以机器人为载体的本硕博一体化创新创业人才培养与实践

2022-11-24李二超

创新创业理论研究与实践 2022年18期

李二超

（兰州理工大学电气与信息工程学院，甘肃兰州 730050）

当代社会及科技发展的趋势体现为学科交叉、技术融合、人文渗透的特征。虽然创新创业教育在我国高校人才培养中不断推进，但国内多数高等院校本科生和研究生实施的分开式培养教育，不利于本科生发展，也不利于研究生学习、科研创新和创业人才培养[1～3]。高校研究生、本科生是创新创业的重要力量，本硕博一体化创新创业人才培养对于提升创新创业教育质量有重要意义[4]。但目前部分研究生对创新创业缺乏了解，还需进一步引导，加强其创新创业意识[5,6]。

在硕博研究生中随机发放问卷200份，回收有效问卷198份，回收率99%。综合分析调查数据，研究生参与创新创业实践的比率较少，仅占调查人数的31%，并且仅有14%的调查者完全没有创业意向，表明加大创新创业教育宣传，激发研究生的创新创业意识及热情，将会吸引更多的研究生投入到创新创业实践。

开展以机器人为载体的创新创业教育，可以为我省和西部地区智能制造业培养和输送更多具有较高创新创业能力的复合型技术人才。另外机器人技术具有多学科交叉且相互融合的特点，有利于学生突破原有专业限制，进一步开阔视野，增进不同专业学生间的相互交流和合作，有利于学生创新创业能力的培养，符合新工科教育对工程复合型人才的培养要求。

以国家和区域经济发展对人才的需求为导向，以兰州理工大学“基础理论实、专业口径宽、工程能力强、综合素质高”的总体人才培养目标为依据，秉承“以学生为中心、以成果为导向、持续改进”的工程教育理念，坚持“以本为本”的准则，发扬“艰苦奋斗，自强不息，求真务实，开拓创新”的“红柳精神”，探索“四维一体”体系，以机器人为载体，实施“2因素+3维度+2突出”的本硕博一体化创新创业人才培养与实践的全新模式。

1 “四维一体”本硕博创新创业教育体系构建

目前各高校均努力开展创新创业教育，建设“众创空间”“创业孵化园”等实践基地，营造创新创业氛围，激发大学生的创新活力和创业激情，在创新创业理论和实践方面均取得显著成效[7,8]，但仍然存在三个主要问题：

（1）面向本硕博一体化的人才创新创业思维、精神与能力定位有待确定。

（2）本硕博一体化缺乏系统科学设计，培养方法和途径单一，创新创业教育、专业教育融合不够。

（3）教育资源和平台建设不完善，工科教师工程实践能力较弱，校企协同育人缺乏深度融合机制。

智能机器人与人工智能的技术特点决定了可以构建螺旋式上升的智能机器人创新创业教学内容和课程体系，从而使创新创业教育具有一定的广度，更具有一定的深度，能够满足更广范围和更专业的学生需求，具有更好的实践应用价值。在课程建设和教学方法应用中更注重学生能力、团队协作和创新意识的培养，促进学生综合素质和综合能力的全面提升。

经过多年探索和实践，按照优化环境、营造氛围，导师带动、优化教育教学，校企联动、整合创新创业资源，组织互动，构建多级架构的理念和思路，构建了本硕博“四维一体”创新创业教育体系。

1.1 优化“双创”环境，营造“双创”氛围

作为地方高校，本硕博学生的“双创”环境存在硬件设施不足，利用率不高，“双创”氛围不足的问题。为解决“双创”环境约束，必须倡导“建设、利用结合，硬件、软件配套”。学院充分利用“甘肃省工业过程先进控制重点实验室”以及兰州理工大学“机器人智能研究所”等基地的资源，积极引导学生参与教师的科研课题，努力做到本硕博学生实践环节教学与科研、工程实际应用项目相结合。

德业并进，研学并举。部分学生对创新创业活动的理解，仅仅停留在省级以及国家级竞赛获奖，对参与创新创业活动的热情不足。通过各种渠道，从多个维度对学校的创新创业活动进行宣传，激发学生的参与热情。学院定期举办创新创业讲座、专业讲座等系列活动，帮助学生做好学业规划，积极促进学生开展创新实践，搭建学术交流、创新与实践平台，多维度提供创新实践支撑，为专业学习注入新的活力。

1.2 导师带动，优化教育教学

加强师资队伍建设，创建一支教学水平和工程实践能力强的“双师型”教师队伍。积极开展大学生科技创新竞赛、科研立项等工作，提高学生的创新意识，培养学生的创业能力。

构建本科生“松散导师制”+研究生“导师制”的人才培养模式，即通过将本科生、研究生结合，实现本硕博一体化创新创业人才培养，形成本硕博一体化的创新创业学生团队，开阔本科生、研究生的视野，依托各类创新创业大赛，以赛促教，提高学生的专业技能和综合素质。组建优秀本科生、研究生团队，进行团队培养。启动创新、目标、规则、支持、创新导向，推动学生创新团队自主管理。

1.3 校企联动，整合创新创业资源

学研产结合，以教学促进科研，以科研反哺教学，有效实现教学、科研资源共享，打造以机器人为载体的创新型工程人才培养大平台。顺应工业4.0的发展态势，响应产业发展新需求，升级改造原有工程系统、引进当前亟待研究的新设备，通过持续开发设计虚实协同的实验项目，确保内容的高阶性、创新性和挑战度，打造虚实协同、复杂度渐升的先进工程实践平台，强化学生对现代工具的学习与应用，培养学生解决复杂工程问题的能力。

与多家企业建立良好的协同育人合作关系，学研产互动。校企合作为学生的创新创业提供资金支持、技术保障，将学校与企业不同的教育环境、教育资源充分整合，将课堂教学、实践有机结合，使教学不脱离实践，实践促进教学改革。对学校而言，能够真正实现学以致用，培养社会需要的创新型、复合型人才，从而促进学生创新创业和就业，同时教师在教学过程中能够与企业一线技术人员直接交流，进行生产实践锻炼；对于企业来说，校企合作方便将学生的成果进行转化，并且可以培养企业需要的员工，为企业未来发展提供支持，企业加入项目建设和教学活动，可以弥补建设经费不足和实习、实践场地紧缺的问题。联合元创兴、一维弦等企业的专家组织开设了机器视觉、人工智能、运动学等课程教学，内容涉及机器人运动学基础、机器人运动规划、控制原理、机器视觉、传感器技术、机器学习、深度学习等多个技术方向。

1.4 组织互动，构建多级架构

学院成立机器人创新创业工作室，组建“双创”导师队伍，指导学生创新创业，工作室负责搜集前沿课题、项目，鼓励学生积极参与，启发学生创新思维，培养学生创新能力。学院开展各类型、各层次的创新创业活动，通过参加国家级及省级科技竞赛、举办校级及院级科技竞赛、申请国家级及校级科技立项、开展创新创业大赛等活动，与企业进行深度合作，为学生提供创新创业环境，提高学生创新意识，培养学生创业能力。

2 “2因素+3维度+2突出”课程体系的构建

在《新工科建设指南（“北京指南”）》中，培养目标最终完善为坚持立德树人、德学兼修，强化工科学生的家国情怀、国际视野、法治意识、生态意识和工程伦理意识等，着力培养学生“精益求精，追求卓越”的工匠精神。树立创新型工程教育理念，提升学生工程科技创新、创造能力。

2.1 构建本硕博一体化的创新创业人才培养体系

结合新工科培养目标，参考教育学冰山模型，构建本硕博一体化的创新创业思维、精神与能力体系建构与培养体系。

思维层包括批判思维、创造性思维、互联网思维等，精神层包括首创精神、工匠精神、企业家精神、团队精神等，能力层包括学习能力、创造能力、决策能力、融合能力等。

培养体系包括通识教育、专业教育、综合实践等平台。通识教育平台包括通识课程、社会实践、课外活动等实践活动，使学生接触创新创业实践、训练创新创业思维；专业教育平台包括专业核心课程、课内实验、学科竞赛等实践活动，参与创新创业实践、培养创新创业精神；综合实践平台包括毕业设计、专利申请、创业孵化等，凝练创新创业成果、强化创新创业能力。

2.2 构建创新创业实践课程体系

将解决“复杂工程问题”作为主线贯穿教育各环节，实施“2因素+3维度+2突出”课程体系，即：综合智力与非智力因素，设置涵盖知识、能力、素质三个维度，突出交叉学科研究能力与跨学科合作精神的培育，建成课堂内外融合、校内外融合、各学科融合人才培养机制。形成大类培养课程、专业课程、学科融合、产教融合的创新创业课程体系。

适应互联网的用户优先特性，采用互联网手段，加强导师项目制、体验式、场景式、信息化与数字化教学设计能力。开设教学、科研相结合的项目式课程，培养部分优秀本科生和研究生的独立研究能力，课程设置紧跟科技、社会发展步伐，使部分优秀的本科生和研究生在学习的同时能接受科研基本训练，培养学生独立研究能力。通过多层次项目紧密结合，使教学内容与专业及行业需求相适应，有效提高人才培养质量。将知识学习及能力培养两条主线贯穿到项目体系中，做到实践不断线、做中学，强化创新精神、创业意识、创新创业能力培养。强调理论知识、实践技能与科研能力培养并重，学研产互动，形成具有系统性、整体性、关联性的协调统一的“理论—实践—工程”一体化的教学方法。

2.3 多层次项目式教学

多层次项目式教学将学生分组为项目团队，各团队不少于5名学生，至少来自2个不同专业；各团队成员自主研讨、协作实现一个项目任务目标，包括知识准备、方案设计、项目实施、项目评价等各环节都由学生自主完成，教师仅做引导工作。

项目由学校与合作企业经广泛调研共同讨论确立，或来自企业在生产中遇到的实际问题，或来自学科竞赛、创新竞赛，或来自国家、省部级的科研项目。学生在完成项目的过程中学习培养计划所要求的课程内容。各项目首先要求解决某个生产、生活中可能出现的实际问题，其次需要各团队思考如何对项目成果进行转化，使之具有实际的商业价值，提出详细的创新创业项目计划书，然后向教师和学生以及企业代表路演。

典型项目举例：

采集标定区域内的图像：项目应用于智能监控环境中，通过学习使用深度摄像机，结合图像处理技术，完成机器人在一定区域的信息采集。

机器人人脸追踪：项目应用于智能监控环境中，通过学习使用LK光流的方法完成目标任务的追踪及图像反馈的功能设计。

基于二维码物体定位：此项目多用于机器人、无人机、无人车视觉定位系统中，机器人基于人工路标（二维码等）进行定位，让学生利用摄像头与二维码完成物体定位功能的实现。

机械臂货物搬运：本项目应用于智能工厂的自动化流水线；通过学习机械臂的运动路径规划，实现实际的手臂搬运的功能应用。

智能机器人送餐路径规划：项目应用于机器人送餐设计中，通过学习多种运动算法，结合实际，最终实现机器人自主完成路径规划、躲避障碍物及无碰撞地到达目的地的实验结果。

物体检测与识别：项目应用于无人驾驶的道路物体检测与识别功能，利用深度学习技术与工具，结合典型的神经网络，完成物体检测与物体识别功能。

人脸角度识别与机器人人脸跟随项目：本项目应用于迎宾机器人产品，通过学习特征工程与机器学习的相关知识，让机器人完成人脸识别及跟随功能。

目前6门机器人与人工智能核心专业课程实现了理论知识融入实践。课程包括机器人工程概论、机器人运动学与控制、机器人机电系统、机器视觉与传感技术、人工智能导论、机器人操作系统。