机器人工程专业研训一体化平台建设与实践

卢斌 杨紫伊

[摘 要]文章针对机器人工程专业实训平台的建设与实践现状，提出了一种以多学科导师指导下的项目制、递进式和个性化培养的实践教学模式，依托机器人视觉感知与控制技术国家工程实验室，充分整合校内外“产学研”协作育人资源，建设机器人工程专业研训一体化平台，阐述了平台的内涵以及建设的策略与方法，总结了平台运行的做法和经验，平台建设与实践在人才培养和服务社会方面取得了成效。

[关键词]新工科;机器人工程;研训平台;国家工程实验室

[中图分类号]N45;G642.0 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656（2021）05-0005-06

引言

《中国制造2025》将“高档数控机床和机器人”作为大力推动的重点领域之一[1]。国家一系列重大战略深入实施呼唤新工科建设，产业转型升级和新旧动能转换呼唤新工科建设，提升国际竞争力和国家硬实力呼唤新工科建设[2]。机器人工程专业具有典型的新工科技术特征，强调学生的实践创新能力培养，其专业实践教学平台建设质量是人才培养水平提升的关键。目前，高校的基本做法是依托国家、部省级重点实验室、工程研究中心、实验教学示范中心以及高水平师资来建设机器人工程专业实践教学平台。2016年，东南大学设立了我国首个“机器人工程”本科专业，围绕“复杂工程系统测量与控制”教育部重点实验室、国家级实验教学示范中心和省级自动化工程实践教学示范中心，投入国家万人计划教学名师、长江学者、国家杰出青年以及国家级教学团队，侧重机器人系统总成与工程应用中的控制与计算理论、实时信息与数据处理、计算机硬件与软件等关键技术，建设机器人专业实践教学平台。哈尔滨工业大学依托“机器人技术与系统”国家重点实验室、国家机器人创新中心和中德空间机器人技术联合实验室，投入以“机器人基础理论与关键技术”国家自然科学基金创新群体，以及“机器人机电一体化技术”和“纳米级精密定位及微纳操作技术与装备”教育部创新团队的师资力量，面向空间机器人、微纳机器人、医疗机器人、服务机器人和仿生机器人等技术对象，利用国家科研任务为本科生提供更多的科研实践机会，打造机器人专业实践教学平台。华南理工大学则充分利用所处珠三角区域经济和产业资源优势，以广东省智能工程国际联合研究中心、智能与康复装备工程技术研究中心以及众多企业研产基地为依托，凭借许多具有优秀学术背景的师资，采用“双导师”创新培养模式（教授作为学业导师，负责新生学术方面的深入指导;在读研究生作为学习及生活导师，指导本科生的学习和生活等方面），力图建立起富于国际视野的、人文素质教育和创新能力并重的机器人专业实践教学生态圈。

依托湖南大学建设的“机器人视觉感知与控制技术”国家工程实验室，紧密围绕国家经济社会建设对机器人技术的需求，开展机器人感知、智能控制、高性能电机和灵巧作业机构等关键技术的研究和产业化，提升我国在相关领域的自主创新能力和核心竞争力，促进我国机器人和智能制造相关产业的快速发展。为了更好更快地推动湖南大学机器人工程专业建设与教学改革，将机器人国家工程实验室纳入机器人工程专业教育核心阵地，充分发挥其“产学研”资源优势，通过有机整合校内外育人资源，打造机器人工程专业研训一体化平台，让本科生早进实验室、进课题、进团队，培养具有社会主义核心价值观、理论基础厚、工程素质高、动手能力强、人文素养优的机器人领域研究型与复合应用型人才。

一、平台建设

（一）平台构成

以机器人行业人才需求为目标，以机器人国家工程实验室为核心，以机器人科研、产品、竞赛、创新创业项目为导向，以工农业、医疗卫生、服务娱乐、特种作业和军用辅助机器人为实践载体，面向机器人感知与学习、机器人运动控制、机器人结构设计、机器人前沿技术四个方向，打造集研、教、学、创、企等多方育人资源于一体的机器人工程专业研训一体化平台，平台构成见图1所示。

（二）内涵建设

1.导师群

平台发挥机器人国家工程实验室师资优势，导师群按照“专家引领、校企结合、学科交叉、理实兼顾”原则组建，开启校内外跨学科多行业导师联合指导模式，实现全过程、全方位、多场景和个性化育人。导师群分工情况见表1所示。

2.项目群和学术群

项目群是平台研训课题的重要确定依据和萃取资源。平台采用“研训课题从项目中来，所学再用到项目中去”的循环递进式教学模式。平台拥有机器人科研、产品、竞赛、创新创业、企业生产和管理等各级各类项目，先将每个项目分成若干理论、技术、工艺、管理知识和技能要点，按类别分层次梳理归纳成独立的研训课题内容素材，再依据机器人工程专业实践大纲的要求，将素材有机聚合成一个个研训课题，并集合成课题库。课题库将随着各种新项目的加入而不断优化更新，以保持研训课题的前沿性、实用性、启发性和创新性。

学术群是平台人才培养质量的重要保障。平台举办了院士论坛、项目首席专家讲座、项目实施方案研讨、博硕士学习和技术经验分享、个人技术思路和创新创意交流、机器人核心部件、整机研制说明及功能演示等活动。通过平台，我们邀请国内外知名大学、企业和研究机构的机器人专家、高级技术人员来校交流，举办机器人新理论新技术成果展示会、机器人国家重大专项专题讲座、行业研发工具推介与应用研讨会等，让学生了解更多的机器人前沿科技及发展趋势，开阔专业眼界。

3.实验室群和基地群

科学与艺术是一枚硬币的两面，两者的结合将启发艺术创作之灵感，并推动科学研究的创新[3]。大学教育要实现科学与艺术的结合[4]。以中华优秀传统文化教育推动大学生社会主义核心价值观认同[5]。平台在建设机器人工程技术科研、教学实验室和实训基地的同时，还将校内外具有历史文化特色和革命传统底蕴的教育基地纳入平台育人体系。平台还与企业院所共建校外实践基地，进一步优化、丰富育人场景空间，形成了校内外育人資源优势互补、多方共赢和可持续发展的人才培养新格局。平台的实验室、基地建设情况见表2所示。

4.研训课程群

平台研训课程群由机器人入门实践、机器人技术基础、机器人技术进阶、机器人应用设计基础、企业实习和毕业设计五个部分组成，每一部分都包含一个研训课题系列。课题内容的设计以“项目引导、学科交叉、研训结合、夯实基础”为原则，将机器人科研、产品项目有机有序融入到课题之中，使研训贴近机器人项目研发实际需求，让学生亲历平台的产、学、研、创、赛的全过程，完成全方位训练，实现做中学、学中做，以研导学，以研促训，以训助研，循环推进。课程主要内容见下页表3所示。

5.学业评价

本科生是高素质专门人才培养的重要群体，本科阶段是学生世界观、人生观、价值观形成的关键阶段，本科教育是提高高等教育质量的重要基础[12]。平台对学生的评价以“德才兼备”为导向，以“人文素养与科学素质兼顾，专业基础与创新能力并重”为原则，从个人素养、专业素质和创新潜力三个维度展开，见表4所示。

以表4为依据，结合研训课题实现的功能、性能、外观结构、创新创意、性价比、安全与环境影响，以及作品孵化、竞赛成绩等方面，对学生的每一项研训课题的成绩以及实践总成绩作出评价。

二、平台实践

（一）“导师群+”多学科交叉的个性化培养

机器人工程专业交叉融合控制科学与工程、机械工程、计算机科学与技术、工业设计等学科，学生的专业个性化发展空间开阔。大一下学期和大二为机器人技术入门和基础夯实阶段，开展机器人基础普适性技术实训，实行统一的研训课题和教学指导。从大三上学期开始，学生自主选择技术方向，研训进入个性化培养阶段。平台将以行业专家、学科教授、企业院所高级技术人员和在读博硕士助教，组成跨行业、学科、地域和单位、呈梯次和优势互补的联合导师团队群。学生可自选导师团队，各导师团队根据所带学生的前期基础实践情况和所选技术方向，为学生量身制订后续个性化研训方案，并根据平台研训课程内容安排，结合本团队在研项目的技术资源，为学生设计个性化研训课题，开展个性化指导和研训过程的精细化管理。各导师团队将学生带入自己的科研团队，将专业实践置于机器人科研、产品项目的研发环境之中，让学生接触机器人科研项目，增长专业见识，培养科研兴趣，开启项目研究，培养研究思维，将研究所获方法、技术迁移转化到专业实践之中。针对研训过程中表现优秀的、或在学科专业某方面有突出能力和较高潜质的学生，导师团队将为其另立后续研训计划，适当拔高培养标准，让研训课题更多涉及科研、产品项目，更深技術和创新元素，同时改由不同学科导师团队联合指导，为其专业个性化的横向纵深发展创造条件。

（二）“研赛创+”项目制开放式创新协同育人

平台坚持学科前沿性与工程导向性，把机器人“研创赛”项目与研训课题结合起来，采用“问题—方案—论证—实践—验证—总结”六步训练法，在“是什么—怎么做—为什么”的问题解决过程中培养学生自主性学习和创新潜力等综合素养。大一下学期开始，平台以学分、奖学金、评优和技术孵化等多种举措激励学生参加机器人、电子设计、工业设计、创新创业等校、省、国家级竞赛，让学科竞赛成为平台研训新常态，以竞赛培兴趣、挖潜力、助创新、促教改。大二上学期开始，平台又安排学生接触机器人科研、产品和创新创业项目，仅2020年新加入的项目就有轨道智能巡检机器人、医药大输液视觉在线检测机器人、电厂大型冷凝器清洗机器人、智能焊接机器人等8项，将项目的部分研发任务直接作为研训课题，拓展了专业研训层次空间。例如，2020年2月，机器人国家工程实验室承担了应急防控救护智能机器人项目，联合企业、医疗等单位跨地域行业组成研发和指导团队，平台组织学生小组承担并完成了部分研发任务。平台还利用创新创业教育中心、科技成果转化中心和知识产权中心等基地开展技术创新方法、微小企业管理和运作、科技项目转化和知识产权运营等创新创业相关知识技能的培训，与研训课题搭配，培养学生创新创业团队。

（三）“课程思政+”激发求知创新报国原动力

文化是民族的血脉，是人民的精神家园。新时代人才培养工作，要围绕培养什么人、怎样培养人、为谁培养人这一根本问题，坚持立德树人根本任务，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。平台充分发挥地域资源优势，让思政课程走出课堂，开展时事新闻分析、革命传统教育、红色影视作品观摩、优秀传统文化讲座、爱国主义主题演讲，担任纪念馆志愿讲解员，开展假期红色之旅和社会实践等多渠道、多形式教育活动，将爱国主义教育和专业学习有机结合，以强国为动力，以需求定目标，以信念促学习。科学技术是第一生产力。目标识别是智能无人机的一项关键技术，通过真实案例引导，将智能无人机、目标识别等技术应用范例呈现给学生，激励学生笃定目标信念，将来为国防科技作出贡献。

三、结语

平台自2018年开始创建以来，在人才培养和服务社会方面取得了良好成效。在2019中国机器人大赛中，获冠军1项、亚军1项、季军2项;在2020年RoboMaster2020机甲大师赛全国对抗赛中，获嵌入式、雷达机器人、算法3个二等奖，以及战队、运营、机械、步兵、工程共5个三等奖;在2020年中国机器人大赛暨RoboCup机器人世界杯中国赛中，获一等奖2项， 二等奖1项。学生探索创新项目作品有气动柔性手部外骨骼康复机器人、基于小型飞行器的智能遥感测绘系统、蛙式交替掘进下水道清理机器人等20余项。学生作品产业孵化项目有智能焊接机器人、古机械复原、无人驾驶汽车ADAS系统等6项。2020年3月，湖南大学向湖南省人民医院捐赠医用喷洒消毒机器人和医用紫外消毒机器人各1台，平台组织学生团队承担了部分研发任务。

今后平台将加大“走出校门”的力度，以市场为导向，不断优化课程体系、结构和内涵，不断丰富平台线上教学渠道和学习资源，不断探索 “产学研”深层次融合共赢持续发展的新路径，推动机器人工程专业人才培养水平更上一层楼。

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[作者简介]卢斌，湖南大学电气与信息工程学院高级工程师，硕士，研究方向：机器人技术研发及创新实验室建设;杨紫伊，湖南大学科学技术研究院助理研究员，硕士，研究方向：科研管理及科技成果转化。

[责任编辑 肖志明]