基于多维支点及目标牵引的机器人工程专业实践能力提升途径研究

摘" 要：该文针对机器人工程专业学生的实践能力提升任务以及目前存在的问题，设计形成“三支点一牵引”的学生实践能力提升途径。首先，提出以科创竞赛为支点、以产业实践为支点、以科研案例理论教学为支点，构建机器人工程方向学生实践能力提升途径的下层平台基础。其次，以就业需求为牵引，制定学生能力培养目标，构建机器人工程专业学生实践能力提升途径的上层高度基础，为机器人领域培养应用型人才，提升机器人工程专业学生的综合实践能力，并在未来机器人领域快速发挥高水平能力，同时为其他工科专业提供实践能力提升途径探索经验。

关键词：机器人工程;实践能力;多维支点;目标牵引;人才培养

中图分类号：G640" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-000X（2025）04-0164-05

Abstract： Aiming at improving the ability of applied robot engineering professionals and solving the current problems， \"three fulcrum and one traction\" approach is designed to improve students' practical ability. First of all， it is proposed that innovation competition， industrial practice， and scientific research case theory teaching as the fulcrums， so as to build the lower platform foundation of the way to improve the practical ability of graduate students in robotics direction. Second， the goal of the ability cultivation driven by employment demand is built as the upper level foundation， which improves the practical ability of students majoring in robotics engineering. Therefore， the cultivate applied talents in the field of robotics is trained， and the comprehensive practical ability of graduate students in the field of robotics is improved. A high-level ability in the field of future robotics is quickly played， which provides the experience for other engineering majors in exploring ways of improving practical ability.

Keywords： robot engineering; practical ability; multi-dimensional fulcrum; target traction; personnel training

机器人具备适应各类复杂工作环境的特殊能力，通过提高工作效率可以进一步降低企业的生产成本，机器人对于推动中国制造业向制造业强国转变具有积极的推动意义，随着机器人技术的不断发展，尤其是智能机器人的出现，其融合了机械装置、电子器件、智能控制、智能传感器、计算机系统和人工智能等先进技术，因此我国对机器人工程专业人才的需求也呈现出迅猛增长的态势。当前机器人工程技术等岗位人才稀缺，机器人行业产业链、价值链正在快速融合，教育部门也在侧重培养综合型人才，鼓励校企联合开展产学合作协同育人项目[1]，自国务院印发《中国制造2025》行动纲领后，机器人技术已成为推进我国制造业强国战略的重要支点。

近些年，很多高校均设立机器人工程专业或类似专业，并且较多学生选择机器人工程专业开展学术研究工作，例如以机械臂控制、机器视觉、移动机器人路径规划、机器人手眼系统感知与控制等，在这个时机下，我们可以在现代教育改革目标的引导下，进一步探索创新的教学发展模式，为机器人工程专业本科生和研究生打造更加适合他们发展的良好机遇，培养学生的专业技能和创新能力[2]。由于新兴机器人工程技术不断涌现，该研究方向新的经验积累并不多，依然存在一些人才培养方面的问题，例如传统专业知识体系和教学内容较为陈旧，机器人工程实践较少或者不够新颖，教师多以理论讲解和公式推导为主，缺少机器人工程专业领域实际应用案例，导致学生缺乏解决科研项目中实际问题的能力。

针对机器人工程领域人才培养目标，美国高校重视基于问题的学习和案例教学研究[3]，对于工科的学习，不是开始于教师讲解基本原理和概念，相反，往往是以具体的实际问题为着眼点，有时候教师开始讲解的问题并未有很好的定义和概念，学生需通过自己或多人组成的团队来查询和整理相关数据资料，进而分析问题并形成问题的解决方案[4]。另外，美国高校在机器人相关专业授课任务中，重视以科研案例为基础的学习，详细来讲就是以一个具体的实际科研问题为出发点，经过数据分析、案例解析及撰写报告，进而获得问题的解决方案，在该过程中开展问题分析工作，最终构建理论分析与现实问题的联系。

同样地，德国在培养实践型人才方面也有独到之处[5]，强调将所学知识应用于问题的分析和解决过程中。在教学过程中，他们引入外部实习案例和行业应用案例，使学生理解具体案例中信息收集、分析、组织和解决问题的过程。在课堂上，鼓励学生进行自由发言和辩论[6]，培养他们独立分析和解决问题的能力，并表达自己的观点和意见。日本是全球机器人教育和推广水平最高的国家之一。在日本，大学不仅提供高水平的机器人研究和教学内容，还每年举办各种不同级别的机器人设计和制作竞赛[7]。这些竞赛培养了大量机器人技术研究和应用人才，使日本的机器人技术居于世界领先地位。全球范围内，为了推动机器人技术的发展和培养学生的创新能力，许多著名大学也纷纷开展以学生发展为目标的机器人实践活动。

目前，世界知名高校在机器人工程专业人才培养方面，很少综合考虑科创竞赛、产业实践、引入科研案例的理论教学、未来就业能力需求等因素[8-10]，本项目将综合考虑以上因素，着重培养机器人工程方向学生应用型实践能力。本文以机器人工程专业人才培养目标为导向，聚焦机器人研究领域，针对机器人工程专业学生应用型能力提升问题，提出“三支点一牵引”机器人工程专业学生实践能力提升途径研究方法，该模式与传统的实践教学进度和内容不同，本文围绕科创竞赛、产业实践、科研案例理论教学3个方面形成支点效应，作为提升机器人工程专业学生实践能力的平台基座，同时针对学生就业需求，从上层构建牵引学生不断进步的目标，以此为机器人工程专业学生实现实践能力质的飞跃的全链条通道。本文通过以上新型学生培养模式，力争为机器人领域应用型人才的培养提供探索途径，同时也为其他工科专业人才培养提供实践能力探索经验。

一" 以科创竞赛为支点的实践能力培养方法

（一）" 科创竞赛元素融入实践能力培养的难点分析

通过指导学生参加机器人类型科创竞赛，尤其专门针对智能汽车竞赛、水面/水下机器人，组织学生参加竞赛，围绕统一的选题开展竞赛活动，在竞赛过程中积极解决关键技术问题，通过比赛代替理论学习和相关实验活动，从能力侧重方面强化比赛。但是如何将机器人类型科创竞赛中的比赛项目及其关键技术问题转化为相关的模块化教学内容，需要科学的规划和实施，尤其是教学内容与机器人工程专业培养大纲需要保持高度一致，这样才可促进学生对理论知识消化吸收。另外，如何用具体的竞赛案例来实例化理论教学内容，助力机器人工程方向学生应用型能力培养，需要精心设计，形成完整的教学反馈闭环，也是难点之一。

（二）" 依托科创竞赛的实践能力提升方案

结合指导学生参加机器人类科创竞赛经验，通过机器人竞赛的要求来设计机器人功能，并以实例教学的方式，帮助学生理解课程内容的意义和在实践中的应用。比如，在讲解机器人动力学方程时，可以使用移动机器人竞赛中的移动小车作为案例进行建模，以便学生更好地运用所学知识。这种教学方法能够降低抽象概念的难度，激发学生的兴趣，并促进他们对机器人技术的深入理解和实践能力的提升。同时，要有针对性地增加学生实际操作环节，如在智能汽车比赛规则条件下，鼓励学生开展部分模块的设计与验证工作，将红绿灯识别、S弯道跟踪等任务布置给学生，促进其融入到科创竞赛的实际过程中。

分层次指导学生参加大学生机器人方向的科创竞赛，教师重点关注本科阶段已确定保研资格以及立志将来攻读研究生的学生，这是参赛学生重要来源之一。另外，研究方向与机器人相关的硕士研究生也是参赛学生的重要来源，将本科生和硕士生组成参赛团队，由本文作者担任指导教师，此做法有两点好处：其一，可避免出现学生仅以参加比赛获奖保研为目的的情况;其二，以由指导教师指导参赛学生、硕士研究生直接带领本科生的方式，形成合理的团队梯度。

利用已有的软硬件平台，搭建多个支撑比赛的移动机器人模型、水面/水下机器人模型、比赛环境模型、视觉系统模型、激光雷达感知模型和SLAM模型等，开发和修改相关模型软件系统，选择C++和Python语言作为主要编程语言，综合训练学生的硬件调试能力和软件编程能力，同时增加案例式教学环节，引入科创竞赛完成比赛内容中的部分典型任务。为了帮助学生更好地理解课程内容的意义和在实践中的应用，我们要求他们掌握机器人功能设计的要求。为了实现这个目标，我们采用实例教学的方式。举个例子，在讲解动力学方程时，可以以移动机器人大赛中的移动小车作为案例进行建模，这样的教学方法可以加深学生对所学知识的运用，并帮助他们更好地掌握机器人技术。通过实际操作和实践，学生将能够更好地应用所学知识，提高其实践能力和理解水平。

二" 以科研案例理论教学为支点的模块化教学手段

（一）" 科研案例与理论教学相结合的难点分析

机器人工程专业学生所学课程的知识点较多，需要梳理出一条贯穿大部分知识点的主线，并围绕该主线整理科研案例，注重科研案例的典型性，如果科研案例选择不当，不仅影响授课学时，还会影响学生对理论的消化和掌握，为此应解决知识主线和科研案例难点问题。

考虑到机器人工程专业学生未来就业领域实用化特点，结合应用型能力在未来学生就业行业的作用，梳理综合设计实践环节知识点主线，以此为基础整理科研项目研究基础和科研案例，完成主线式科研案例构建工作。同时结合机器人工程专业包含的知识体系构成，按照大类划分原则，设计组建模块化理论体系的研究方案，基于已有的机器人试验平台，构建模块化教学的测试场景，验证模块化教学手段的可行性，并且参考传统的理论授课方式，为学生提供以模块化综合设计实践知识主线为主的教学体系，保证模块化知识主线的覆盖效果。

（二）" 依托科研案例理论教学的实践能力提升方案

在准备综合设计实践环节时，鼓励学生进行团队合作，并建立一个课程教学团队，为了更好地组织机器人工程课程，将其按照知识结构分成多个知识点，团队中的教师可以根据各自的专长，在指导学生时负责不同的知识点，这种合作模式可以充分发挥每位教师的优势，提供更全面、有针对性的教学指导，帮助学生更好地掌握机器人工程的知识和技能，每个人负责一部分知识点，保证对各知识点的透彻领悟，共同讨论梳理出围绕该课程的理论知识主线，该主线串联覆盖该课程的全部核心知识点，为后续科研案例梳理奠定知识点基础。

整合本文作者所在团队的资源优势，针对课程主线内容，实现多学科深度融合，围绕教师专长并利用各位教师参与的科研项目，整理与主线相关的科研案例，保证科研案例与各负责教师专业研究方向相契合。在课程主线上，一定会存在没有科研项目背景的科研案例，此种情况下将采用以下两种方式解决：其一，由本文作者开展专门的机器人（移动式、多连杆式等）试验，利用已有实验室条件，设计试验案例，形成覆盖知识主线的有效教学案例;其二，通过校企合作模式，进一步加强产业与教育的融合，与企业展开产学研合作，共同制定实验方案并开发实验项目，同时也联合编写实验指导教材，这样的合作模式可以确保教学内容与实际应用紧密结合，学生可以获得更深入的实践经验。通过与企业合作，可以提供学生与真实工作环境相符合的实习机会，帮助他们更好地掌握所学知识并培养相关技能。

为了增强基础知识的联想和贯穿性，对综合设计实践环节进行知识主线结构的划分，这意味着将相关知识点有机连接起来，构建一个整体的知识框架，通过这种方式，学生可以更好地理解不同知识点之间的相互联系，提升其综合思考能力，同时这种结构还可以帮助学生在实践中将各种知识应用到实际问题解决过程中，提升其实际操作能力。在授课过程中基于科研案例和试验平台，构建模块化教学手段，具体实施方式如下：围绕综合设计实践主线中相关知识体系，构建以多个科研案例组成的一个模块，进而将多个模块覆盖全部知识主线的所有知识点，启发式引导学生利用所学各模块，应用到综合设计实践具体环节中，并开展理论与实验环节交叉融合，以巩固学生对问题的理解，利用本文作者所在团队中已配置的机器人平台，在理论教学过程中，配合科研案例开展教学。

三" 以产业实践为支点的学生实践能力培养方法

（一）" 产业实践提升实践能力途径的难点分析

机器人产业包含该领域中最先进的技术元素，将机器人产业引入高校人才培养过程中，可提升高校相关专业的人才培养质量，但机器人产业实践以何种方式引入人才培养过程是一个关键问题，如果产业引入不当会造成人才培养任务的负担，制约高校理论发展与实践教学任务的开展。因此，要认识到将机器人产业实践引入应用型人才培养过程的方式是一个难点。

要利用已有的和将来潜在的校外指导教师资源，建立机器人工程专业学生应用型能力培养的新途径，同时与校内指导教师加以深度通力合作，在理论层面重点培养学生解决具体问题的实践能力。在已有机器人软硬件平台基础上，充分利用地缘优势和合作基础，在软件协同开发方面开展深入具体的合作，引入机器人动力系统设计、数字孪生方面的先进软件技术，改造已有的机器人平台，设计机器人技术实践大纲，按产业实践需求着力培养学生的能力。

（二）" 依托产业实践的实践能力提升方案

利用校内、校外联合指导优势，开展机器人工程专业应用实践型人才培养工作，将关键理论知识点与工程实践深度结合。利用现有的机器人设备及承担的科研项目，鼓励学生参与到科研项目中，将所学的理论知识应用到工程实践中，培养学生的兴趣，激发学生的参与积极性，开展机器人实践的宣传活动，开放机器人与本文作者所在团队现有机器人设备。与传统的注重知识传授和技能培养的课程不同，机器人实践注重实践、探索、应用和综合能力的培养，帮助学生更好地接触前沿研究，提升他们的创新能力和专业素质。

组织参观具有先进工业机器人设备的工厂、研究所以及企事业单位，让学生了解机器人在实际工程中的应用过程，鼓励学生前往与团队长期合作的企业实习，并在从事机器人工程实践前，编写实践指导手册，编写机器人实践教学手册，提高学生的学习兴趣。有条件时，在相关专业课程中讲授机器人操作与控制的内容，结合已有实验设备开发与机器人实践相关的实验项目，在实践过程中培养学生应用知识的能力，精选机器人实践教学内容，实现复合型人才的培养目标，编写一套适合自身实际情况的，具有启发性、创造性、学科交叉性和综合性的机器人实践手册，设立多种兴趣激发点，建立特色鲜明的工程实践创新教育教材。

机器人工程专业的学生可以选择电力电子、自动控制、单片机、数字信号处理器、智能传感器和计算机语言等具体方向进行学习，通过抓住总体设计方案和内容分解，将复杂的问题转化为具体而有针对性的子问题，从而全面掌握与机器人操作和控制相关的知识，并有目的地提高自己在某个方面的实际操作能力。在策略方案分析阶段，学生将锻炼思考、分析和解决问题的能力，而在具体设计和调试过程中，将综合运用所学课程知识，提升其工程实施能力。通过将课程理论与机器人实践紧密结合，学生将培养出更强的动手能力、创造能力、协作能力和综合能力。这种综合性的学习方法不仅能帮助他们在理论知识上做深入理解，还能将其运用到实际操作中，从而更好地应对机器人工程领域的挑战。

四" 以就业需求为牵引的机器人工程专业柔性考核评价方法

（一）" 基于就业需求的柔性评价方式难点分析

高校机器人工程专业人才培养目标是向相关产业输送高技术人才，让这些人充分利用高新技术，推动机器人产业的发展和产出，提高学生实践环节的设计能力与问题解决能力，消除传统授课模式单一化考核方式弊端，以培养学生成为机器人领域高质量创新型人才为目标，设计多元评价考核机制，因此保证模块化综合设计实践评价方式的科学性是难点。

以机器人工程专业学生的应用型能力培养为牵引，重视教师与学生间的有效沟通和良性互动，将学生的反馈作为重要的评价指标。此外，开展多维度的教学评价，覆盖理论知识点主线、模块化教学全过程、理论与实践的综合表现等。利用专家系统理论构建对机器人专业方向学生的柔性考核评价方案，利用教师丰富的指导经验，划分考核学生综合能力的影响因素，通过主成分分析法构建学生高维评价数学模型。

（二）" 基于就业需求的柔性评价实施方案

采用传统的试卷考核或单纯的实验结果考核方式并不合适，应构建可评价机器人工程专业学生实践能力评分表，指导教师全程记录学生在科创竞赛中的表现，综合考虑科创竞赛结果、个人表现、理论应用能力和解决问题能力4个评价指标，具体改革评价方式如下。

强调双向教学能力评估。采用研讨式的案例教学方法，注重在综合设计与实践评价体系中增加技术讨论的重要性，讨论会以小组形式进行，每个小组选出一名代表发言，而其他小组成员则进行提问和讨论。此评估方法不同于传统的单纯依赖教师评估，因为它涉及学生的互动，要求学生对自己小组内的同伴进行评价，并为其他小组提供评价观点，建立透明的同伴评价机制。每个学生都是评估者和被评估者，这有助于避免仅仅依靠教师评估的局限性，提高学生在研讨会过程中的参与度和热情。

注重培养研究思维和创新能力。致力于培养学生识别、分析和解决问题的能力，教师和学生在实践教学过程中共同探索科学知识，通过设置问题情境，激发学生的兴趣和好奇心，引导学生自主探索，体验知识生成的过程，鼓励学生提出问题，批判性地思考，表达独立的观点。这样的学习环境培养了学生的创新思维和创新能力。因此，该评价方法以创新思维为标准来评价学生的研究性思维能力。

重视解决实际问题能力。对学生在主线式模块化教学后的实践应用环节中，强化学生动手能力，尤其重视学生对软件的编程能力和硬件的设计能力，对标机器人工程专业学生未来就业领域，力争培养出符合新时代特征的机器人工程专业优秀创新型人才，为此形成以实际能力为指标的考核评价方法。

根据主成分分析原理，综合评价人才培养目标是否达成，并通过量化指标衡量学生的成绩。但这里需要注意，考虑到目标是培养应用型机器人领域专业人才和而不是仅通过分数将学生划分等级，避免埋没特殊人才，为此允许指导教师或授课教师柔性调整学生的评价结果。

五" 结束语

针对机器人工程专业应用型实践能力人才需求，本文围绕新工科下高校机器人工程专业学生能力培养目标，设计以科创竞赛为支点，以产业实践为支点，以科研案例理论教学为支点，以就业需求为牵引的“三支点一牵引”机器人工程专业学生实践能力提升途径，促进学生消化吸收理论知识，培养具有国际视野、创新思维的机器人工程专业技术创新人才，为其他工科专业创新型人才培养提供参考。

参考文献：

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基金项目：教育部高等教育司产学合作协同育人项目“产学合作协同育人模式下机器人工程专业实践条件建设研究”（201902155018）;黑龙江省教育科学规划2023年度重点课题研究成果“‘以赛助学，赛学并考’的新型机器人方向本硕贯通培养模式研究”（GJB1423059）;黑龙江省教改项目“‘线上、线下、虚仿、实操’四位一体的机器人工程专业新工科建设模式研究”（SJGZ20200043）

第一作者简介：王立鹏（1985-），男，汉族，黑龙江阿城人，博士，副教授，博士研究生导师。研究方向为复杂系统建模与控制、机器人语义SLAM。

*通信作者：刘志林（1977-），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为高等教育管理。