机器人工程专业设置及人才培养分析

刘新玉，代响林，平燕娜，王东云

（黄淮学院智能制造学院，河南 驻马店 463000）

1 引言

机器人工程专业是近几年国家大力发展的新工科专业之一，对于国家主动应对新一轮科技革命与产业变革、支撑“中国制造2025”制造强国战略有着至关重要的作用。《中国制造2025》中重点提到要突破机器人关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈，积极研发新产品、促进机器人标准化、模块化发展，扩大应用市场。但是机器人工程专业设置时间短、培养经验匮乏且师资力量薄弱，目前大部分院校多为相近专业兼顾培养[1]，其培养目标、课程设置等均未形成专业化和系统化，不能很好地满足机器人产业发展的需求，还有较大的研究和探索空间。

作为制造业皇冠上的明珠，各行各业的发展都离不开机器人和机器人技术的快速进步，机器人的发展、进步以及在现实中的应用被看作是当今技术革命最伟大的进步之一[2]。机器人工程是支撑机器人科技人才培养的重要抓手，其人才培养的质量对于机器人技术积累、机器人产业发展、高端机器人制造等都有着决定性的作用。按照工信部的发展规划，到2025年，我国工业机器人装机量将达到1 000万台，需要200万工业机器人应用相关工程技术人才[4]，这意味着未来平均每年需要培养40万名以上的机器人工程技术人才，但是与急剧增长的机器人科技人才需求相比，机器人工程专业人才培养能力却严重滞后。

以高校为依托，加大机器人工程专业技术人才培养力度，完善多层次人才培养体系也是国家重大战略前瞻需求的核心和重要内容之一。国家《“十四五”机器人产业发展规划》中明确要“加强机器人科技人才培养，支持高校和科研院所培养专业技术和复合型高端人才”；《中国制造2025》中也强调“以高层次、急需紧缺专业技术人才和创新型人才为重点，实施专业技术人才知识更新工程和先进制造卓越工程师培养计划，在高等学校建立一批工程创新训练中心，打造高素质专业技术人才队伍”。因此机器人工程专业设置和人才培养既是制造强国战略的人才基础，也是推动机器人产业发展的驱动力量，作用至关重要。

2 机器人工程专业人才培养现状

机器人工程专业属自动化类，修学年限四年，毕业颁发工学学士学位，为国家特设专业，即满足经济社会发展特殊需求所设置的专业。自从2015年东南大学率先设立机器人工程专业开始，短短六年间全国共有323所高校设立了机器人工程专业。下面从机器人工程专业的分布、培养方案及培养目标等概述该专业的人才培养现状。

2.1 专业设置情况

目前我国已设置的机器人工程专业的分布情况如图所示。在已设置的323所高校中，共分布在28个不同的省份，内地只有西藏、海南、青海三省还未设置机器人工程专业。在已设置的高校中分布最多的为江苏省、最少的是内蒙古和宁夏。在地域上，东部地区设置高校最多，其次是中部、西部和东北部；在办学层次上，“双一流高校”占比13%，其中985高校占比4%，普通高校占比87%；在办学性质上，公办的占比较高，民办高校的积极性也较高。

图 机器人工程专业设置情况分析结果

从整体上看，自从2018年申请高校数量达到顶峰后目前开始逐年回落，基本呈高斯分布。此外，普通应用型本科高校的申请积极性较高，占到已批准总数的4/5以上，其中民办高校也有较高积极性，占到应用型本科高校总数的36%。不过，已设置机器人工程专业的一流大学中多为老牌工科高校，比如东南大学、东北大学及哈尔滨工业大学等。这一结果表明，不同层次的高校对机器人工程专业的设置态度差异较大，经济发达的东部城市，尤其是应用型高校的申请积极性最高。

2.2 专业培养方案

培养方案是一个专业的核心标签，它决定了专业的培养目标及培养知识体系。因此，不同高校尤其是不同层次的高校在设置机器人工程专业培养方案时呈现出不同的专业建设取向，提出了不同的人才培养构想[3]。双一流高校一般侧重于具有更强研发特点的智能机器人为对象，依托自身的学科优势和特点，对于优势学科进行有针对性的加强，而对工业机器人理论仅作一般性讲解，比如东南大学和北京大学的培养方案都是以自动化类课程为核心，而湖南大学和哈尔滨工业大学等高校则是以机械电子及智能制造类课程为核心，培养方案各具特色；普通本科高校则更倾向于以工业机器人为对象，对接地方经济社会发展的需要，侧重于产业实际应用需求，对智能机器人涉及较少，核心课程差异不大，都是以经典的自动化类、机械电子类核心课程为主，机器人相关课程并不多。

在培养目标上，双一流大学多是以机器人的设计制造为目标，以智能机器人为对象，体现了“新的工程学科”的愿景[4]，；在普通本科高校中，公办学校和民办学校的培养目标差别并不大，理论教学和实践实训安排也没有本质区别，多以机器人操作、运维和销售等为目标，以工业机器人为对象，体现了“满足当前经济发展急需”的特点。在就业取向上，双一流大学毕业生多选择继续深造，而普通高校的毕业生能够继续深造的比例并不高，多数毕业生还是以就业为主。

3 机器人工程专业人才培养特点

机器人工程作为典型的新工科专业，尽管在专业类别上被划分为自动化类，但是却具有集机械、电气、电子、控制、计算机、数理、设计等于一体的学科交叉融合特征。无论是普通本科高校还是双一流高校，在机器人工程专业人才培养中基本存在以下特点：

1）交叉融合特征突出。作为新生工科专业的代表，机器人工程专业具有典型的交叉融合特征，而且具有新标准、新特点、新模式的特点[5]。所谓新标准即新时代工科人才培养标准，机器人工程专业是在传统工科教育的基础上，融合人文和科学教育理念，向工程教育转变，以社会经济发展为导向、以学科交叉为手段，着重培养学生解决复杂工程问题的实践能力，符合新时代工科人才培养的新标准；新特点即交叉融合特点，机器人工程专业尽管在专业类别上属于自动化类，但是在学科分类上却隶属机械类，而在工作中大量的任务却又都与编程相关，因此机器人工程人才培养必须兼顾自动化、机械、电子及计算机等多学科知识元素与课程内容；新模式即多元化教育模式，机器人工程的大部分课程都需要与机器人打交道，无论是工业机器人还是智能机器人，实验设备都十分昂贵，加之新冠疫情的冲击，因此普通高校如何应对教育不平衡和教学模式改变的双重挑战也是机器人工程专业新的考验。

2）培养方案特色不足。在机器人工程专业建设中，大致可以分为三种类型的高校：“双一流”高校、以学术型人才培养为主的普通本科高校（简称“学术型本科”）和以应用型人才培养为主的普通本科高校（简称“应用型本科”）。在这三类高校中，大部分“双一流”院校主要是对原有优势学科的进一步倾斜或加强，体现了“新的工程学科”的定位，表现出课程体系建设的多元化取向；学术型本科总体上则是在传统的通识教育课程安排之外，都是以自动化类的专业基础课和专业课为核心，辅以机器人编程、机器人控制等传统机械类课程，具有相近专业兼顾培养的趋势；而应用型本科高校核心课程体系则与高职高专“工业机器人技术”专业知识元素与实践实训体系差别不大，大都将工业机器人作为教学对象，以工业机器人操作和运维技能为培养核心，带有明显的机器人技术应用的倾向性。因此如何划定机器人工程专业的知识边界，并在不同层次院校中达成机器人工程专业知识体系与内容共识还有很大的研究空间。

3）师资力量亟需加强。与新专业申请数量井喷形成鲜明对比的一定是师资力量的匮乏。自从2016年东南大学招收第一批机器人工程专业本科生以来，到目前为止才刚刚培养出三届本科生，虽然设置机器人工程本科专业的高校却已突破300所，但大部分高校的都是近2~3年才获得招生资格（占比72%），而且都是获得招生资格的当年启动招生，而且也无成熟的经验和资源可以借鉴，因此对于占比86%的地方本科高校能把课完整上好已属不易，也只能是相近专业师资兼顾了。

4）课程资源相对匮乏。课程资源的匮乏必然与师资资源不足相伴而生。一个机器人工程专业本科生的培养大约需要学习50门左右的大学课程，而一门核心专业课一般由32个理论课时和16个实验课时组成。通识教育课程和基础课程的课程资源一般还好解决，但是面对大量的基础课和专业课，想要在短时间内建设好完整的知识体系和专业实验室是不可能的。况且目前大部分本科院校课程资源也都处于初期建设阶段，而且不同层次不同地域的高校人才培养构想都存在较大区别，目前还没有成熟的课程资源可供参考[6]。因此对于机器人工程专业，在课程资源建设方面还需要投入大量的时间和精力，更需要高层次的力量给予各方面的大力支持。此外，随着课程资源量的累积，课程资源的质也需要一定时间的实践检验，机器人工程专业的课程资源建设任重道远。

5）教学模式需要革新。伴随着新冠疫情此起彼伏和智慧教学时代的来临，全球教育出现以信息化元素为引导的主流常态，大规模线上教育资源给线下教育教学带来了新的要求，融合线上和线下资源的新的教学模式应用于教学实践已迫在眉睫[7]。更重要的是，无论是工业机器人还是智能机器人，都存在着价格昂贵、维护成本和危险系数高的特点，加之许多地方普通本科高校和民办高校，办学资金相对短缺、教学资源分配不均，教学实验设备的数量难以满足教学需求，因此在机器人工程专业实验室建设时，往往会建设大量的虚拟仿真实验室，不仅可以满足学生大量的实验需要，而且也可以避免学生因操作不当而损坏昂贵的设备并减少学生受伤的风险。面对线上线下的教学需求和虚拟仿真的教学设备，传统以教师为主导的教学模式已不能适应新工科教育中对应用型人才培养的要求。因此，伴随着新冠疫情成长起来的机器人工程等新工科专业，教学模式迫切需要改革。

6）产学合作有待深入。培养学生解决复杂工程问题的实践能力是新工科专业的首要目标，也是解决高校人才培养和社会人才需求脱节的主要途径。而机器人工程专业是典型的新工科专业，由于其本身的特殊性，其对实践能力有着更高的需求。更重要的是，机器人工程专业研究的对象和面临的问题在现实生活中并不常见，对于没有深入接触过的东西学生是很难有足够的想象力去理解所学知识的，更不要说解决问题了，因此加强产学合作、实现协同育人是机器人工程专业的现实需求。但是，目前机器人工程的产学合作还有待深入，企业还没有深度参与到人才培养的实践实训环节[11]。因此，如何针对机器人产业社会经济发展需求，结合学校发展定位和学科特点，开展机器人工程专业复合型、交叉型、综合型人才培养，实现人才培养课程内容与企业实践技能需求深度融合，还存在较大的实践和探索空间。

4 机器人工程专业人才培养体系

机器人主要包含工业机器人、服务机器人和特种机器人三种类型，其中工业机器人主要面向制造业、采矿业和建筑业等工业行业的发展；服务机器人主要面向家庭服务、医疗健康和养老助残等公共服务领域；特种机器人则主要是面向水下探测、军事侦察和反恐防暴等科学研究领域。尽管这三种机器人在外形结构、适用对象及应用领域有所不同，但是它们需要相同的知识元素和课程内涵，因此对于机器人工程的人才培养体系，将从知识边界、课程构成和培养方向等方面进行探讨。

4.1 知识边界

在机器人工程专业的知识边界上，传统的以工业机器人为主要对象的机器人人才培养主要以机械类专业为依托，以机器人的运动控制和运动轨迹控制精度为教授内容，主要涉及机器人机构学、运动学和动力学三部分知识元素。但是新工科下的机器人工程专业的知识边界已扩展到包含工业机器人在内的所有机器人类型，处于自动化、机械和电子信息的交叉位置。因此不同层次的高校应根据自己的学科优势和特色在机器人工程知识边界范围内划分出适合自己的知识边界，在具体课程内容和培养方向有所取舍和侧重。对于“双一流”高校，由于学生基础和教学资源都较好，可以将知识边界拓宽到工业机器人以外的其他机器人理论和技术，比如人工智能、大数据、物联网、人机交互及机器人集群与协同等；对于学术型本科高校，可以将传统机器人理论与技术融会贯通，传统相对独立的多学科知识在机器人平台上有机结合，凝练出机器人的知识边界；对于应用型本科，应该以工业机器人为核心，将传统的以控制为代表的知识体系与工业机器人相结合，比如机器人视觉与传感、机器人与PLC应用、机器人MATLAB编程等，拓展出新的知识边界。

4.2 课程构成

在机器人工程专业课程体系构建上，尽管不同层次的高校，甚至同一层次不同地域的高校，学生具有不同的基础、不同的能力和就业取向，但是作为一门专业，应该具有类似的知识元素和课程内涵。参考美国伍斯特理工学院设计的机器人工程专业标准，在常规的专业课程设置的基础上将机器人工程专业课程围绕机器人学将其分为了六个递进式的课程，即机器人学I（导论）、机器人学II（驱动）、机器人学III（传感）、机器人学IV（控制）、机器人学V（导航），以及机器人学VI（实践），分布在大一到大四整个学习过程。因此，在课程设置上，“双一流”高校的课程设置可以结合自身的专业优势，将外延扩张和深度拓展相结合，构建出具有鲜明特色的机器人课程体系，比如湖南大学在自身优势学科基础上拓展了“机器人原理与机构设计”“机器人驱动与控制系统”“机器人感知与机器学习”和“智能机器人与应用系统”等课程；学术型本科高校的课程设置既要兼顾学生继续深造的研究需求也要考虑学生就业的实际需要，课程体系安排上应传统专业基础课和新开专业特色课兼顾，各高校之间具有较高一致性；应用型本科的课程设置应该以就业为导向，以实用性和技术性课程为核心，辅以通识的专业基础课，具有一定的技术应用倾向性。此外，在培养过程中，注重加强产学协同育人，让企业深度参与到课程的实践/实训环节，实现优势互补。

4.3 培养方向

在机器人工程专业培养方向上，可以将机器人工程专业的人才培养分为机器人控制、机器人运维、机器人制造和机器人研发等四个方向。其中机器人控制方向以（工业）机器人系统操作员为培养目标，主要从事机器人装配、编程、调试、工艺参数更改、工装夹具更换及其他辅助作业；机器人运维方向以（工业）机器人系统运维员为培养目标，主要从事数据采集、状态监测、故障分析与诊断、维修及预防性维护与保养作业；机器人制造方向以机器人高级工程师为培养目标，包括机器人机械工程师、机器人硬件工程师及机器人嵌入式软件工程师等，主要从事机器人制造、研制等工作；机器人研发方向以研究员、大学教授、教授级高工为培养目标，主要从事新型机器人开发和技术创新工作。对于不同层次的高校，其培养方向应该有所侧重，比如对于“双一流”高校，培养方向以机器人研发为主，以丰富机器人理论与技术体系为目标；学术型本科可以将机器人制造作为主要培养方向，从基础理论到机器人设计、机器人加工等对学生进行系统培训；应用型本科则多以机器人控制和机器人运维为培养方向，核心在于技术应用，专业培养“现场工程师”。由此就可以形成机器人研发、机器人制造与机器人应用为一体的完整的人才培养体系。

5 结论

高校是人才的培养基地，高等教育的主要任务是要培养既能适应经济社会发展，又能引领经济社会发展高素质人才，新工科就是“引领”作用的主要表现[9]。随着经济社会不断发展，高等教育与经济社会的关系越来越密切，学校要最大限度地满足经济社会发展的需要，一方面要通过传播知识、科技与文化，培养适应经济社会发展需要的人才，另一方面学校还要创造知识、创造科技，以自己的基础和敏感，努力站在科技前沿，不断向社会输送新知识、新成果，同时培养出能引领经济社会前行的“新工科”人才。

作为典型的新工科专业，机器人工程从诞生就被寄予了支撑“中国制造2025”、提升国家高端制造业水平的厚望。以机器人工程专业为依托，加强机器人科技人才培养，推动机器人产业向高端化、智能化方向发展，是高校和科研院所在人才培养过程中不得不思考的问题。本文从宏观的角度，首先系统分析了目前机器人工程专业的人才培养现状，然后分析了该专业的人才培养特点，最后从知识边界、课程体系和培养方向三个方面论述了机器人工程专业的人才培养体系，以期能够为高校和科研院所在机器人工程专业人才培养方面提供参考。