面向新工科的高级应用型人才培养模式探索——以机器人工程专业为例

刘瑞伟，苏 发，宋小科

（1.广州航海学院 船舶与海洋工程学院，广东 广州 510700；2.华东交通大学 机电与车辆工程学院，江西 南昌 330013）

引言

机器人工程是多学科融合的代表，它是现代制造业高度发展的必然产物，其技术横跨机械工程、仿生学、材料科学、自动化技术、计算机科学、电子工程以及人工智能等多个学科领域［1-4］。从2006年起，国家开始重视机器人工程发展并发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》。作为新工科专业，我国机器人工程专业正逐渐在各高校设立，但仅处在起步阶段，专业学习课程正在摸索中。建立高校、企业、科研院所等多主体协同育人的创新培养模式框架，明晰产学研协同育人模式中各主体的职能、角色、社会责任等，探讨新工科背景下机器人工程专业高级应用人才培养模式，能够为培养机器人领域专业人才提供新的理论视角和理论支持，具有重要意义。

一、国内外研究现状

机器人是衡量一个国家创新能力和产业竞争力的重要指标，如何培养具备创新素养的机器人专业技术人才已成为各国政府和高等教育界的关注重点［5-6］。在国外，机器人专业本科生的培养过程首先通过导论课程使学生对机器人领域有基本了解，并掌握一些基本专业知识。随后，学生深入学习机器人的执行、感知和认知等核心模块课程，以便更深刻地理解智能机器人所涉及的技术。其次，学生选择一门动手实践课程来增强其应用能力，并选择两门选修课程来扩展知识广度。最后，学生将通过系统工程和核心课程的学习以及实践活动，如开设体验课程、参与学科竞赛、参与科研项目、组建机器人团队等形式，进行多角度、深层次的培养和提升。理论教学与实践培养相互促进，使学生能够更好地将所学知识融会贯通。

我国机器人产业发展势头迅猛，产业规模和市场潜力持续扩大，应用人才的需求巨大，每年以20%～30%的速度增长。结合机器人技术发展趋势，在2017年教育部公布的“新工科建设行动路线”中主动布局机器人和智能制造等工程科技人才培养，将机器人工程专业批准为本科新专业，分别于2017—2021年公布了开设该专业的260所本科院校［7-9］。可以预见，机器人本科专业的开设将在国内教育领域掀起一股热潮。目前，我国各高校正在逐渐设立机器人工程专业，但仍处于起步阶段，专业学习课程仍在不断探索中，而高级应用型人才的具体培养模式也尚未完全成熟。与国外著名高校如麻省理工学院、卡耐基梅隆大学等相比，我国的机器人专业人才培养体系尚待进一步完善［10-11］。因此，针对新工科背景下的机器人专业高级应用型人才培养模式亟需深入研究和探索。

通过对国内外工程教育和机器人工程专业人才培养的发展现状的梳理发现，国内外工程教育建设相继进入新阶段，新工科建设也迈了一大步，但真正把高级应用型人才培养与新工科建设结合起来的相关研究并不多见［12］。

二、面向新工科的教育理念，建立高校、企业、科研院所等多主体协同育人的创新模式框架

遵循新工科的教育理念，创建机器人工程专业多主体协同育人的创新培养模式框架，如图1所示。高校担负综合管理任务，推动科教融合、产学合作，以及校企协同育人制度的制定。同时，与社会和企业需求协作制定人才培养计划，明确定义人才培养目标。由高校课程体系为基础，系统地进行机器人工程相关理论的学习，通过明确人才培养目标，设计相关教学课程结构，革新教学内容和方法，以问题驱动学习（PBL）教育方法为依托，编写机器人系列相关教材；此外，与企业及研究机构合作共建基础教学实验室、创新创业实验室以及校企共建实验室，建立多层次的机器人工程专业实验教学中心，整合各方的实验资源，打造资源共享的实验研究平台，促进资源开放共享与协同发展。

图1 多主体协同育人模式结构示意图

机器人工程专业多主体协同育人创新模式，将课堂中所学到的专业理论知识运用至实验桌上、实践项目中，让学生更生动地理解并掌握机器人领域相关知识。这种培养模式旨在培养学生自主动手能力，激发学生的创新思维和能力，使他们能够在实践中发现问题，独立思考问题及解决问题。同时，也能在专业学习过程中发掘社会对机器人的现实需求，以期在长期的学习和研究中，聚焦这些实际需求，探索解决方案。

三、“课程—项目—竞赛”驱动的机器人工程高级应用型人才培养模式探索

构建“课程—项目—竞赛”驱动的机器人高级应用型人才培养模式，以课程教学为核心，辅以课题项目和学科竞赛，教学、项目、学科竞赛有机结合，相互协调，互相补充，相互激发，互为补充和促进（见图2）。尽管课程教学、课题项目以及学科竞赛在侧重点和执行方式上存在显著差异，但协调这些环节，确保整个培养过程的有效性至关重要。这需要充分考虑知识点的组织和教学任务的安排，以确保教学的深入、持续和具有挑战性。在课程教学中，重点在于讲授机器人领域的基础理论和系统架构，确保学生深刻、仔细、高效地掌握原理和方法；课题项目注重培养学生对行业现状和实际工程问题的解决能力，鼓励他们创造性地将理论知识应用于实际问题的解决，并借助多种建模辅助技术，设计机器人的原理样机；学科竞赛则通过实践的方式，提供了检验知识理解、吸收水平的有效渠道。课程教学为课题项目和学科竞赛提供了坚实基础，而课题项目和学科竞赛则反馈到课程教学中，激发学生更大的学习兴趣。这三个环节相辅相成，共同提升整体教学水平，培养出符合国家战略发展和机器人产业需求的高级应用型人才。

图2 机器人工程专业“课程—项目—竞赛”驱动的机器人高级应用型人才培养模式

在新工科建设的引领下，建立一种以学科课程为基础、以学科竞赛为动力、以课题项目为助推的模式。以“四理念”为指导，包括价值导向、学生中心、成果取向、守正创新，重新构建了人才培养模式。此外，以“四维度”为学科竞赛体系的驱动力，包括组织规范、师资导师、学分激励、持续管理，以丰富人才培养模式。这一培养模式将学科竞赛和课题项目实践融入了人才培养过程中，实现了以竞赛为驱动、课题项目为实践教学助力的目标，形成了“课堂基础教学+竞赛实际实践+实践能力提升”的良性循环。这有助于提升学生的实际操作技能、理论与实践相结合的能力、跨学科协作能力和创新实践能力，从而提高了他们的就业竞争力。同时，实践培养目标的实现也能够进一步推动新工科建设的进程。

四、创新人才培养模式实施效果

目前，国家正大力推进智能制造和工业2025，政策上支持机器人产业人发展，相应的机器人竞赛逐渐增多，比赛项目范围广，机器人赛道种类多。通过引领学生参加机器人竞赛、参加课题项目来反哺教学，依靠“以赛促教”模式，通过项目竞赛、课题实践的开展来促进教学质量的提高。选取比赛指导及课题项目研究经验丰富的指导教师结合学生自身学习兴趣组合成多个学习小组，确定基本课题方向，并结合该方向有针对性地制订学生选修课方案和学生个人课题计划，为学生的专业课程学习奠定基础。学生在导师的悉心指导下参加学科竞赛，不断优化参赛作品，逐步优化申报书，进行项目打磨。

经过3年实践，该培养模式取得了较好的效果。项目组学生共申请专利12项，发表高水平论文3篇，学生参加国际学术会议并进行口头汇报3次，参加学科竞赛获奖13项，其中多项取得了突破性成果，包括“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛广东省特等奖，“中国机器人及人工智能大赛”国家一等奖（全国第三），“创客广东”机器人产业链中小企业创新创业大赛优胜奖（全省第四），第八届、第九届“互联网+”大学生创新创业大赛广东省分赛高教主赛道省级铜奖等。通过这种创新培养模式，极大激发了学生的学习兴趣，提升了学生的科研思维和能力，已有8名项目组成员获得专业奖学金，5名成员在毕业后继续攻读硕士学位，人才培养效果显著。

结语

基于新工科背景下机器人工程专业技术发展的趋势，从兴趣培养出发，激发学生对机器人专业的热情，鼓励学生加入相关课题组开展课题项目研究学习，参加机器人领域的学科竞赛，培养学生的钻研精神及团队意识。以课程教学为核心，辅以课题项目和学科竞赛，构建了“课程—项目—竞赛”驱动的机器人工程专业高级应用型人才培养模式。在这三年的培养过程中，项目组硕果累累，为对后续机器人工程专业人才培养提供了一定的参考。