机器人工程新工科专业人才培养模式浅析

胡而已 唐超权

摘要：机器人技术本身属于多学科交叉领域，涉及机械工程、计算机科学、电气工程，甚至行为心理学等诸多学科。目前国内外关于机器人工程人才培养模式多样，专业分布在不同学院，本文通过对比分析国内外相关情况，以期探寻到符合国内特点的机器人新工科人才培养模式，为新时期人才宽口径、复合型人才培养提供参考。

关键词：机器人工程；新工科；人才培养；协同育人

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）32-0259-02

一、当前世界范围内机器人技术发展趋势

机器人技术将会成为信息技术之后的下一个发展热点和方向，谷歌公司的无人驾驶汽车、多足及仿人机器人、亚马逊公司的仓储自动导引车，以及好奇号火星车等都在吸引着全球媒体的目光。在德国提出的“工业4.0”和中国版本的“中国制造2025”计划中，机器人均作为核心技术受到了前所未有的重视。据统计，国内重点发展机器人产业的省份有20多个，机器人产业园区40余个，机器人企业数量800余家，产业链相关企业超3400家。受劳动力不足、人口老龄化等因素影响，服务机器人（包含特种作业机器人）的应用及普及已成刚需，未来服务机器人行业发展空间巨大。“十三五”期间中国机器人产业发展目标为自主品牌工业机器人年产量需达到10万台，服务机器人年销售收入超过300亿元，整体技术水平达到或接近世界先进水平，关键零部件市场占有率达到50%以上。但不得不承认，产业火热的背后我国机器人技术发展瓶颈仍存，中国与欧美日等发达国家在机器人领域还有相当明显的差距。首先，国产机器人整机市场份额低。其次，机器人用精密减速器、伺服电机及驱动器、控制器等核心零部件，在性能、精度、可靠性方面均有待提高。

二、国内外机器人技术人才培养概况

自第一台工业机器人诞生至今已经有50多年的历史。全球不少学校都有与机器人相关的课程，在当今信息时代，如何合理、有效、系统地开展机器人方向的人才培养，对于很多学校来说可能都是一个新的课题。卡内基梅隆大学的机器人研究所（Robotics Institute）是整個计算机学院（School of Computer Science）下属的一个系。它成立于1979年，刚成立时只有一个主要研究方向，即计算机集成制造系统，后来在此基础上不断发展，它是当今世界上最大、最先进的机器人研究机构，包括在主校区的1万平方米、国家机器人工程中心1万平方米和专门的测试场地Robot City等。卡内基梅隆大学的机器人研究所提供各个级别的教育，从本科到研究生，包括本科双学位、本科辅修、本科加硕士5年制学位等。该校同时提供面向高中的实习拓展项目以及面向本科生的短期夏季学者实习项目等。主要双学位课程设置包括四个模块：数学（微积分、矩阵、机器人导论等）；运动学、动力学及控制；感知（计算机视觉、传感器等）；认知与推理（机器学习、人工智能等）。此外还有一门实践课和两门选修课（仿人机器人、移动机器人、机电一体化等）。其他国外高校大多只是将机器人作为研究方向，如斯坦福大学、麻省理工学院、密歇根大学、佐治亚理工大学等，虽然在机器人学界具有较好的声誉，但其机器人研究机构更多以实验室的形式组建，如斯坦福的机器人实验室是人工智能实验室的一部分；而麻省理工学院的野外与空间机器人实验室依托于机械工程学院，其课程设置与安排大多参考CMU的课程设置和安排。

目前，随着“中国制造2025”战略的推动及资本对机器人相关方向的追捧，国内对于机器人技术相关人才的需求日益迫切，许多高校也随之提出建立机器人专业。从我们了解的情况来看，2015年只有东南大学获批了机器人工程专业，而在2016年就有25家全国各个层次的高校获批机器人工程专业。这些学校的规模层次各不相同，机器人工程专业所属学院也各不相同，如东南大学机器人专业隶属自动化学院，安徽工业大学的机器人专业则隶属机械工程学院，而东北大学则直接成立机器人学院。东北大学的机器人学院为东北大学、中科院沈阳自动化研究所与沈阳新松公司三方共建。

三、机器人工程人才培养基本要求

（一）培养目标

本专业培养具有扎实的自然科学、人文社会科学和工程技术基础，掌握各类机器人机械本体结构及控制系统的设计，以及机器人集成应用、检测与维修、生产运行与管理等专业知识，受到较强工程实践和研究能力的训练，能从事机器人工程领域内的机器人整机、核心零部件、控制系统设计，以及机器人系统应用等相关领域的科学研究、技术开发、应用维护及管理工作，具有良好的经济、安全和环保意识，具有人文社会科学素养、社会责任感、工程职业道德及国际视野的机器人工程领域的高级技术人才，预期发展成为所在领域的专业技术骨干或管理骨干。

（二）对毕业生的基本要求

本专业毕业生在知识、能力和素质方面应达到以下基本毕业要求，力求成为能参与国际竞争的高层次机器人工程技术人才和未来开拓者。

1.能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决机器人工程领域所涉及的研发及应用等复杂问题。

2.能够应用数学、自然科学和机器人工程科学的基本原理，对复杂机器人工程问题进行识别、表达、建模和分析求解。

3.具有较强的创新意识，掌握基本的创新方法，具备对机器人工程领域新产品和新技术进行研究、开发和设计的初步能力，并能够在解决方案中充分考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

4.能够针对特定的复杂机器人工程问题，基于科学原理并采用科学方法，进行建模分析、设计样机开展实验研究、进行数据处理、并通过信息综合得到合理有效的结论。

5.能够针对机器人工程领域中的设计开发、仿真分析及性能测试等特定需求，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，对复杂工程问题进行预测与模拟，并能够理解其使用范围。

6.了解與本专业相关的社会、健康、安全、法律以及文化方面知识，能够基于工程相关背景知识，合理分析评价专业工程实践和机器人工程复杂问题的解决方案对上述因素的影响，并理解应承担的责任。

7.能够理解和评价针对机器人工程领域复杂工程问题的专业工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

8.爱国守法，具有人文社会科学素养和社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，并履行相应的责任。

9.具有一定的人际交往能力和组织管理能力，能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。

10.能够就机器人复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。

11.理解并掌握机器人工程领域产品开发及生产运行维护等方面的管理原理及经济决策方法，并能在多学科环境中加以应用。

具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。

（三）主要业务范围及核心课程安排

本专业根据经济、社会发展对人才的需求，采取宽基础、重实践的培养模式。课程知识体系涵盖机械工程、自动化、计算机等多学科，同时将部分专业课程分成中文、双语和全英语三个不同层次，有利于拓展学生的知识面和国际视野。本专业学生主要学习机器人工程专业方向的基础理论知识及基本技能。毕业生主要面向企业、科研机构及高等院校等单位，从事机器人工程领域内的机器人整机、核心零部件、控制系统设计，以及机器人系统应用等相关领域的科学研究、技术开发、应用维护及管理工作。专业核心课程：工程力学、工程图学、电工技术与电子技术、数据结构与算法、通信原理、机械原理、机械设计、机械制造工程学、自动控制原理、微机原理与接口技术、计算机控制技术、液压与气压传动、机电传动与控制、传感器原理与检测技术、机器人学导论、机器人动力学与控制、机器人系统设计及应用。

参考文献：

[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017，（3）.

[2]吴文强，朱大昌，江帆，陈从桂，刘镇章.机器人工程专业创新型人才培养方案探索[J].高教学刊，2017，（15）.

[3]王颖，高尚，苗志怀.机器人技术本科实践教学课程创新方案设计[J].高校实验室工作研究，2017，（3）.