王帥 吳成東 賈子熙 王斐

摘要：作為第三次工業(yè)革命的重要增長點，機(jī)器人及人工智能技術(shù)正滲透到各行各業(yè)，機(jī)器人帶來的產(chǎn)業(yè)大爆發(fā)對我國高等工程人才培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)，迫切需要探索機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)，以滿足經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需求。文章介紹了機(jī)器人專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，討論了面向新工科的機(jī)器人專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案，通過構(gòu)建有序化和個性化相結(jié)合的產(chǎn)學(xué)研多主體協(xié)同育人人才培養(yǎng)模式，設(shè)置以創(chuàng)新和實踐為核心的交叉學(xué)科課程體系，建設(shè)基于教學(xué)科研資源轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新實踐平臺。經(jīng)過實踐，證明了創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的有效性。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人工程專業(yè);課程體系;培養(yǎng)模式;協(xié)同育人

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）14-0052-03

一、機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀

機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是衡量一個國家創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力的重要標(biāo)志，已成為全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要切入點，將影響全球制造業(yè)格局。為了搶占競爭日趨激烈的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)制高點，培養(yǎng)具備創(chuàng)新素質(zhì)的機(jī)器人技術(shù)人才成為各國政府和高等教育界關(guān)注的焦點[1，2]。

英國Plymouth University是全球第一所提供機(jī)器人本科教育課程的大學(xué)，其辦學(xué)思想是向?qū)W生提供模擬的由做到學(xué)的體驗，培養(yǎng)學(xué)生電子、嵌入式與高級編程、機(jī)電、人工智能等領(lǐng)域的實踐和分析技能，跟蹤機(jī)器人研究最新進(jìn)展。日本機(jī)器人教育及文化普及水平很高，在世界名列前茅，幾乎每所大學(xué)都擁有高水平的機(jī)器人研究和教學(xué)內(nèi)容，每年定期舉行不同層次的機(jī)器人設(shè)計和制作大賽，不僅加速了日本機(jī)器人文化的普及，而且調(diào)動社會力量，開發(fā)出大量的機(jī)器人產(chǎn)品，促進(jìn)了日本工業(yè)發(fā)展，并帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。美國卡耐基梅隆大學(xué)的機(jī)器人專業(yè)課程高度重視與科技實踐相結(jié)合，以團(tuán)隊為活動單位，在教師指導(dǎo)下以學(xué)生為中心開展活動，注重為學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主發(fā)揮空間。本科生首先通過導(dǎo)論課程對機(jī)器人領(lǐng)域有基本認(rèn)識，同時掌握一些基本技能。然后通過對認(rèn)知、感知、執(zhí)行這幾個核心模塊的學(xué)習(xí)，深入理解智能機(jī)器人所涉及的技術(shù)。其次，選一門動手課程增強(qiáng)動手能力，選兩門選修課增加知識的廣度。最后，通過系統(tǒng)工程以及核心課程的學(xué)習(xí)和實踐，將前面所學(xué)到的內(nèi)容融會貫通，為以后的學(xué)習(xí)和工作打好基礎(chǔ)[3]。

我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場空間不斷擴(kuò)大。與此同時，我國機(jī)器人應(yīng)用人才缺口巨大，且每年仍以20%—30%的速度增長。以往單純依托職業(yè)院校輸送應(yīng)用人才的培養(yǎng)機(jī)制已難以滿足未來市場需要，需要政府、企業(yè)、學(xué)校、科研院所等共同推動我國機(jī)器人應(yīng)用人才的培養(yǎng)與發(fā)展。教育部提出了適應(yīng)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的“新工科”概念[4]，應(yīng)對未來新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)國際競爭的挑戰(zhàn)，主動布局機(jī)器人和智能制造等工程科技人才培養(yǎng)。2016年，全國第一個機(jī)器人工程專業(yè)獲批;2017年，25所高校獲準(zhǔn)建設(shè)機(jī)器人工程專業(yè);2018年，60所高校獲準(zhǔn)建設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)，新增機(jī)器人工程專業(yè)數(shù)量在教育部近兩年來批準(zhǔn)培養(yǎng)新專業(yè)數(shù)量中排在第二位;截至2018年，國內(nèi)高校已成立10所機(jī)器人學(xué)院。可以預(yù)見，開設(shè)機(jī)器人本科專業(yè)，必將在國內(nèi)教育界形成熱潮。

然而，機(jī)器人專業(yè)的人才培養(yǎng)正處于起步階段。與國外高校如麻省理工學(xué)院、卡耐基梅隆大學(xué)等相比，我國的機(jī)器人專業(yè)培養(yǎng)體系亟須建立和完善[5]。相應(yīng)地，面向新工科的機(jī)器人專業(yè)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式亟待大力開展探索和研究。

二、面向新工科的機(jī)器人專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案

2015年9月，東北大學(xué)與中國科學(xué)院沈陽自動化所、沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司協(xié)同建立機(jī)器人學(xué)院。三方充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同探索機(jī)器人及相關(guān)領(lǐng)域拔尖創(chuàng)新人才選拔培養(yǎng)的新途徑，為快速發(fā)展的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)提供更有利的智力支撐和人才保障。

東北大學(xué)機(jī)器人科學(xué)與工程學(xué)院以控制科學(xué)與工程國家一級重點學(xué)科（國家雙一流學(xué)科）為依托，承擔(dān)“機(jī)器人科學(xué)與工程”二級學(xué)科建設(shè)。兩學(xué)科均具有碩士學(xué)位和博士學(xué)位授予權(quán)。機(jī)器人工程專業(yè)培養(yǎng)適應(yīng)國家智能制造戰(zhàn)略發(fā)展和國際科技前沿需求，掌握機(jī)器人工程的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，具備從事機(jī)器人領(lǐng)域的實踐技能，具有良好人文社會科學(xué)素質(zhì)修養(yǎng)、社會責(zé)任感和工程職業(yè)道德，具有創(chuàng)新精神和終身學(xué)習(xí)能力，兼具國際視野的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)面向新工科的教育理念，建立高校、企業(yè)、科研院所等多主體協(xié)同育人的創(chuàng)新模式框架，如圖1所示。學(xué)院統(tǒng)籌管理，推進(jìn)科教結(jié)合、產(chǎn)學(xué)融合、校企合作的協(xié)同育人體制機(jī)制改革;明確機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對社會和市場需求共同制訂人才培養(yǎng)計劃，設(shè)計教學(xué)課程體系，改革教學(xué)內(nèi)容和方法，編寫機(jī)器人系列教材;建立多層次的機(jī)器人工程專業(yè)實驗教學(xué)中心，依托高校，聯(lián)合企業(yè)、研究所建立共建實驗室，整合優(yōu)勢實驗資源，搭建資源共享實驗研究平臺，促進(jìn)資源共享、開放發(fā)展。

三、培養(yǎng)方案實施

1.構(gòu)建以創(chuàng)新和實踐為核心的交叉學(xué)科課程體系。機(jī)器人工程專業(yè)以控制科學(xué)與工程、機(jī)械工程、計算機(jī)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(rèn)知科學(xué)等學(xué)科中涉及的機(jī)器人科學(xué)技術(shù)問題為研究對象，綜合應(yīng)用自然科學(xué)、工程方法和技術(shù)，研究機(jī)器人的智能感知、優(yōu)化控制與系統(tǒng)設(shè)計、人機(jī)交互模式等學(xué)術(shù)問題。由于機(jī)器人工程專業(yè)涉及多個學(xué)科，為了合理有序安排課程，參照國內(nèi)外一流大學(xué)機(jī)器人工程專業(yè)培養(yǎng)計劃，設(shè)置培養(yǎng)目標(biāo)，分析課程設(shè)置，并與國內(nèi)外高校與企業(yè)專家深入探討，就課程選修順序進(jìn)行了細(xì)致的梳理。培養(yǎng)計劃不但符合學(xué)校的規(guī)定要求，也兼顧專業(yè)規(guī)律，由淺入深，保證人才培養(yǎng)定位和課程設(shè)置處于先進(jìn)水平。

機(jī)器人工程專業(yè)以智能機(jī)器人為主要研究對象，專業(yè)培養(yǎng)方向側(cè)重于機(jī)器人智能感知與決策理論和工程實現(xiàn)。按照課群分為自動化課群，包括C語言程序設(shè)計、電路原理、計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、自動控制原理、微機(jī)原理與程序設(shè)計、計算機(jī)控制系統(tǒng)等;機(jī)器人機(jī)構(gòu)課群包括工程制圖基礎(chǔ)、機(jī)器人機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)器人基礎(chǔ)原理、機(jī)器人動力學(xué)控制等;傳感器技術(shù)課群包括傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺等;機(jī)器人系統(tǒng)課群包括Linux系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)、機(jī)器人操作系統(tǒng)基礎(chǔ)等;人機(jī)交互課群包括機(jī)器人感知與人機(jī)交互（雙語）、計算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)、計算機(jī)仿真技術(shù)基礎(chǔ)等;人工智能課群包括人工智能概論、Python編程（雙語）、機(jī)器學(xué)習(xí)導(dǎo)論、智能控制概論、云計算導(dǎo)論等。循序漸進(jìn)安排每學(xué)年的專業(yè)課程設(shè)置，如圖2所示。

在實踐環(huán)節(jié)設(shè)置上，開設(shè)實驗課獨立授課的課程，包括機(jī)器人運動控制實驗、機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)實驗、移動機(jī)器人控制實驗、智能機(jī)器人系統(tǒng)綜合設(shè)計，實行“做中學(xué)”和學(xué)以致用。機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)學(xué)分占比大于25%，強(qiáng)化學(xué)生運用知識進(jìn)行工程實踐的能力，加深學(xué)生對專業(yè)理論知識的記憶與理解。由于機(jī)器人教學(xué)實驗設(shè)備價格普遍較高，購買的實驗套數(shù)較少，引入PBL（Project-Based Learning，簡稱 PBL）教學(xué)方法[6]。實驗課獨立授課的課程均為48個課時，一般多以3—5人組成實驗小組進(jìn)行實驗，而PBL教學(xué)模式的一個重要特征是以小組合作學(xué)習(xí)的形式來解決問題的活動。小組成員通過討論來分析問題、解決問題，在此過程中，學(xué)生的團(tuán)隊合作意識和溝通能力得到較好的發(fā)展。通過PBL教學(xué)模式的引入，在具體問題式實驗內(nèi)容的驅(qū)動下，同學(xué)們會針對問題進(jìn)行合理分工，不僅可以調(diào)動同學(xué)們的積極性，團(tuán)結(jié)合作，還能提高自主學(xué)習(xí)能力。

目前，機(jī)器人工程專業(yè)課程普遍缺乏必要的教材和實驗指導(dǎo)書。基于多學(xué)科交叉的課程體系建設(shè)，編寫機(jī)器人專業(yè)系列教材，具有重要的現(xiàn)實意義。因此，學(xué)院組織國內(nèi)外高校、企業(yè)及科研院所的專家，提出了機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)器人感知與認(rèn)知技術(shù)、機(jī)器人交互與融合技術(shù)、機(jī)器人系統(tǒng)集成等教材的編寫計劃，基于機(jī)器人工程專業(yè)的特點，構(gòu)建機(jī)器人理論、技術(shù)、工程設(shè)計與技術(shù)創(chuàng)新的機(jī)器人系列教材體系，注重人才的創(chuàng)新與實踐能力培養(yǎng)，從而為學(xué)生定制個性化的創(chuàng)新能力培養(yǎng)計劃，為推動學(xué)生的創(chuàng)新能力的發(fā)展提供先進(jìn)的教材支撐條件。

2.建設(shè)基于教學(xué)科研資源轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新實踐平臺。機(jī)器人學(xué)院創(chuàng)新實踐平臺主要包括基礎(chǔ)教學(xué)實驗室、專業(yè)實驗室、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室和校企共建實驗室?；A(chǔ)教學(xué)實驗室主要承擔(dān)本科生公共專業(yè)基礎(chǔ)課的實驗和實驗課獨立授課的實驗。合理安排機(jī)器人技術(shù)系列實驗，增加設(shè)計型、綜合型實驗內(nèi)容的比例，創(chuàng)造全天候開放的實驗教學(xué)環(huán)境，形成課內(nèi)外相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。依托校企合作優(yōu)勢，企業(yè)專業(yè)人員不但參與培養(yǎng)計劃的制訂，而且參與機(jī)器人課程教學(xué)與實驗實訓(xùn)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)適應(yīng)于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室面向全校師生，承擔(dān)本科生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)實踐，承擔(dān)各類實訓(xùn)培訓(xùn)，組織各級各類科技競賽，綜合運用所學(xué)知識進(jìn)行科技開發(fā)和新技術(shù)應(yīng)用。針對科技創(chuàng)新活動，建設(shè)創(chuàng)新實踐項目的專項培訓(xùn)類課程，強(qiáng)調(diào)專業(yè)知識的針對性與多學(xué)科的交叉融合，拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)運用知識解決問題的思路與方法，并結(jié)合課程設(shè)計和科技競賽、創(chuàng)新科研項目，達(dá)到漸進(jìn)提升本科生創(chuàng)新素養(yǎng)的目的，踐行產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的新工科研究與實踐模式。

專業(yè)實驗室為機(jī)器人專業(yè)前沿方向提供實驗研究平臺，主要包括高性能機(jī)器人本體技術(shù)平臺、自主導(dǎo)航與環(huán)境重建技術(shù)平臺和多智能體協(xié)調(diào)與人際協(xié)作技術(shù)平臺。主要服務(wù)對象為本科生高年級學(xué)生，以及博士和碩士研究生。

通過校企共建實驗室吸收和利用社會資源，尋找本科階段創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)與行業(yè)對創(chuàng)新人才需求的契合點，聯(lián)合開展人才培養(yǎng)與技術(shù)開發(fā)，實踐證明取得良好的效果。

四、實施效果分析

目前，機(jī)器人專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)方案已經(jīng)在機(jī)器人工程專業(yè)3個年級本科生中實施。通過創(chuàng)新和實踐為核心的交叉學(xué)科課程體系和基于教學(xué)科研資源轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新實踐平臺，本科生創(chuàng)新能力得到了顯著提升，在各類科技競賽和創(chuàng)新實驗項目中的成績逐年提高。近年來，項目組教師指導(dǎo)學(xué)生承擔(dān)了國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目27項，指導(dǎo)本科生參加各級各類大賽100余組，獲得國際/國家級獎項50余項。在2018全國“未來力大會”大學(xué)生社會創(chuàng)新大賽上，東北大學(xué)的“妙手回聲”項目榮獲創(chuàng)行中國科創(chuàng)冠軍賽全國總冠軍。王斐老師團(tuán)隊代表中國前往美國硅谷參加2018創(chuàng)行世界杯總決賽。在全國大學(xué)生智能汽車競賽中，東北大學(xué)獲得了2項全國特等獎和7項一等獎。其中，第三屆智能汽車競賽同時奪得視覺組冠軍和光電組季軍，創(chuàng)造了該年度全國所有參賽院校的最佳成績。

機(jī)器人工程專業(yè)雖然以新工科的理念探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，但在未來的建設(shè)中還須不斷借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗，完善基于問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)（PBL）模式機(jī)器人課程體系，建設(shè)多層次、開放型的機(jī)器人創(chuàng)新實踐平臺，建立深層次的國際合作辦學(xué)與學(xué)術(shù)交流，培養(yǎng)出符合國家戰(zhàn)略發(fā)展和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊建磊.國外機(jī)器人教育的發(fā)展及啟示[J].藝術(shù)科技，2013，（06）.

[2]王改霞，樸姬順.國內(nèi)機(jī)器人教育研究發(fā)展綜述[J].中國教育信息化，2012，（12）.

[3]https：//www.ri.cmu.edu/education/courses/

[4]吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發(fā)展和建設(shè)新工科主動適應(yīng)和引領(lǐng)新經(jīng)濟(jì)[J].高等工程教育，2017，（1）.

[5]王益，張劍平.美國機(jī)器人教育的特點及其啟示[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2007，（11）.

[6]Kolmos，Anette.Premises for Changing to PBL[J].International Journal for the Scholarship of Teaching and Learning，2010，（4）.

Abstract：As an important growth point of the third industrial revolution，robot and artificial intelligence technology are permeating various industries，and the explosion of robot industry has posed new challenges to the cultivation of higher engineering talents in our country，and it is urgent to explore the construction of robot engineering specialty in order to meet the needs of economic and social development.This paper introduces the present situation of the development of robot specialty，discusses the training scheme of innovative talents of robot specialty for Emerging Engineering Education，constructs the training mode of multi-agent cooperative education talents based on order and individualization，sets up the interdisciplinary curriculum system with innovation and practice as the core，and constructs the resources based on teaching and scientific research.Innovative practice platform for transformation.The effectiveness of the innovative talent training model has been proved by practice.

Key words：robot engineering major;curriculum system;training model;collaborative education