工业机器人专业教材建设的思考

余 皡

（机械工业出版社高等教育分社，北京 100037）

机器人是典型的集光、机、电、仪、信息、自动化为一体的高技术产品。工业机器人作为机器人中发展最早、最成熟的一类产品，最具代表性。特别是《中国制造2025》的提出，将工业机器人产学研推向了国家战略层面。中国制造产业升级需要大量的工业机器人，更需要大量的掌握工业机器人专业知识的人。而目前我国高等教育领域工业机器人专业相关人才的培养从质和量上来说，都是远远不能满足社会和行业需求的。为了尽快培养出合格的人才，亟需推进工业机器人专业课程和教材的建设。

一、国内工业机器人行业的人才需求情况

（一）国内机器人行业发展

目前我国已经成为全球第一大工业机器人应用市场，但遗憾的是，我国工业机器人产业发展较晚，受相关技术和加工工艺等因素影响，中国工业机器人市场基本被以ABB、库卡（已被我国美的集团收购）、发那科和安川四大巨头为主的机器人品牌占据着，国产机器人品牌仅占约8%的市场份额（如图1所示）。作为关键核心部件的控制器市场，也同样被外企所占据。

图1 国内工业机器人市场份额

令人欣慰的是，很多国内企业在纷纷发力，如美的、新松、华中数控、广州数控、哈工大机器人集团等都在不断研发新产品，努力追赶国际先进产品。

（二）工作岗位情况分析及人才需求特点

工业机器人在实际使用中，一次性定位精度受场地和生产工艺的制约，很难提高，但其重复定位精度可以做到非常高，所以多采用现场示教编程的方式来进行安装和工艺调试，这种使用方式非常消耗人力和时间。另外，工艺改进和生产变更也需要人工重新调试。因此，目前大多数生产制造企业针对工业机器人的机器换人作业，需要庞大的现场调试和生产线监控人员；而对于工业机器人的研发领域来说，其光、机、电、仪、信息、自动化一体的高技术性，使得高端研发人员非常缺乏。表1所示为教育部、人力资源和社会保障部、工业和信息化部三部委联合印发的《制造业人才发展规划指南》的制造业重点领域人才需求预测。

表1 制造业重点领域人才需求预测（单位：万人）

二、普通高等教育工业机器人教材和教学现状分析

如上所述岗位人才的需求呈现两极化趋势，一方面，应用型现场操作人员需求量大；另一方面，复合型研发人才因为要求高而紧缺。这就使人才培养的目标产生了很大差异。一方面，要求心灵手巧，执行能力强，严格最受标准，上手快；另一方面，要求基础知识过硬，机、电、控甚至人工智能等方面知识全面，还有更高的创新能力和团队合作能力。下面简单概括目前普通高等院校一般人才培养的情况。

（一）普通高等教育工业机器人专业建设情况

截至2018年初，教育部一共审批通过60所本科高校开展机器人工程专业建设。在2017年初仅有25所高校获批。这说明，在本科阶段机器人专业的起步很晚，甚至第一批专业学生可能还没有入学，或者刚刚开始本科基础课程的学习，离毕业参加工作还很远。也就是说，大规模、专业化的定向培养还没有真正准备好。甚至机器人工程专业是放在自动化学院，还是放在机械工程学院都还在争论之中，各不相同。从而形成目前参与工业机器人工作的高校毕业生更多是分布在机械工程、电子工程、计算机工程、自动化、电气工程等相关专业。而课程主要是通过增加选修课内容，专业互补，概念灌输来实现专业突出、兼顾整体的人才培养模式。

（二）普通高等教育工业机器人专业教材出版情况

针对目前高校这种培养模式，主要出版社出版的工业机器人本科教材多以《工业机器人概论》《工业机器人导论》《工业机器人技术基础》为主。其内容大体包括：工业机器人结构、工业机器人机构学、工业机器人动力系统、工业机器人控制技术、工业机器人感知系统、工业机器人编程、工业机器人生产线布置等。这其中不乏近年来工科中的优秀教材和获奖教材，而且市场反响很好，为课堂教学的开展提供了有力的支撑。

还有一些专业出版社与相关高校合作，进行专业课程的建设，根据工业机器人涉及的内容知识将工业机器人课程细化分类，进一步提高。出版了一些具体的、单学科的、有针对性的教材。比如，《机器人机构学的数学基础》《工业机器人操作及编程》《机器人视觉与控制》《工业机器人生产线装配与维护》等教材。但因为读者体量的缺乏，以及与各高校目前确实没有如此多的课时开展这些课程的教学工作，所有使用效果不是很理想。

三、工业机器人专业方向教材建设

未来几年随着国内制造业的不断转型、升级，工业机器人、服务机器人等将不断走进生产和生活之中，成为必不可少的一部分。企业和社会对人才的需求，紧逼高校人才培养加速，亟需尽快确定行之有效的课程大纲，编写出质量上乘的课程教材。作为出版社，我们可以从三方面着手进行教材的建设，即教材体系建设、教材内容建设、教材形式建设。

（一）教材体系的建设

教材体系的建设，离不开课程体系的建设。大部分的教材其实都是由成熟的课程转化而来的。其路径一般有引进国外教材，重点院校试点，特色专业建设试点，国家统编统筹等。但随着我国产业化进程的加速，特别是智能制造、高精尖制造等领域没有那么完备的体系和课程供我们学习和借鉴，而是进入了探索创新的阶段。学校的师资力量甚至也没有完善系统的课程方案。这就要求出版社要积极主动开展工作，要整体调研，多分析，多思考，多实践，把社会的真实需求和学校的教学实际结合起来，真正做到为人才培养服务，为学生服务，提供系统性的学习方案和教材。

具体来说，出版社应当组织一线教师和行业专家，将工业机器人、服务机器人产业所需要的知识整理出知识图谱，再结合目前高校各专业的教学实际和课程大纲进行分别对应。

可以利用现有的各专业课程教材和大纲，穿插引入、替换为更针对工业机器人应用的知识或者实例。比如，机械工程专业开设的“机械原理”“机械设计”课程，完全可以贴切合理地加入工业机器人机构学、工业机器人结构设计的内容。再比如，工程专业大多数开设的“传感器技术”课程，很大程度上就是工业机器人传感器所要讲授的内容。因此，为了快速形成课程体系和建设教材，可以利用现有课程进行针对性的知识改造。

但是，这样改造出来的教材和课程的知识毕竟是点状的，比较难照顾到工业机器人的整体性，很难形成真正的工业机器人知识体系，使学生学习结果碎片化，很难达到广泛的专业能力培养目的。因此，要尽快提炼对整体工业机器人的研发、使用中的能力需求，结合知识图谱，归纳总结出针对机器人专业的几门专业课和选修课程大纲，着手组织进行编写，全面形成理论课、设计课、实践课的体系，并不断随着产业的发展修订、提高。

（二）教材内容的建设

不论采用改造还是重构的方式建设工业机器人专业的教材体系，最重要的还是教材内容的建设。工业机器人发展很快，服务机器人可以说更是日新月异。因此，在机器人专业教材内容建设上，一定要突出“新”字。落后的计算方式，陈旧的设计理念，传统的辅助工具，能抛弃的应该大胆抛弃。而先进的计算软件，智能化的控制模式，新时代的设计工作方式应该更多地被引入到课程学习中、实践教学中、课外比赛中。诚然，深厚扎实的科学基础知识能为学生今后的发展打下更好的基础，但工程教育教材如果讲授太多的理论、推导、计算，在有限的学时中很难让学生宽泛地掌握机器人的方方面面知识，更不利于实践教学的开展。因此，在教材内容建设上，应该更注重实际工程设计、理论方法的应用、真实工况的介绍，并抛出实际工程问题，引导启发学生学以致用。

这也符合教育部目前推行的多种工程学科教改项目的精神，如新工科建设、卓越工程计划、工程认证等。其强调的是学生工程能力的培养和多学科复合型的知识体系重构。机器人教材的内容建设应该按照工程教育认证的12条要求，循序渐进将能力培养的核心——解决复杂问题的能力作为重点。利用多种教学手段和体例编排方式，如项目制学习、问题导向教学、同伴式教学等。同时，编写各种辅助学习的实验指导书和课程设计指导书，并推荐拓展读物。以此优化教学内容和课程内容标准，大范围加速国内机器人专业的人才培养建设，提高毕业生质量。

（三）教材形式的建设

除了教材的体系和内容建设外，还要注重教材形式建设。当前社会信息技术空前发达，各种电子设备使用已经非常普及，大数据、云计算、校园网、智能手机、平板电脑已经在高校普及，成为学生生活学习中不可或缺的物品。因此，进行教材形式建设不能只专注于传统的出版，形式配套数字化也是重中之重。近几年，教育部、各高校、各出版社甚至很多互联网公司都制作了大量的数字化教学配套产品。其呈现形式也多种多样，如教学网站、MOOC、SPOC、光盘、APP、二维码、AR、VR等，各具特色。细分其具体内容形式基本包括PPT、电子书、微视频、视频课、动画演示、互动实验室、题库、有声书等，丰富多彩。但其建设也存在质量把控难、成本高、周期长、版权不清等诸多问题。

因此，我们建设新的专业教材，需要正视数字化资源的优势，充分利用数字化资源的比较优势，具体包括以下方面。

1.改变现实时间尺度展现。就是指缓慢的过程快速展现，或者高速的过程慢速展现。

2.改变现实空间尺度展现。就是指微小的、肉眼不可见的结构放大展现，或者太过巨大的形体缩小后可以看到整体。

3.改变静态表述为动态。就是指让图片动起来，让文字活起来。

4.把观看形势改为互动形式。就是指利用虚拟现实技术，让用户参与到现场之中，可以操作场景中的所有物体。

5.展现事物内在的结构。就是指很多内部运行的原理和过程很难直观地看见，通过剖切或者剥离外结构就可以方便地展示内在结构和运行过程。

6.改变顺序学习的形式。就是指使搜索、查询、记录变得更加方便，通过与考核和检查学习效果，自动重新组织下面所学内容。使学习真正达到循序渐进，不断巩固，不断提高。

数字化教学资源的建设非常重要，对学生学习有重大帮助。但在数字教学资源的建设过程中，需要认清数字化配套建设的特点，避免重复建设，过度建设，做到有的放矢，把好钢用在刀刃上，真正起到为教学服务、为教师服务、为学生服务的作用。

《中国制造2025》从国家层面确定了我国建设制造强国的总体战略，明确提出：要以新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，实现制造业由大变强的历史跨越。发展智能制造是中国制造业转型升级的主要路径，其内涵是先进制造技术与新一代信息技术的深度融合，贯穿于产品、制造、服务全生命周期的各个环节及制造系统集成，实现制造的数字化、网络化、智能化，不断提升企业的产品质量、效益、服务水平，推动制造业创新、绿色、协调、开放、共享发展。而机器人就是其中的关键领域之一，是实现制造业强国梦想的必要支撑。如果说工程教育是引领未来国家发展的基石，那么做好机器人专业的人才培养工作，编制、出版好优秀的相关教材，就是制造业升级的重要基石。希望出版界同仁和社会各界积极参与，尽早完善机器人专业教材体系、内容和配套，为我国建设制造强国的总体战略实施添砖加瓦。