机器人工程专业复合型人才培养体系的研究与实践

王肖锋 田换林 穆浩志 杨玉维 李 彬

(1.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384；2.天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心，天津 300384)

机器人领域被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，是世界科技强国的必争之地，也将成为衡量一个国家科技创新能力和高端制造业水平的一个重要指标，在推动智能制造装备、资源开发、国防军事等方面，均发挥了无可替代的战略作用。为此，我国在《中国制造2025》中明确提出，将机器人作为大力推动的十个重点领域之一[1]。工业和信息化部等部门为了推动机器人产业高质量发展，发布了《“十四五”机器人产业发展规划》。机器人产业将成为我国从“反卡脖子战”到“战略高地布局”的重要战场，也必将成为占领全球高端制造产业的战略高地。

为了在新一轮产业革命中抢占战略制高点，推动“中国制造”到“中国创造”的转型升级，教育部自2017年以来持续深化工程教育改革，积极推进实施“新工科”建设[2-3]，提出新工科建设总的发展思路[4]、框架与实施路径[5]、人才培养模式改革[6]、建设内涵[7]等，为新工科建设的再深化、再拓展、再出发奠定了坚实的基础。机器人技术是一门融合机械工程、控制工程、传感器技术、计算机科学、人工智能等学科领域而形成的综合高新技术。随着各类机器人技术日趋智能化，其人才培养也必须满足复合型、智能型及创新型等需求。目前，包括东南大学在内的绝大多数高校将机器人工程专业设置在与自动化专业相关的学院，仅有北京航空航天大学、中国矿业大学(北京)等十余所高校设置在机械专业相关学院。这些高校机器人工程专业人才培养目标、课程设置等依然存在诸多问题，如偏重控制工程学科方向、机械工程学科等方面明显偏弱等，这也表明机器人工程课程体系的专业化和系统化需进一步优化，多学科交叉融合也有待进一步加强。作为新工科专业建设的典型代表，机器人工程专业人才培养体系必须契合新工科复合型人才培养的要求，方能满足机器人行业众多公司不同的技术要求。

天津理工大学机械工程学院以机器人工程专业为试点，开展新工科专业复合型人才培养体系的研究与实践。面对国家特别是京津冀地区机器人及相关应用行业发展对机器人技术人才的需求，如何培养兼具“机械工程、控制科学与工程、智能科学与技术”多个学科交叉融合的专业基础知识，以及较强实践能力与创新意识的复合型工程技术人才，是我们面临的重要课题。

一、人才培养目标制定

新工科人才的培养目标是紧密围绕未来新兴产业和新经济发展需求，高度重视“品格+知识+能力”全方位素质提升，培养具有创新创造思维、全方位高素质、可持续性发展的交叉复合型工程技术人才[8]。

通过充分调研分析，综合考量企事业用人单位对人才培养的需求及学校对人才培养的定位，基于新工科倡导的OBE(outcome-based education)理念，确立了机器人工程专业的人才培养目标，即以京津冀地区机器人工程技术人才需求为导向，立足服务地方经济建设与社会发展，注重培养学生工程实践能力和学术创新能力，全面激发学生创新精神，能够使其在国内外高新技术企业、企事业单位及科研院所等胜任机器人核心零部件设计与整机研发、机器人控制系统设计、机器人系统集成与应用、智能感知算法实现等领域的工作，成为能够解决机器人领域复杂工程问题的复合型工程技术人才，如图1所示。根据机器人工程专业人才培养目标，建立了以学生为中心的人才培养体系，明确了机器人工程专业的毕业要求，通过设置课程体系，将毕业要求指标点与相关课程目标及教学大纲一一对应，实现了对毕业要求指标点的逐一分解，如图2所示。

图1 基于OBE理念的机器人工程专业人才培养目标

图2 以学生为中心的机器人工程专业人才培养体系

二、课程体系设置

课程体系是专业人才培养方案的核心，关系到培养目标的实现和能力目标的构建，同样也关系到各个课程目标的相互衔接。基于新工科的内涵及特征[9]，要求专业课程体系能够体现各个高校的教育办学理念、办学指导思想、服务面向、优势特色及行业应用背景[10]。因此，课程体系设置需要考虑新工科专业的总体要求及自身优势和特色[11-12]，考虑工程教育相关要求，满足当前机器人及相关行业产业发展需求并能适用机器人未来产业发展的需要。

根据工程教育认证标准，课程体系包括通识教育课程、数学与自然科学类课程、学科基础课、专业课程(包括必修课程和选修课程)和集中性实践教学环节。通过这些课程可实现学生在机械工程方面和控制工程领域的基础知识面的拓宽、在机器人工程方面的专业综合能力及综合素质的提升。根据人才培养目标，突出跨学科特色，重构专业课程体系为“机械学-控制论-机器人学”(Mechanics-Cybernetics-Robotics，MCR)，将学科基础课和专业课按照“三必六选”课程群进行总体设置，即三大必修课程群和六大选修课程群，构建三级递进式实践教学体系。

1.三必课程群

MCR三大必修课程群如图3所示。其中，机械学核心课程群和控制论核心课程群，突出机器人工程专业宽广的学科基础和专业基础属性，作为机器人工程专业的基石，重点培养学生的现代工程意识、团队合作意识、学术创新和项目实践意识以及跨学科思维和系统性思维。机器人学核心课程群则着重遴选了机器人工程领域中具有基础地位的课程，包括机器人技术基础、机器人机械系统设计、机器人驱动与控制技术、机器人传感器及其应用、机器人系统集成与应用等，重点培养机器人的核心零部件与系统设计能力，初步积累工程项目实践经验。因此，MCR三大必修课程群能够满足新工科机器人工程专业人才培养核心目标的实现，使学生全面系统地掌握三大课程群及专业领域的基础知识，培养学生解决复杂工程问题的能力、多学科团队协作能力。

图3 MCR三大必修课程群

2.六选课程群

MCR六大选修课程群如图4所示。它为机器人工程专业学生的职业和个性发展提供了广阔的平台，充分考虑了面向机器人产业未来发展趋势，侧重于方向性、系统性和综合性，重点培养学生在本专业领域及相关专业领域发展的技术和方法。因此，选修课程设置了6大类课程群：学术创新类、程序算法类、智能控制类、结构设计类、智能制造类及其他综合类。与一般专业的选修模块不同，学生可以跨多个课程群进行选修，不受学科专业领域限制，实现多个学科领域的交叉融合，同时有利于实现课程体系及时动态调整、充实和更新。这些选修课程群的设置，有利于培养学生工程项目的实践能力、创新创业能力及动态适应能力，满足学生全面发展和个性发展的需要。

图4 MCR六大选修课程群

3.三级递进式实践教学体系

在实践教学方面，依托校内实验教学中心、校内教学科研平台和校外机器人实践基地建立了基础实验、专业实验、综合与创新实践(含校内和校外)三级递进式实践教学体系，如图5所示。

图5 MCR三级递进式实践教学体系

(1)基础实验

依靠天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心和数字化制造与流程工业国家级虚拟仿真实验教学中心，对每一门核心基础课程均设置了相应的课程实验，包括直观演示实验、基础验证实验和基本操作实验。这些基础实验作为机器人工程专业理论教学的延续与补充，架构了基础课程理论与实践之间的桥梁。通过直观演示、实践验证、实际操作等方法，培养学生对机器人工程专业基础理论的感性认识，提高学生的综合素质和专业兴趣，使学生能够较全面地掌握基础课程的基本原理和基本规律，并将理论知识与实践相结合，进而提高学生解决实际问题的能力。

(2)专业实验

专业实验是机器人工程专业多学科交叉融合的实验教学保障，依托天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，开设专业综合类实验、专业设计类实验和专业创新类实验。

首先，为了促进各门专业课程知识的交叉融合及整体应用，独立设置了机器人控制综合实验课程，涉及机器人技术基础、机器人驱动与控制技术、机器人机械系统设计、机器人传感器及其应用、机器人系统集成与应用等专业课程的相应实验环节。这门独立实验课以机器人相关专题开展，开设实验包括“7-DOF串联机器人组成及其应用”“3-RRRT并联型机器人组成及其应用”“履带式移动机械臂组成与机械部分测绘”“工业机器人构型设计与仿真”等。如在3-RRRT并联机器人组成及其应用实验中，学生通过实际操纵并联机器人，加深对并联机器人构型原理与机械结构的理解，进一步明确串联机器人与并联机器人之间的区别与联系，以及各自在自由度、工作空间、刚度与动态特性等方面的优势与劣势，为后续并联机器人的测绘组装奠定基础。这些专业综合类实验不同于一般专业课程实验，它并不具体对应某一门专业课程，而是综合应用多门专业课程的相关理论知识，可以培养学生解决工程实际问题的能力，进一步巩固和训练学生的专业理论和专业技能。这些实验一改传统的实验教学方式，以项目专题为载体，实验设置更加丰富和灵活，无标准实验答案，能够真正激发学生兴趣，使学生在学科知识应用、工程能力、创新能力等方面得到训练。

其次，面向机器人工程专业，整合学院各专业实验室资源，设立了专业设计类实验，实现了机器人工程专业学生全覆盖。与一般专业不同，本专业设计类实验均为开放性实验，明显增加了设计难度，要求学生充分利用现代信息技术和相关设计工具，课内课外相互融合，有效利用课外时间开展专业设计类实验。如在机器人系统集成与应用课程中，设置了机器人工作站构建、编程与仿真实验，激发学生的创新意识，综合应用撰写调研报告、程序编写与软件仿真、小组创新设计与答辩等多种形式，全面考核学生对本门课程知识的掌握和综合运用情况。这些设计类实验为学生进行项目设计开发和开展集中性实践环节积累了经验，有助于提升学生独立开展课程设计、团队协作进行系统设计及解决工程问题的能力。

最后，为了全面培养学生项目工程实践能力和学术创新能力，依托“学术导师制”培养模式设置专业创新类实验，将膝关节外骨骼机器人、重载机械臂、自动跟随载物机器人、高速并联机器人、爬壁机器人等科研设备引入专业创新实验中。创新类实验有助于全面提升学生的工程项目实践能力和学术创新思维能力。

(3)综合与创新实践

在综合与创新环节中主要进行集中性递进式实践，采用校外机器人实践基地与校内教学科研平台相互融合的培养方式，如图6所示。

图6 综合与创新实践环节递进式体系架构

依靠校内的机器人教学科研平台，从机器人创新设计(机器人的模块组装设计)，到机器人机械系统课程设计和机器人运动控制课程设计，最后到专业设计(机器人的系统设计)，整个校内实践教学以目标为导向逐级递进，旨在提高学生动手实践能力、工程项目实践能力及学术创新思维能力。在机器人创新设计中，使用乐高机器人组件，在整体方案选择、机构设计、机构运动学求解、控制方法等主要环节，学生能够应用专业知识分析和表达所遇到的主要问题，通过设计相关实验并能解决设计中存在的相关问题，培养学生工程项目设计能力。在机器人机械系统课程设计中，通过对机器人零部件测绘，加深对机械手构造特征与工作原理的理解；通过电机减速器选型、对部件拆卸、测绘(包括三维装配、工程图、零部件的3D打印等)与组装等操作，加深对机械手零部件物理装配的关系与方法的理解，为机器人机械系统设计的工程化提供实践基础。在机器人运动控制课程设计中，通过培养学生运用所学专业中机器人机构学方法分析问题的能力，让学生掌握针对一种构型已知的机器人建立该系统的运动学数学模型，并使其具备对机器人运动特性进行分析和研究的能力；通过培养学生运用所学专业中运动控制相关知识与方法的能力，让学生掌握机器人系统的运动控制设计步骤、内容和方法，并具备独立分析和解决一般设计问题的能力。而在专业设计中，则要求学生同时具备机器人机械系统设计和运动控制设计能力，即机器人系统设计能力，设计内容包括确定机器人机械与电控系统方案，设计机器人关键部件的结构，规划运动轨迹，选择相关机械元件与传感器，设计与优化机器人控制系统，对系统进行仿真、调试与操作，编写计算说明书并绘制相关图纸等。

利用校外机器人实践基地开展机器人认知实习、机器人企业生产实习以及工业机器人工程实训。学生从认知机器人相关产品、了解和熟悉机器人生产制造过程，到参与工业机器人工程实训，逐步深入，完成校外实践“点-线-面”的递进式提升。在认知实习中，通过参观机器人企业的设计、制造、装配等生产过程，让学生更加直观地了解和认知机器人企业和相关产品，拓宽了专业知识面，了解了机器人在工业生产中的实际应用。生产实习环节主要是在企业进行机器人应用生产线的实习。针对机器人相关产品的功能原理、性能指标、机器人典型应用生产线分析、某产品的生产制造过程或关键工艺过程等具体问题，与企业研发工程师和生产工人进行深入交流与学习，并提出可能的优化方案或改进措施。通过企业生产现场的实习与身临其境的学习经历，学生能够全面了解大型企业的生产组织管理方式、企业运营及职业规范等，为后续就业选择打下坚实基础。此外，要在校外机器人实训基地进行为期3周的工业机器人工程实训，以综合性、系统性、整体性为导向，将机器人理论知识和企业实际应用结合起来，帮助学生进一步明确机器人系统组成及其各部分的功能，掌握机器人设计方法及系统集成方法，切实增强学生工程项目实践能力、团队合作能力及沟通协调能力，理解并承担个体、团队成员以及负责人的角色。

在综合与创新实践环节中，将学生的工程实践创新能力和学术创新能力培养贯穿专业教学全过程，使课堂教学内容能够具备整体性、系统性和创新性，并与校内外实践培养体系相互融合，实现培养能够解决机器人领域复杂工程问题的复合型新工科工程技术人才这一培养目标。机器人工程专业自2019年以来全面实行“学术导师制”人才培养模式。该模式以学术导师的科研项目为依托，基于项目引领，以学科竞赛、专利申请、实物毕业设计、论文发表等创新成果为产出形式，打造全新的递进式科研项目创新实践体系。学术导师自大学二年级起对学生职业生涯发展、个人成长、学术发展等方面进行全方位、全过程的指导，旨在培养学生工程项目实践能力和持续科研创新能力。

三、人才培养体系的实施

1.构建校内校外实践支撑平台

立足于学校机器人工程“新工科”专业建设的实际需求，以孕育未来技术、培养具备机器人交叉学科背景的人才为目标，建立基于机器人工程、智能制造、人工智能等新兴交叉学科校内外教学创新实践平台，实现校企合作，协同育人。如图7所示。

在校内，依托机电工程国家级实验教学示范中心、数字化制造与流程工业国家级虚拟仿真实验教学中心、天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室等教学科研平台，以智能机器人为载体，构建具备MES、SCADA、数字孪生等功能的智能数控装备、大数据与云计算、人工智能和物联网等模块，形成基于工位式开发的模块化智能制造平台。在该平台上，可以完成“机械臂运动控制与路径规划”“图像处理与视觉识别”“Python编程”“可编程控制器”等与机器人工程专业密切相关的工程项目实训。建立“机械工程学院大学生创新实践工作坊”，借助学校学科大类基础课实验平台，为学生课内实验以及课外实践创新活动提供充足的条件。

在校外，依托天津市机器人产业协会、天津市机器人学会、天津市机器人行业领军企业等，为本专业提供丰富的校外实践平台。与天津新松机器人自动化有限公司、天津朗誉科技发展有限公司、深之蓝(天津)水下智能科技有限公司、中国(天津)职业技能公共实训中心及湖北襄阳东发十堰实习基地等，建立校企合作、资源共享的机器人行业领军企业实践教学基地，进行认识实习、生产实习和工业机器人工程实训等校外实践。校企合作涵盖设备购置、课程资源转化、实践基地建设、师资培训等，同时双方共同建立联合研发中心，解决企业专业实践经验丰富但缺乏深厚的理论基础、校内缺少实践基地的困境，依托我校机器人领域科研力量和优势，共同研发企业所需的机器人相关产品，进一步提升企业工程项目研发能力和学校科技成果转化能力，实现科教融合与协同育人，形成双方共赢的局面。

图7 校内校外实践支撑平台

2.科研教学相互融合

依托国家和天津市重大科研项目，探索基于项目驱动的研讨课、案例课、实验课及科研实践课，将科研内容融入人才培养中，提升学生创新实践能力。

(1)将课外机器人相关领域的科研活动引入专业选修课程中

在六大选修课程群的“学术创新类”中，设置了机器人相关展会与学术前沿会议和学生机器人技术科研创新活动等特色创新课程。学生参与完成科研创新活动，可以在不增加培养方案总学时的基础上提高课程教学效果，给学生更大的自主性和灵活性，有助于激发学生科研兴趣。

(2)教学内容融入课程思政，突出机器人学科发展前沿

及时将学科发展前沿融入课程体系和教学内容，使学生能够掌握机器人学科的最新成果。要求每门专业课程在制定教学大纲的同时确定课程思政融入讲授计划，帮助学生树立正确的理想信念，进一步凝练课程思政内涵，构建全课程育人格局，将专业课程与思政内容融为一体，形成协同效应。

(3)科研内容与教学内容相融合

教师可将机器人相关科研内容及成果，以问题的提出、分析和解决的方式融入日常课程讲授中，培养学生提出问题、解决问题的能力及批判性思维。

3.构建学术导师制人才培养模式

为了确保机器人工程专业的可持续发展，学校在天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室的基础上组建了机械工程天津市重点学科并予以优先发展，重点学科紧密围绕机器人技术、智能控制技术、机电系统设计与制造技术、仿生设计理论与制造技术4个学科研究方向，拥有多名天津市机械工程学科领军人才、天津市中青年骨干创新人才、天津市“131”创新型人才，形成了多层次人才队伍。

依托以上雄厚的专业师资，构建学术导师制人才培养模式。学生在第二学年的第一学期根据自身兴趣选择一名专业教师作为学术导师，使其在课程选修、论文发表、专利申请、项目研发、未来发展与职业规划等方面对学生进行全过程、全方位指导。学生通过师生互选及相关选拔后进入学术导师的课题组，进行基础性学术创新训练，通过引导学生参加项目开发及参加机器人学科竞赛、申报大学生创新创业项目、申请国家发明专利、发表学术论文等方式，充分激发学生自主学习能力、科研兴趣、创新意识与实践动手能力，为学生的持续发展奠定了良好基础。

四、结束语

目前，机器人工程专业建设和人才培养方案已经完整执行了4年，首届毕业生也已顺利毕业。通过MCR多学科交叉课程体系、校内外教学科研创新实践平台及学术导师制，本科生创新能力得到显著提升，并在各类各级竞赛和科研活动中获得佳绩。自2019年以来，学生共获得国家及天津市各类竞赛个人或团队奖项40余项，四十余人参加国家级及天津市大学生创新创业项目13项。荣获全国大学生数学竞赛(非数学类)国家级二等奖2项、三等奖2项；“航天杯”移动机器人AI创新技术挑战赛获得国家级二等奖；全国大学生机器人大赛Robomaster机甲大师赛二等奖和三等奖各1项；第七届全国大学生工程训练综合能力竞赛国家级二等奖3项。学生以第一作者发表包含SCI及EI检索的学术论文9篇，申请国家发明专利7项。首届毕业生考研上线率为23.88%，211院校(含985院校)录取率为69.20%。

机器人工程专业将新工科的创新理论贯穿人才培养体系，在未来的建设中将进一步优化人才培养方案，完善和细化MCR “三必六选”跨学科课程体系，完善现有的校内外教学科研创新实践平台，为培养符合国家特别是京津冀地区机器人相关应用行业发展需要的高素质复合型人才发挥保障作用。