机器人工程专业卓越工程师培养实践教学体系构建和模式探索

许德章 汪步云

［摘 要］面对机器人产业的快速兴起和人才短缺，教育部于2016年首次批准普通本科院校设置机器人工程本科专业。该专业产业属性和学科交叉融合性明显，要求从业人员具有复合能力。机器人工程专业人才培养，尤其是实践性教学体系构建与教学组织实施，对所有高校来说都是一项全新课题。文章详细分析了安徽工程大学机器人工程专业毕业生的就业领域，以及机器人产业对从业人员的要求，围绕学科交叉和能力复合两个关键点，基于“先模块后合成”的思路，阐述了机器人工程专业实践教学体系的规划过程，介绍了在实践教学模式创新方面推出的举措。

［关键词］机器人；学科交叉；学科融合；实践教学；教学体系

［中图分类号］ G642.423 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）10-0028-04

汽车行业是工业机器人应用最成功的范例。奇瑞汽车股份有限公司基于自身需求，从工业机器人应用和维护开始，在哈尔滨工业大学的帮助下，开展工业机器人整机研发、生产和应用，培育了埃夫特智能装备股份有限公司，工业机器人产量形成了一定的生产规模，为芜湖市培育和发展机器人产业创造了初始条件。2010年，国务院印发了《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，并提出建成一批产业链完善、创新能力强、特色鲜明的战略性新兴产业集聚区，致力于打造一批战略性新兴产业发展策源地、集聚区和特色产业集群，形成区域增长新格局。芜湖市委和市政府主要领导拜访了全球及国内知名机器人企业，邀请了国家“863计划”先进制造领域智能机器人主题专家进行论证，广泛听取了各方面的意见，选择了机器人产业作为芜湖战略性新兴产业的突破口。经过数年的艰苦努力，2013年10月18日，国家发展改革委、财政部批复了安徽省战略性新兴产业区域集聚发展试点实施方案，重点支持以芜湖为龙头打造具有国际竞争力的机器人产业集聚区，揭开了芜湖机器人产业集聚区建设的序幕。2015年9月18日，“芜湖机器人及智能装备产业基地”获批为安徽省首批战略性新兴产业集聚发展基地。2017 年 11 月 8 日，时任安徽省省长的李国英调研芜湖机器人及智能装备产业基地，提出打造国际一流、国内具有重要影响力产业基地的目标。

在劳动力成本快速上升和用工短缺双重压力下，我国制造业纷纷采取“机器换人”策略，工业机器人的应用得到了迅速推广，但人才供给不足严重制约了我国机器人产业发展和机器人应用普及。2016年，东南大学在国内率先开设机器人工程本科专业。为了满足芜湖市机器人产业集聚区对于机器人领域人才的迫切需求，安徽工程大学于2017年开设了机器人工程专业。2017年以来，教育部积极推进新工科建设，国内高校纷纷开设了机器人工程专业。截至2020年，全国开设机器人工程专业的高校达到了245所。但机器人工程专业的人才培养目标设定、课程和实践教学体系构建、实验室建设等，逐渐成为开设该专业高校面临的共性问题。工业机器人是集机械、电子电气、控制、计算机、传感器和人工智能等学科知识于一体的作业装备，要求从业人员具备多学科知识融合的特质。在开设机器人工程专业的245所高校中，多数高校存在师资不足、实验实训装备缺失、实践教学体系不健全等问题。

实训是培养学生面向生产一线解决工程问题的根本途径。本文针对机器人工程专业人才培养的特点，从卓越工程师培养的角度，探讨实践教学模式和实践教学内容组织的问题。针对学生工程能力的培养，国内外工程教育界的同行开展了不懈探索。德国“双元制”模式，项目教学法、案例教学法、合作学习教学法、任务驱动教学法等多种教学方式，取得了公认的成效[1]。东北大学教师王之坚等针对自动化实训教学，提出了“教做学研”的综合教学模式[2]，在实践教学中融入探究式学习。针对智能制造复合型人才培养的特点，在实践教学过程中，安徽工程大学教授许德章倡导“动脑”+“动手”的理念[3]；江苏城市职业学院教师张红霞，提出了基于任务驱动的远程实训教学[4]；哈尔滨理工大学教师王进科开展了面向“卓越软件工程师培养”的校企联合实训模式探索[5]；湖北工业大学教师苏明等探索了“校企合作 、工学结合”的实训模式[6]；湖南工业大学教师彭成等提出了一种集丰富的实训资源、便捷的实训服务、客观的实训评价于一体的智能化工程实训模式[7]。这些都彰显了新时代高等教育背景下广大教师的探索精神。九江学院教师闵娟娟认为，理论指导的缺失和低层次的实训操作训练，造成实训课程一味强调乏味的技能练习，没有将本来密切关联的各门课程有机结合起来，缺少对综合能力的训练，将实训课变成了实验课的翻版[8]。考虑到工业机器人涉及多学科交叉的属性，针对学科融合和能力复合在理论课教学中难以全面达成的问题，安徽工程大学（以下简称“我校”）努力探索实践性教学与各学科相融合、形成能力复合的新途径，并取得了积极成效。

一、机器人工程专业工程能力剖析

目前，机器人工程专业学生的就业主要去向包括工业机器人整机厂、工业机器人集成应用开发企业、工业机器人应用企业等。其中，工业机器人应用企業就业容量最大，涉及行业包括汽车及零部件制造、金属制品制造、制药和食品、电子产品、家用电器、陶瓷和卫浴、家具制造等。工业机器人集成应用开发企业往往专注于工业机器人作业装备和生产线研发的细分领域，是我国工业机器人应用推广的主力军，常涉及机械、驱动和控制等众多技术集成与应用，往往要求从业人员具备多领域技术集成创新能力。按照作业任务划分，工业机器人通常用于焊接、码垛、喷涂、涂胶、打磨、装配、激光切割等。以工业机器人作业任务为依据，针对工业机器人运行和维护的专业技能，2020年，人力资源和社会保障部、工业和信息化部联合制定了工业机器人系统运维员国家职业技能标准，细化了工业机器人运行和维护职业技能标准，设定了四个技能等级，分别为四级/中级工、三级/高级工、二级/技师和一级/高级技师[9]，要求从业人员能够熟练操作工业机器人、编写和调试工业机器人应用程序、维修和保养工业机器人本体和控制系统、排除常见故障、正确安装和调试工业机器人、熟悉1～2种工业机器人典型应用，具体包括以下11项操作技能：（1） 工业机器人基本操作；（2） 工业机器人零点标定；（3） 工业机器人坐标系设定；（4） 工业机器人工具校正（TCP校正）；（5） 工业机器人运动编程；（6） 工业机器人逻辑编程；（7） 工业机器人作业工具和辅具安装、调试；（8） 工业机器人机械本体保养维护；（9） 工业机器人电气系统保养维护；（10 ）工业机器人典型应用作业工艺拟定；（11）工业机器人外部设备校正，工业机器人外部控制装置安装、编程、调试与维护（PLC编程）。

上述11项技能仅局限于技能型人才，对于机器人工程专业学生，则要求他们不仅要掌握上述11项常规操作技能，还要掌握机器人运动学和动力学基本理论知识，具备机器人本体和控制系统设计能力、机器人作业工艺规划和夹具等辅具开发能力、工业互联网组网能力和系统集成能力等。专业主干课程见图1，包括8个课程模块，涉及多个一级学科，分别为力学类、机械类、电工电子类、计算机类、驱动类、控制类、信息感知类和机器人类。上述课程在理论讲授过程中，难以从根本上解决多学科交叉和融合、能力复合的问题，而实践教学在学科交叉融合和能力复合方面能发挥至关重要的作用。

二、机器人工程专业课程教学目标与内容设定

（一） 教学目标

课题组依据机器人领域从业人员知识结构和专业能力构成，以及机器人工程专业主干课程，规划构建了实践教学体系，以实现多学科交叉融合和能力复合教学目标的达成。

（二） 实践教学内容设定

基于“先模块后合成”的思路，设定了机械设计、电路+计算机+驱动、机器人、学科交叉融合和能力复合四大实践教学模块，规划构建了机器人工程专业实践教学体系，具体如图2所示。其中，机械设计模块突出机械传动和结构设计、零部件表达、钳工和车工基本操作技能。电路+计算机+驱动模块完成基本电路装调实验实训、微机（单片机）接口电路设计与调试、嵌入式系统软件编写练习、PLC控制系统实验、液压和气动回路控制实验，选用电机、电磁阀等作为PLC和微机接口控制对象，完成装置统调，实现特定功能，达成硬件、软件、控制、驱动知识的综合和工程能力初步复合的目标。机器人模块突出工业机器人机械结构、控制系统组成和功能的剖析，以及操作技能和编程能力的培养。在完成分模块训练和工程能力初步复合的基础上，设定了学科交叉融合和能力复合模块，包括机器人作业单元设计、云制造生产线设计、毕业实习与设计三个递进环节，达成机器人工程专业主干课程知识获得综合应用的目标。上述实践教学体系的执行，巧妙地实现了机械、计算机、控制和人工智能等学科的交叉融合，工程能力的复合也得到了生动的诠释。

三、机器人工程专业实践教学模式探索

除教学体系要科学合理外，教学目标达成的关键还在于教学模式的有效性。针对机器人工程专业学科交叉融合和能力复合的特点，我校在实践教学模式创新方面积极探索，取得了初步成果。我校探索的主要思路是设定“普适性要求”和“个性化提升”两个层级目标。按照图2的实践教学体系，要求机器人工程专业全体学生完成全部实践教学内容和能力测试评价，达成“普適性要求”的目标。此外，策划了安徽省大学生工业机器人应用大赛、工业机器人应用技能认定等活动，利用我校机器人特色实验室的设备条件，以及与芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司（简称“安普公司”）建立的产教融合机制，向学生开放校企双方实验场地，以便于学生利用课余时间开展集训或突击性训练，借助竞争性赛事和规范化考评机制，促进学生工程能力的进一步提升，挖掘学生的潜力，最终达成“个性化提升”的教学目标。图3为学生在安普公司实训的场景，图4为2020年度安徽省大学生工业机器人应用大赛的赛场。

安徽省大学生工业机器人应用大赛以滚动自动装配作业为应用场景，要求采取双机器人协作方式，在工装夹具等的辅助配合下，自动执行滚动轴承内圈和外圈拾取、灌注、分珠、放保持架等装配操作，考查选手的机械夹具和电气装调、气动系统调试、上下位机组网通信、PLC和工业机器人应用程序编写等综合技能，评判选手是否具备多学科交叉融合和能力复合素养。图5为选手正在完成电气装调操作。

安普公司被安徽省发展改革委、安徽省人力资源和社会保障厅、安徽省教育厅联合认定为安徽省首批培育的产教融合型企业，以及芜湖工业机器人定点培训机构，其面向机器人工程专业学生开设了机器人工程专业技能培训班，参照职业技能认定办法，考评测试“机器人基本知识”“机器人操作与编程”“机器人集成应用”“机器人协调作业”和“机器人拆装”五个方面的专业技能，为考核合格者颁发技能认定证书，如图6所示。

四、结语

机器人工程专业是面向机器人产业和智能制造领域开设的新工科专业，与机械设计及其自动化、机械电子、自动化等传统工科专业相比，其多学科交叉融合特征更为明显，对于毕业生能力复合性要求更为全面。我校基于“先模块后合成”的思路，规划构建了机器人工程专业实践教学体系；按“普适性要求”和“个性化提升”两个层级开展实践教学模式探索。针对青年学生好胜心强的特点，我们在实践教学过程中引入了对抗性训练；为了解决实践教学效果评测严谨性不足的问题，我们引用了职业技能认定办法。经过我校一届学生完整的教学实践的验证，本次改革效果得到了学生的充分认可，人才培养质量得到了用人单位的高度肯定。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 蔡如意. 人工智能背景下中职工业机器人专业实训课程设计研究[D]. 天津：天津职业技术师范大学，2020.

[2] 王之坚，钱晓龙. 基于应用型人才培养的自动化实训教学模式探索[J]. 实验室研究与探索，2017（3）：235-237.

[3] 许德章. 面向智能制造的复合型人才培养实践教学体系构建[J]. 大学教育，2020（10）： 161-164.

[4] 张红霞. 基于任务驱动的远程实训教学及其实现方法[J]. 信息化建设，2016（6）：219.

[5] 王进科. 面向“卓越软件工程师”培养的校企联合实训模式探索[J]. 教育教学论坛， 2014（31）：20-21.

[6] 苏明，刘世金，徐昕. 基于来料加工的专业实训教学实践与探索[J]. 黑龙江教育学院学报，2010（10）：88-90.

[7] 彭成，周晓红，文鸿，等. 地方高校计算机类工程实训智能化服务模式的研究与实践[J]. 计算机教育，2019（1）：162-166.

[8] 闵娟娟. 计算机专业软件类课程群的实训教学模式方案[J]. 计算机教育，2015（15）：100-102.

[9] 中华人民共和国人力资源和社会保障部，中华人民共和国工业和信息化部.工业机器人系统运维员 职业编码：6-31-01-10［S］.北京：中国劳动社会保障出版社，2020.

［责任编辑：钟 岚］