)課堂的反映，收集并分析客戶需求并形成報告，據(jù)此提出產(chǎn)品技術(shù)要求。可以把客戶心理學(xué)等作為研究方向。

(2) 機器人研發(fā)崗位。主要工作包括關(guān)鍵技術(shù)研究、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與外觀設(shè)計、圖紙審核；根據(jù)產(chǎn)品規(guī)劃、系統(tǒng)構(gòu)架和功能需求完成控制程序開發(fā)及文檔編寫、設(shè)計并實現(xiàn)機器人系統(tǒng)軟件架構(gòu)、系統(tǒng)軟件的定制和實時性優(yōu)化、器人運動控制算法的開發(fā)與實現(xiàn)、機器人運動軌跡規(guī)劃算法和優(yōu)化。仿真驗證方案可行性、工藝布局合理性、工藝流程優(yōu)化等；機器人生產(chǎn)過程模擬仿真研究、機電聯(lián)合仿真試驗等。為使學(xué)生畢業(yè)后能夠勝任此崗位，設(shè)置了機器人結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(6學(xué)分)、機器人運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析(6學(xué)分)、機器人智能決策與規(guī)劃(6學(xué)分)、機器人造型與視覺傳達設(shè)計(6學(xué)分)等核心課程,以及仿人機器人本體設(shè)計(4學(xué)分)、仿人機器人工藝仿真(4學(xué)分)、機器人感知與辨識(4學(xué)分)等專業(yè)方向課程。

“機器人結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計”的目標(biāo)是通過直觀的設(shè)計和調(diào)研，為機器人整體設(shè)計打好理論基礎(chǔ)。課程內(nèi)容要掌握構(gòu)成機器人的基本結(jié)構(gòu)和常用機構(gòu)的原理、設(shè)計、選型等。包括齒輪、聯(lián)軸器、軸、舵機等，以及常用產(chǎn)品的調(diào)研。以開發(fā)機器人的舵機齒輪為案例，通過SW、UG等三維設(shè)計軟件平臺完成設(shè)計計算。研究方向和內(nèi)容可以涉及先進設(shè)計理念、精密加工工藝等。

“機器人運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析”的目標(biāo)是利用等力學(xué)分析軟件，分析機器人設(shè)計方案的合理性，并對于薄弱環(huán)節(jié)提出改進方案。主要學(xué)習(xí)Adams軟件與Matlab軟件的基本使用方法以及機器人運動學(xué)與動力學(xué)模型。通過兩個軟件平臺完成機器人整機的運動學(xué)仿真分析，得出機器人的運動范圍仿真結(jié)果；以及機器人動力學(xué)仿真分析，以自研機器人為課堂案例，得出機器人極端情況下受力情況，用于舵機選型和結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計。為形成系列化產(chǎn)品做好鋪墊。同時可將仿真的條件、分析過程、數(shù)據(jù)擬合等作為研究方向或研究內(nèi)容。

“機器人感知與辨識”開設(shè)目標(biāo)是實現(xiàn)機器人接受視覺圖像、遙感信號、內(nèi)部傳感信號后，完成目標(biāo)位置和狀態(tài)等信息等的識別。主要學(xué)習(xí)并研究信號檢測方法和識別算法，特別是我校機器人已有的算法，并理解對應(yīng)軟件程序代碼。有創(chuàng)新思維的學(xué)生可以修改更新算法，并通過實際機器人平臺實現(xiàn)算法和軟件的驗證。課程以自研機器人為課堂案例和項目平臺。學(xué)生可以同步掌握Linux操作系統(tǒng)、C/C++、Python、Matlab等軟件使用。

“機器人智能決策與規(guī)劃”課程目標(biāo)是在“機器人感知與辨識”后，制定行為策略，例如，向目標(biāo)方向前進、向目標(biāo)方向踢球等，以及對路徑足跡和姿態(tài)等做出規(guī)劃，實現(xiàn)機器人的決策。主要學(xué)習(xí)并研究決策與規(guī)劃策略及主流算法，特別是自研機器人已有的算法，并理解對應(yīng)軟件程序代碼。有創(chuàng)新思維的學(xué)生可以修改更新算法，并通過實際機器人平臺實現(xiàn)算法和軟件的驗證。課程以自研機器人為課堂案例和項目平臺。學(xué)生可以同步精通Linux操作系統(tǒng)、C/C++、Python、Matlab等軟件使用。

“仿人機器人本體設(shè)計”課程在“機器人結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計”的基礎(chǔ)上，對自研機器人的各個部件進行三維仿真建模以及裝配建模，并生成標(biāo)準(zhǔn)化的工程圖用以加工零件。設(shè)計水平和標(biāo)準(zhǔn)要達到商用和產(chǎn)業(yè)化水平，學(xué)生作品經(jīng)過整改后直接用于零部件生產(chǎn)。設(shè)計過程中，可形成系列化和對比性的產(chǎn)品，可進行創(chuàng)新設(shè)計。還可利用“機器人運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析”課程內(nèi)容進行優(yōu)化設(shè)計。

“機器人造型與視覺傳達設(shè)計”課程主要完成自研機器人的造型和外觀設(shè)計以及操作軟件上的各個功能圖標(biāo)設(shè)計?？山梃b但要區(qū)別于市面已有的機器人，將美觀和實用性統(tǒng)一、具備獨特的設(shè)計風(fēng)格，形成自主知識產(chǎn)權(quán)的作品。培養(yǎng)較高的審美能力和表現(xiàn)能力。精通3D Max、Photoshop等軟件。設(shè)計水平和標(biāo)準(zhǔn)要達到商用和產(chǎn)業(yè)化水平，學(xué)生作品經(jīng)過整改后直接用于機器人產(chǎn)品。設(shè)計過程中，可形成系列化和對比性的產(chǎn)品，可進行創(chuàng)新設(shè)計。

“仿人機器人工藝仿真” 學(xué)習(xí)并借助Tecnomatix Robcad等通用的工作單元仿真工具，開發(fā)、仿真、優(yōu)化、驗證和離線設(shè)計機器人和自動制造流程。一方面用于產(chǎn)生機器人裝配過程的指導(dǎo)視頻，另一方面用于機器人零部件加工工藝的選擇和標(biāo)準(zhǔn)制定。學(xué)生作品經(jīng)過整改后直接用于仿人機器人裝配和外協(xié)加工(或自行加工的設(shè)備選型與工藝過程制定)。還可拓展工業(yè)生產(chǎn)的工藝仿真。此項工作研究意義重大。

(3) 機器人技術(shù)崗位。主要工作包括各種知名品牌機器人編程、非標(biāo)自動化設(shè)備程序設(shè)計、機器人電氣圖紙設(shè)計、機器人配置選型及操作和示教、編寫技術(shù)方案、出具電氣原理圖、部件選型、樣機制作、樣機調(diào)試。整理和歸檔電氣設(shè)計圖、BOM表、使用手冊，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的規(guī)范化，并對項目進行技術(shù)總結(jié)。 配合產(chǎn)品試制、安裝調(diào)試、測評與技術(shù)改進工作，配合質(zhì)檢、工藝等技術(shù)指導(dǎo)及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化推動工作等。為使學(xué)生畢業(yè)后能夠勝任此崗位，設(shè)置了機器人控制原理與仿真分析(6學(xué)分)、機器人控制器與操作系統(tǒng)(6學(xué)分)、機器人電氣設(shè)計(6學(xué)分)等核心課程,以及仿人機器人控制系統(tǒng)(4學(xué)分)、機器人制造技術(shù)(4學(xué)分)等專業(yè)方向課程。

“機器人控制原理與仿真分析”課程以“機器人運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析”課程的模型和仿真結(jié)果為基礎(chǔ)，計算正向和逆向模型解，計算給定姿態(tài)下的每個舵機角度以及給定舵機角度集下的機器人姿態(tài)，學(xué)習(xí)穩(wěn)定性判據(jù)并應(yīng)用于機器人控制模型，做出機器人不同行進速度的穩(wěn)態(tài)動態(tài)仿真結(jié)果，結(jié)合舵機技術(shù)參數(shù)模擬極限速度，為加速機器人行進步伐和設(shè)計機器人動作奠定堅實的基礎(chǔ)?？梢匝芯坎煌愋偷臋C器人抽象模型以及不同的求解算法。

“機器人控制器與操作系統(tǒng)”課程根據(jù)“仿人機器人開發(fā)”課程的機器人技術(shù)要求和“仿人機器人本體設(shè)計”課程的整機結(jié)構(gòu)條件約束，進行機器人的控制器選型。學(xué)習(xí)掌握Arduino、樹莓派、ARM等主流控制器的適用條件和編程環(huán)境，了解ROS、Linux等操作系統(tǒng)。學(xué)習(xí)并掌握RoboCup類人機器人和RoboMan教育機器人的控制器程序和開發(fā)環(huán)境，并理解對應(yīng)軟件程序代碼。有創(chuàng)新思維的學(xué)生可以修改更新算法，并通過實際機器人平臺實現(xiàn)算法和軟件的驗證。課程以自研機器人為課堂案例和項目平臺。學(xué)生可以同步精通Linux操作系統(tǒng)、C/C++、Python、Matlab等軟件使用。

“機器人電氣設(shè)計”課程完成機器人電氣系統(tǒng)的選型配置。包括識別決策軟件和控制軟件的硬件載體、電源配置、舵機、傳感器等的配置以及相互之間的連接，保證系統(tǒng)優(yōu)化運行。學(xué)會機器人行業(yè)日益流行的Eplan軟件繪制電氣圖紙。

“仿人機器人控制系統(tǒng)”利用“機器人控制原理與仿真分析”課程產(chǎn)生的仿真結(jié)果，完成機器人動作庫編制和設(shè)計并在自研機器人平臺進行調(diào)試。盡可能完成最快速的機器人步行或跑步速度。學(xué)會Unity3D軟件，借用“機器人造型與視覺傳達設(shè)計”課程生成的圖標(biāo)圖樣完成APP與PC上位機和控制器下位機軟件開發(fā)。實現(xiàn)用戶利用機器人無線遙控完成各個動作和動作組合編程，以及PC機軟件的動作編程。

“機器人制造技術(shù)”的宗旨是產(chǎn)生“仿人機器人本體設(shè)計”課程設(shè)計的自研機器人的各個構(gòu)件，以及保證制造的機器人成品符合國家標(biāo)準(zhǔn)并取得相關(guān)認證。學(xué)習(xí)使用或熟悉相關(guān)設(shè)備并掌握加工制造技能，配合“機器人安裝調(diào)試與保養(yǎng)”課程形成加工制造標(biāo)準(zhǔn)和驗收標(biāo)準(zhǔn)。另外，機器人認證崗位主要負責(zé)取得機器人產(chǎn)品上市前必須取得的3C等認證。需要熟知認證的意義、了解認證機構(gòu)和認證流程、熟悉機器人認證所采用的標(biāo)準(zhǔn)以及認證測試項目和測試方案等。因此，本課程需要學(xué)生掌握這方面內(nèi)容。機器人關(guān)鍵部件的精密加工以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都是值得研究的方向。

(4) 機器人的安裝、調(diào)試和維護。該崗位人才缺口最嚴(yán)重，也是我校自研機器人產(chǎn)業(yè)化過程中至關(guān)重要的工作環(huán)節(jié)。因此設(shè)置了“機器人安裝調(diào)試與保養(yǎng)”(4學(xué)分)和“機器人故障診斷與處理”(4學(xué)分)兩門專業(yè)課，前者可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)、實踐并改進優(yōu)化安裝調(diào)試規(guī)程，從中主動學(xué)習(xí)和積極探索機器人的奧秘、產(chǎn)生出高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量的機器人成品；后者主要負責(zé)維修從客戶處返回的機器人，并對機器人設(shè)計、用戶培訓(xùn)等提出改進意見。學(xué)習(xí)、實踐并不斷充實故障處理手冊，總結(jié)形成報告。這兩門課程能夠很好地鍛煉學(xué)生的動手能力、動腦能力、處理各種問題的能力、責(zé)任心等。這些都是相關(guān)工作崗位的能力要求。

(5) 機器人教師。隨著機器人的普及化發(fā)展，培訓(xùn)教師的需求量連年增加。自研機器人產(chǎn)業(yè)化項目一方面培養(yǎng)面向中小學(xué)和培訓(xùn)機構(gòu)的培訓(xùn)講師，另一方面學(xué)生們畢業(yè)后可以直接到社會上的對應(yīng)崗位任職。要求師生深入一線，綜合其他課程提供的資源，共同研究和編制培訓(xùn)教程和培訓(xùn)方案。將機器人教學(xué)內(nèi)容以機器人實例的形式展現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生先模仿后創(chuàng)造在實踐中獲得知識和技能，使學(xué)生對于機器人的基本原理有很好的把握，培養(yǎng)學(xué)生實踐應(yīng)用和創(chuàng)新能力；模塊化、層次化的教學(xué)資源支持教學(xué)創(chuàng)新和學(xué)生個性化自主學(xué)習(xí)；注重學(xué)生機器人基礎(chǔ)知識技能和教學(xué)能力的培養(yǎng)。

(6) 機器人競賽和會展。這是近年來世界各國機器人愛好者極力追捧的活動，也是推廣機器人產(chǎn)品、學(xué)習(xí)同行的先進技術(shù)以提高自身的水平和把握機器人未來開發(fā)走向以及提高學(xué)校知名度的重要渠道，也是極具研究價值的領(lǐng)域之一。但目前的狀況是大多數(shù)師生意識水平尚未達到應(yīng)有的高度，對研究比賽的重視程度遠遠不夠。因此擬開設(shè)專門的核心課程“仿人機器人賽事研究”(6學(xué)分)以彌補這方面的不足，并培養(yǎng)賽事組織和策劃工作者、比賽評委、比賽技術(shù)委員會成員、組委會成員、主辦方干事等崗位從業(yè)者。主要學(xué)習(xí)世界和國內(nèi)主流機器人比賽，尤其是涉及到仿人機器人的項目、參賽要求、比賽規(guī)則及規(guī)則演化趨勢、歷年參賽隊伍、歷年比賽成績、學(xué)術(shù)會議、技術(shù)委員會日常交流情況、跟進機器人比賽的實時動態(tài)信息。主要研究機器人課堂級、學(xué)年級、校級、省市級、國家級和國際比賽項目設(shè)置和規(guī)則要求、比賽策劃和組織等。

(7) 留學(xué)生教育。該教育是國際交流和國家教育的重要組成部分，如何結(jié)合留學(xué)生的特點制定相應(yīng)的教學(xué)方案是保障留學(xué)生課程教學(xué)質(zhì)量、提升國際化辦學(xué)水平的關(guān)鍵[23]。留學(xué)生來源區(qū)域分布跨度較大，留學(xué)生之間的個體差異性較為明顯。要把機器人本身吸引人之處與留學(xué)生自身的文化習(xí)慣結(jié)合起來設(shè)置既能讓學(xué)生感興趣又能讓他們聽得懂的課程。

“Fundamentals of Robotics”和“Robot Theory”是面向留學(xué)生開設(shè)的機器人專業(yè)課，主要教授機器人基本常識，包括機器人種類和基本發(fā)展歷程、各國機器人研究水平、世界先進機器人形態(tài)等，以及基本原理，涉及機器人的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動部件、機器人傳感器、機器人控制器、機器人基本操作等。全部英文教學(xué)。教學(xué)過程穿插關(guān)鍵詞的中英文雙語理解，讓留學(xué)生在科學(xué)與文化方面都得到充分熏陶。

2.3機器人高級研修系列課程(第3層級)

在國家政策大力支持和創(chuàng)新驅(qū)動科技進步的大趨勢下，機器人和人工智能發(fā)展迅猛，新理念、新技術(shù)、新成果層出不窮。發(fā)展機器人事業(yè)必須開放邊界，著眼未來，拓展思維。因此我校設(shè)置機器人高級研修系列課程定期邀請知名專家學(xué)者，組織機器人與人工智能領(lǐng)域?qū)ｎ}研修。涉及機器人生產(chǎn)線全流程優(yōu)化、機器人控制系統(tǒng)干擾補償理論及應(yīng)用、機器人軌跡優(yōu)化及控制技術(shù)、機器人的安全可靠性標(biāo)準(zhǔn)及測試方法、移動機器人定位及環(huán)境感知技術(shù)、中國十大標(biāo)志性機器人的機遇與挑戰(zhàn)、國家機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、機器人國際化標(biāo)準(zhǔn)、機器人的安全可靠性標(biāo)準(zhǔn)及測試方法等主題，吸納機器人領(lǐng)域前沿技術(shù)與思維、引進先進技術(shù)提高機器人世界比賽水平、宣傳與推廣機器人研究成果，與國內(nèi)外先進科研成果和管理理念接軌。

3 結(jié) 語

本文提出的機器人學(xué)科課程設(shè)置與內(nèi)容安排將課堂教學(xué)與科學(xué)研究、產(chǎn)業(yè)化項目、學(xué)生就業(yè)有機結(jié)合、融為一體，通過機器人科普教育系列課程、高等教育系列課程和高級研修系列課程培養(yǎng)人才，既能夠使學(xué)校機器人項目真正切實可行地服務(wù)社會，又能從中培養(yǎng)出用人單位急需的專業(yè)化應(yīng)用型人才，還滋生出一系列具有深遠意義的科學(xué)研究方向以培養(yǎng)和提升教師隊伍的科研能力。依托沈陽市仿人機器人重點實驗室、沈陽城市學(xué)院智能工程學(xué)院，將機器人學(xué)科建設(shè)成區(qū)域乃至國家仿人和教育機器人研發(fā)的源頭、解決方案的專業(yè)集成領(lǐng)地、機器人行業(yè)人才培養(yǎng)基地。向中小學(xué)生和科普愛好者提供完善的人工智能和機器人科學(xué)教育平臺和教育方案、在實踐中不斷滋生具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機器人學(xué)科各研究方向的科研成果、源源不斷地為遼沈地區(qū)和東三省乃至全國各地輸送機器人、人工智能等方向的中國制造2025戰(zhàn)略實施中的緊缺人才。同時孵化特種機器人、智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)，為區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展和振興提供強有力的技術(shù)和人才保障。