面向新工科的机器人工程专业创新人才培养模式探索
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作者:王帅 吴成东 贾子熙 王斐
摘要：作为第三次工业革命的重要增长点，机器人及人工智能技术正渗透到各行各业，机器人带来的产业大爆发对我国高等工程人才培养提出了新的挑战，迫切需要探索机器人工程专业建设，以满足经济和社会发展的需求。文章介绍了机器人专业发展现状，讨论了面向新工科的机器人专业创新人才培养方案，通过构建有序化和个性化相结合的产学研多主体协同育人人才培养模式，设置以创新和实践为核心的交叉学科课程体系，建设基于教学科研资源转化的创新实践平台。经过实践，证明了创新人才培养模式的有效性。
关键词：机器人工程专业;课程体系;培养模式;协同育人
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）14-0052-03
一、机器人工程专业建设现状
机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，是衡量一个国家创新能力和产业竞争力的重要标志，已成为全球新一轮科技和产业革命的重要切入点，将影响全球制造业格局。为了抢占竞争日趋激烈的机器人产业制高点，培养具备创新素质的机器人技术人才成为各国政府和高等教育界关注的焦点[1，2]。
英国Plymouth University是全球第一所提供机器人本科教育课程的大学，其办学思想是向学生提供模拟的由做到学的体验，培养学生电子、嵌入式与高级编程、机电、人工智能等领域的实践和分析技能，跟踪机器人研究最新进展。日本机器人教育及文化普及水平很高，在世界名列前茅，几乎每所大学都拥有高水平的机器人研究和教学内容，每年定期举行不同层次的机器人设计和制作大赛，不仅加速了日本机器人文化的普及，而且调动社会力量，开发出大量的机器人产品，促进了日本工业发展，并带来巨大的社会效益和经济效益。美国卡耐基梅隆大学的机器人专业课程高度重视与科技实践相结合，以团队为活动单位，在教师指导下以学生为中心开展活动，注重为学生创设自主发挥空间。本科生首先通过导论课程对机器人领域有基本认识，同时掌握一些基本技能。然后通过对认知、感知、执行这几个核心模块的学习，深入理解智能机器人所涉及的技术。其次，选一门动手课程增强动手能力，选两门选修课增加知识的广度。最后，通过系统工程以及核心课程的学习和实践，将前面所学到的内容融会贯通，为以后的学习和工作打好基础[3]。
我国机器人产业发展势头迅猛，产业规模与市场空间不断扩大。与此同时，我国机器人应用人才缺口巨大，且每年仍以20%—30%的速度增长。以往单纯依托职业院校输送应用人才的培养机制已难以满足未来市场需要，需要政府、企业、学校、科研院所等共同推动我国机器人应用人才的培养与发展。教育部提出了适应于产业发展需求的“新工科”概念[4]，应对未来新技术和新产业国际竞争的挑战，主动布局机器人和智能制造等工程科技人才培养。2016年，全国第一个机器人工程专业获批;2017年，25所高校获准建设机器人工程专业;2018年，60所高校获准建设机器人工程专业，新增機器人工程专业数量在教育部近两年来批准培养新专业数量中排在第二位;截至2018年，国内高校已成立10所机器人学院。可以预见，开设机器人本科专业，必将在国内教育界形成热潮。
然而，机器人专业的人才培养正处于起步阶段。与国外高校如麻省理工学院、卡耐基梅隆大学等相比，我国的机器人专业培养体系亟须建立和完善[5]。相应地，面向新工科的机器人专业的创新人才培养模式亟待大力开展探索和研究。
二、面向新工科的机器人专业创新人才培养方案
2015年9月，东北大学与中国科学院沈阳自动化所、沈阳新松机器人自动化股份有限公司协同建立机器人学院。三方充分发挥各自优势，共同探索机器人及相关领域拔尖创新人才选拔培养的新途径，为快速发展的机器人产业提供更有利的智力支撑和人才保障。
东北大学机器人科学与工程学院以控制科学与工程国家一级重点学科（国家双一流学科）为依托，承担“机器人科学与工程”二级学科建设。两学科均具有硕士学位和博士学位授予权。机器人工程专业培养适应国家智能制造战略发展和国际科技前沿需求，掌握机器人工程的基础理论和专业知识，具备从事机器人领域的实践技能，具有良好人文社会科学素质修养、社会责任感和工程职业道德，具有创新精神和终身学习能力，兼具国际视野的高素质复合型人才。
机器人工程专业建设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，如图1所示。学院统筹管理，推进科教结合、产学融合、校企合作的协同育人体制机制改革;明确机器人专业人才培养目标，针对社会和市场需求共同制订人才培养计划，设计教学课程体系，改革教学内容和方法，编写机器人系列教材;建立多层次的机器人工程专业实验教学中心，依托高校，联合企业、研究所建立共建实验室，整合优势实验资源，搭建资源共享实验研究平台，促进资源共享、开放发展。
三、培养方案实施
1.构建以创新和实践为核心的交叉学科课程体系。机器人工程专业以控制科学与工程、机械工程、计算机科学与技术、材料科学与工程、生物医学工程和认知科学等学科中涉及的机器人科学技术问题为研究对象，综合应用自然科学、工程方法和技术，研究机器人的智能感知、优化控制与系统设计、人机交互模式等学术问题。由于机器人工程专业涉及多个学科，为了合理有序安排课程，参照国内外一流大学机器人工程专业培养计划，设置培养目标，分析课程设置，并与国内外高校与企业专家深入探讨，就课程选修顺序进行了细致的梳理。培养计划不但符合学校的规定要求，也兼顾专业规律，由浅入深，保证人才培养定位和课程设置处于先进水平。
机器人工程专业以智能机器人为主要研究对象，专业培养方向侧重于机器人智能感知与决策理论和工程实现。按照课群分为自动化课群，包括C语言程序设计、电路原理、计算机应用基础、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、自动控制原理、微机原理与程序设计、计算机控制系统等;机器人机构课群包括工程制图基础、机器人机电一体化技术基础、机器人基础原理、机器人动力学控制等;传感器技术课群包括传感器网络技术基础、数字图像处理与机器视觉等;机器人系统课群包括Linux系统、嵌入式系统基础、机器人操作系统基础等;人机交互课群包括机器人感知与人机交互（双语）、计算机图形学基础、计算机仿真技术基础等;人工智能课群包括人工智能概论、Python编程（双语）、机器学习导论、智能控制概论、云计算导论等。循序渐进安排每学年的专业课程设置，如图2所示。 在實践环节设置上，开设实验课独立授课的课程，包括机器人运动控制实验、机器人技术基础实验、移动机器人控制实验、智能机器人系统综合设计，实行“做中学”和学以致用。机器人工程专业实践教学学分占比大于25%，强化学生运用知识进行工程实践的能力，加深学生对专业理论知识的记忆与理解。由于机器人教学实验设备价格普遍较高，购买的实验套数较少，引入PBL（Project-Based Learning，简称 PBL）教学方法[6]。实验课独立授课的课程均为48个课时，一般多以3—5人组成实验小组进行实验，而PBL教学模式的一个重要特征是以小组合作学习的形式来解决问题的活动。小组成员通过讨论来分析问题、解决问题，在此过程中，学生的团队合作意识和沟通能力得到较好的发展。通过PBL教学模式的引入，在具体问题式实验内容的驱动下，同学们会针对问题进行合理分工，不仅可以调动同学们的积极性，团结合作，还能提高自主学习能力。
目前，机器人工程专业课程普遍缺乏必要的教材和实验指导书。基于多学科交叉的课程体系建设，编写机器人专业系列教材，具有重要的现实意义。因此，学院组织国内外高校、企业及科研院所的专家，提出了机器人技术基础、机器人感知与认知技术、机器人交互与融合技术、机器人系统集成等教材的编写计划，基于机器人工程专业的特点，构建机器人理论、技术、工程设计与技术创新的机器人系列教材体系，注重人才的创新与实践能力培养，从而为学生定制个性化的创新能力培养计划，为推动学生的创新能力的发展提供先进的教材支撑条件。
2.建设基于教学科研资源转化的创新实践平台。机器人学院创新实践平台主要包括基础教学实验室、专业实验室、创新创业实验室和校企共建实验室。基础教学实验室主要承担本科生公共专业基础课的实验和实验课独立授课的实验。合理安排机器人技术系列实验，增加设计型、综合型实验内容的比例，创造全天候开放的实验教学环境，形成课内外相结合的实验教学模式，培养学生自主学习能力。依托校企合作优势，企业专业人员不但参与培养计划的制订，而且参与机器人课程教学与实验实训环节，培养适应于机器人产业发展的人才。
创新创业实验室面向全校师生，承担本科生的创新、创业实践，承担各类实训培训，组织各级各类科技竞赛，综合运用所学知识进行科技开发和新技术应用。针对科技创新活动，建设创新实践项目的专项培训类课程，强调专业知识的针对性与多学科的交叉融合，拓宽学生学习运用知识解决问题的思路与方法，并结合课程设计和科技竞赛、创新科研项目，达到渐进提升本科生创新素养的目的，践行产学研结合的新工科研究与实践模式。
专业实验室为机器人专业前沿方向提供实验研究平台，主要包括高性能机器人本体技术平台、自主导航与环境重建技术平台和多智能体协调与人际协作技术平台。主要服务对象为本科生高年级学生，以及博士和硕士研究生。
通过校企共建实验室吸收和利用社会资源，寻找本科阶段创新实践能力培养与行业对创新人才需求的契合点，联合开展人才培养与技术开发，实践证明取得良好的效果。
四、实施效果分析
目前，机器人专业建设和人才培养方案已经在机器人工程专业3个年级本科生中实施。通过创新和实践为核心的交叉学科课程体系和基于教学科研资源转化的创新实践平台，本科生创新能力得到了显著提升，在各类科技竞赛和创新实验项目中的成绩逐年提高。近年来，项目组教师指导学生承担了国家大学生创新性实验项目27项，指导本科生参加各级各类大赛100余组，获得国际/国家级奖项50余项。在2018全国“未来力大会”大学生社会创新大赛上，东北大学的“妙手回声”项目荣获创行中国科创冠军赛全国总冠军。王斐老师团队代表中国前往美国硅谷参加2018创行世界杯总决赛。在全国大学生智能汽车竞赛中，东北大学获得了2项全国特等奖和7项一等奖。其中，第三届智能汽车竞赛同时夺得视觉组冠军和光电组季军，创造了该年度全国所有参赛院校的最佳成绩。
机器人工程专业虽然以新工科的理念探索创新人才培养模式，但在未来的建设中还须不断借鉴国内外先进经验，完善基于问题导向学习（PBL）模式机器人课程体系，建设多层次、开放型的机器人创新实践平台，建立深层次的国际合作办学与学术交流，培养出符合国家战略发展和机器人产业发展需求的高素质复合型人才。
参考文献：
[1]杨建磊.国外机器人教育的发展及启示[J].艺术科技，2013，（06）.
[2]王改霞，朴姬顺.国内机器人教育研究发展综述[J].中国教育信息化，2012，（12）.
[3]https：//www.ri.cmu.edu/education/courses/
[4]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育，2017，（1）.
[5]王益，张剑平.美国机器人教育的特点及其启示[J].现代教育技术，2007，（11）.
[6]Kolmos，Anette.Premises for Changing to PBL[J].International Journal for the Scholarship of Teaching and Learning，2010，（4）.
Abstract：As an important growth point of the third industrial revolution，robot and artificial intelligence technology are permeating various industries，and the explosion of robot industry has posed new challenges to the cultivation of higher engineering talents in our country，and it is urgent to explore the construction of robot engineering specialty in order to meet the needs of economic and social development.This paper introduces the present situation of the development of robot specialty，discusses the training scheme of innovative talents of robot specialty for Emerging Engineering Education，constructs the training mode of multi-agent cooperative education talents based on order and individualization，sets up the interdisciplinary curriculum system with innovation and practice as the core，and constructs the resources based on teaching and scientific research.Innovative practice platform for transformation.The effectiveness of the innovative talent training model has been proved by practice.
Key words：robot engineering major;curriculum system;training model;collaborative education
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