新工科背景下机器人工程专业研究与探索

李瑞峰 荣伟彬 邓鑫

摘 要：机器人工程专业是典型的新工科专业，具有很强的新颖性、综合性和实践性。本文分析了新工科背景下工程专业人才培养的特点，回顾了国内外多所著名大学机器人专业建设情况，介绍了哈尔滨工业大学机器人工程专业人才培养的经验。

关键词：新工科;可持续竞争力;机器人专业建设;课程体系

21世纪以来，世界科技快速发展，并带动了新兴产业的兴起。“互联网+”的出现带动了“互联网+现代服务业”“互联网+行业/新业态/新模式”“互联网+社会服务+SoloMo”的发展，人工智能的兴起带动了人工智能战略新兴产业、传统产业智能化、智能企业与智能公共服务的发展，而“工业4.0”的提出带动了“网络化制造+智能化制造”“服务型制造+现代物流”“机器人+工业物联网+务联网”模式的发展。在这个背景下，2017年教育部公布了“新工科建设行动路线”，致力于探索建立工科发展新范式，构建工科专业新结构，更新工程人才知识体系，创新工程教育方式与手段，增强国际教育竞争力等[1-3]。新工科建设是新经济背景下高等工程教育综合改革的重要举措，是服务新经济发展、解决人才供需矛盾和深化工程教育改革的需要，也是我国对国际工程教育改革发展做出的中国本土化的回应[4-6]。

目前，机器人产业及智能制造领域成为各国竞争的焦点 ，也是世界经济发展的重点[7]。机器人工程是一门在真实世界环境下将感知、决策计算和执行驱动组合在一起的应用交叉学科和技术。机器人工程专业是顺应国家建设需求和国际发展趋势而设立的一个新兴专业，属于典型的新工科专业，具有很强的新颖性、综合性和实践性。

一、新工科背景下工程专业人才培养的特点

世界科技的快速发展和社会大环境的变化，要求高等工程教育必须做出相应的改变。从社会角度看，信息化、网络化与认知型社会的新特征是社会变革的表现形式。社会与环境的可持续发展、知识形成与信息传播的变化，都会导致未来社会对人才需求的变化与挑战。从个体角度看，新一代青年学生的成长特点、职业发展需求与要素、学习方式等也在发生变化，每一个学生都需要拥有适应未来社会发展与挑战的可持续竞争力。同时，大学教育也面临着诸多挑战，如全球化高等教育竞争与不平衡的形势、MOOC引发的教育教学改革、多元化/多维度大学教育功能的变化，等等。

新经济发展的跨界性与快速变化的特征，要求工程科技人才具备更高的创新创业能力和跨界合作能力。在这个背景下，需要重视对学生可持续竞争力的培养。这是因为，人才的综合素质和创新能力反映了可持续竞争力的核心价值，是个人在未来职业发展与创新工作中发挥重要作用的潜质。可持续竞争力是指面对未来社会变化和竞争的适应能力、基于使命和技术的创新能力、推动社会发展与科技进步的行动能力。可持续竞争力能够体现未来人才培养的时代要求和总体质量观，有可持续竞争力的创新人才将成为未来社会与新经济发展不可或缺的人才。因此，新工科专业人才的培养具有以下一些特点：

（1）新理念。面向战略新兴产业与引领性行业需求培养人才，需要多专业学科交叉与融合创新，这是新工科建设的要求。

（2）新特征。新工科具有信息化、网络化、智能化、交叉化、创新性、认知型，以及国际化、多元化，实践性、广谱性的特征。

（3）新知识。战略新兴产业相关工科专业需要新技术、新知识、学科交叉，特别是信息技术、人工智能技术与各专业的融合，带动新工科课程体系的建设。

（4）新模式。新工科人才培养注重课程学习与项目学习相结合、创新实践与企业实习相结合、探究式学习与小班研讨相结合、国际化培养与跨国交流学习相结合。

（5）新人才。新工科人才培养目标是研发人才、新兴产业人才、认知型人才、T型創新人才、交叉复合型人才、国际竞争人才、可持续竞争人才。

从培养可持续竞争力人才出发，新工科专业的典型教育模式包括以下几类：

（1）“多学科交叉融合+辅修专业”培养模式。如含多学科交叉的课程体系、面向行业或领域的交叉综合新工科特设专业、“主修专业+辅修专业/微专业/双学位”教育模式、虚拟教学中心/协调中心等。

（2）面向行业应用与实践的校企协同育人模式。如创新创业教育、产学合作协同育人、企业实习实训与行业认证、卓越工程师培养计划/工程领军人培养计划、校企联合的产业技术学院等。

（3）基于项目学习的创新教育。如目标驱动/能力优先的培养方案、产学研合作联合培养计划、基于项目的学习计划、基于创业项目的训练计划、创业商学院等。

（4）跨区域跨校的在线开放课程“1+M+N”教育模式。如“MOOC/SPOC/020+大学翻转课堂+学生群体”混合式教学模式、基于MOOC的跨校合作协同教学模式等。

（5）“X+Y”国际化教育模式。如跨国多校“X+Y”（2+2，3+1，4+0，1+1等）国际化双学位联合人才培养模式、跨国实习与进修等。

二、国内外机器人工程专业建设经验

《中国制造2025》的主攻方向是智能制造，智能制造的关键是机器人与智能装备。工业机器人、特种机器人、服务机器人等在智能制造中发挥着重要作用，具有广泛的市场需求，其研发和应用需要大量的机器人专业技术人才。目前，国内近200所院校开设了机器人工程专业。

基于人才培养目标，各校在机器人工程专业课程设置、培养环节等方面有不同的考虑。高职院校更多的是考虑机器人技能人才的培养，所以更加注重机器人安装、操作、编程、维护等技能的培养。应用型本科院校人才培养目标定位于机器人应用工程师，所以注重机械、电气、自动控制等方面的知识教学以及机器人系统综合应用能力的培养。研究型大学要为机器人研究领域培养高端人才打好基础，在课程设置方面应该加强基础，同时强调个性化、特色化及前沿化的探索性知识掌握及科学研究能力的培养。

机器人是智能制造链条的一个重要节点。考虑到国家和企业的需求，机器人工程专业课程体系要做到对接《中国制造2025》，注重工业化和信息化的深度融合，能够跟随国际前沿，例如机器人新原理、柔性软体机构、微纳米机器、深度学习、仿生、人工智能等。同时，还要按照工程专业认证的12条（工程知识、问题分析、设计开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理、终身学习）开展教学，注重本科生和研究生课程的贯通，突出个性化培养和订制、产学研用一体化。

卡内基·梅隆大学在世界上最早开展机器人及人工智能研究，建立了世界著名的机器人技术学院，机器人专业是举世公认的顶级机器人专业。在本科课程中，必修课（7门选3门）涉及机器人导论、机器人机构、机器人运动学与动力学、机器人控制等基础理论与应用课程。该校结合计算机与控制优势专业，开设了机器人视觉、嵌入式系统、认知科学、人工智能、机器学习、并行计算、智能控制、微纳米机器人、空间机器人技术等多学科交叉的选修课程（27门选2门）。该校机器人本科课程设置特点为：夯实基础，广泛拓展，注重在新型交叉学科领域的培养。

麻省理工学院曾因研发出猎豹机器人、世界上第一个有人类感情的机器人Kismet等而享誉全球。该校本科生课程设置非常注重机器人基础理论和工程实践，包括机器人机构学、动力学、机器人智能等方面的课程。本科生可以直接参与课题，强化巩固所学知识。

普渡大学本科课程以机器人结构设计、动力学、控制、计算机视觉和人工智能为主要内容，设置了21门本科生课程。南加州理工大学以机器人人机交互为特色，开设了机器人机构设计、控制、人工智能、视觉等22门课程。

表1展示了国内外部分大学在机器人课程设置方面的对比。可以看出，国外大学课程重心主要放在机器人基础知识类，应用实践类课程所占比例较小。这主要是国外大学的机器人专业重点培养面向机器人研究方面的人才。哈尔滨工业大学（以下简称“哈工大”）充分吸收国外同类学校的经验，同时结合我国对人才的实际需求，在基础类课程和实践类课程的比例上保持相对均衡。

三、哈工大机器人工程专业人才培养实践

机器人工程专业是以控制科学与工程、机械工程、计算机科学与技术、材料科学与工程、生物医学工程和认知科学等学科中涉及的机器人科学技术问题为研究对象，综合应用自然科学、工程技术、社会科学、人文科学等相关学科的理论、方法和技术，研究机器人的智能感知、优化控制与系统设计、人机交互模式等学术问题的一个多领域交叉的前沿学科。机器人专业本身具有多学科交叉的特点，同时又具有创新性。

为了培养学生的专业综合素质，我们在机器人方向课程设置中重点从以下几个方面来考虑：

（1）专业能力实现（素质、目标），主要是机器人（智能机电耦合系统）的设计、建模、认知、实现与创新。

（2）机器人基础知识，包括机器人数学基础、仿真与控制（运动学、动力学、轨迹规划、运动控制）等。

（3）机器人硬件知识，包括工业机器人设计与应用（机械关键部件）、嵌入式系统（控制硬件）等。

（4）机器人感知与认知技术，包括传感器技术、信号处理、智能控制。

（5）机器人交互与共融技术，包括机器人与人的交互（主从式）、机器人与人的物理集成和功能集成（穿戴式、植入式）（专业课+创新研修课）。

（6）机器人系统创成与实现，包括医疗机器人技术综合集成視野拓展，空间机器人技术有空间特殊服役环境下机器人典型应用视野拓展、轻量化折叠机构、一体化关节、变刚度变结构、自由漂浮运动控制等 （创新研修课）。

（7）前沿创新与拓展，包括并联（面向高速高精度的复杂机构创新前沿），微纳（微纳米制造与MEMS、精密操作机器人概述创新前沿），仿生（仿生理念与专业化仿生、结合生物体特点的特种功能系统创新前沿，如软体、四足、人工肌肉）。

表2展示的是机器人方向具体的课程设置情况。

为了培养复合型拔尖创新人才，促进学生个性化发展，满足新时代国家对拔尖创新人才的需求，哈工大自2017年秋季学期起实施辅修专业（学位）改革试点。学有余力的本科生和研究生在修读主修专业的同时，可自主选修能够帮助个人成长发展的辅修专业（学位）。2018年首批开设了智能无人系统、智能机器人、数据科学与大数据技术、大数据管理与应用、计算金融、智能制造系统6个专业。为此，我们开设“智能机器人”辅修专业（学位），设置了15门智能机器人课程，促进学生在智能机器人领域的创新发展。

我们在注重课堂教学的同时，加强实践教学。机器人国家重点实验室、国家机器人创新中心、高端装备制造国家级虚拟仿真实验教学中心为学生提供实践教学环境。我们鼓励学生积极参加哈工大竞技机器人队，通过国内外一系列机器人比赛，引导学生将理论知识转化到实际应用中，促进学生理论与实践认知的结合。同时，我们与国内机器人龙头企业——安徽埃夫特机器人、山东栋梁科技、哈工大机器人集团等相关企业建立了学生实习实践合作关系。让学生进入实践实习基地，把工厂“搬进”教室，使学生感到“学的东西有用”：对他们就业有用，对他们的职业生涯发展有用。

四、发挥科研对机器人专业建设的支撑作用

自1986年哈工大机器人研究所成立以来，我校逐步建成了863智能机器人机构网点开放实验室、黑龙江省机器人技术重点实验室、机器人技术与系统国家重点实验室、国家机器人创新中心，并在弧焊机器人、点焊机器人、石化行业机器人生产线、机器人汽车焊接生产线、神舟飞船交会对接整机试验台、神光3核聚变送靶机器人、空间机器人以及月球车大型空间折展臂等领域取得了多项第一，在国内外产生了较强的影响力。哈工大机器人技术研究旨在基础研究、国家重大需求、国民经济主战场的紧密结合，实现军民融合。我们面向国家重大需求，进行了载人航天、探月工程、在轨维护、核能开发等技术研究，其中包括空间站机械臂、空间折展机构、月球车移动及转移、月面采样机构、空间机械手、空间灵巧手、神光3靶精密定位、ITER遥操作机器人。在服务国民经济建设方面，我们进行了微纳机器人、服务机器人、特种机器人、医疗机器人、工业机器人等方向的研究。

我校机器人技术研究在专业教师培养、课程体系建设及培养模式创新上都发挥了重要作用，机器人方向的选修课程也融合了最新的研究方向和成果。机器人工程专业的本科生在大三就可以进入实验室，围绕实验室的研究方向开展本科设计工作。

五、结语

在新工科背景下，机器人工程专业建设需要从培养有可持续竞争力的人才出发。在培养环节和课程设置上，加强机器人基础理论学习，重视实践教学，校企结合，注重培养学生的创新实践能力。同时，机器人技术的发展也将带动专业建设的进程，在人才培养上将面向智能制造中的基础研究、国家需求与国民经济建设相结合的人才需求，通过不同层次的培养模式，促进机器人技能人才、应用人才、研究人才的培养。

参考文献：

[1] 李冲，仇飞. 新工科背景下电气CAD课程教学探索[J]. 中国教育技术装备，2019（11）：1-3.

[2] 曹建芳，武晓军，胡玉兰. 新工科背景下基于产学合作的网络工程专业课程改革实践[J]. 大学教育，2019（11）：63-65.

[3] 樊华，李苏杰，方曼，张进，张怀武，郭莉，陈伟建. 依托“新工科”建设培养创新引领性人才[J]. 实验技术与管理，2019（10）：23-27.

[4] 季晔. 企业参与工科应用型专业人才建设对策研究[J]. 中国教育技术装备，2019（11）：1-3.

[5] 陈浪城，吴福根，邱伟青. 面向“新工科”的高校实验室建设与管理模式创新和实践[J]. 实验技术与管理，2019（10）：273-276.

[6] 王晓雪，孟丽.“新工科”背景下智能物流对物流人才培养模式的新需求[J]. 科技资讯，2019（11）：1-2.

[7] 党晓圆，王瑞芳，张姣. 机器人工程人才培养模式的探索与实践[J]. 南方农机，2019（19）：148+150.

[责任编辑：夏鲁惠]