申慧敏

摘 要 隨著工程教育專業(yè)認證工作的不斷推廣，“新工科”專業(yè)——機器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式還在不斷探索中。針對機器人工程專業(yè)人才在理論知識與實踐能力之間存在脫節(jié)的問題，本文以“成果導(dǎo)向”教育理念為前提條件，把專業(yè)教育成果作為出發(fā)點，對機器人工程專業(yè)人才實踐教學(xué)體系進行了探討，以實踐促學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進教學(xué)與產(chǎn)業(yè)的接軌。

關(guān)鍵詞 成果導(dǎo)向 機器人工程 創(chuàng)新實踐

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.02.017

Exploration on the Training Mode of Robot Engineering Professionals' Practical Ability Based on the "Results Oriented" Education Concept

SHEN Huimin

（School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093）

Abstract With the developing of engineering education accreditation， the personal training mode of the new engineering—robotic engineering is under exploration. To address the problem that the knowledge of theory and practical ability of the students majored in robotic engineering is disconnected， this paper studies the mode of practical ability training of the students majored in robotic engineering base on outcome based education （OBE）. By taking the outcome of professional education as the starting point， we discuss the theory of practical teaching， and aim to promote the learning effectiveness， interest in study and integration with industry.

Keywords outcome based education； robotic engineering； innovative practice

0 概述

我國于2016年正式加入《華盛頓協(xié)議》，通過工程認證的專業(yè)畢業(yè)生在相應(yīng)的會員國申請工程師執(zhí)業(yè)資質(zhì)時，將享有與本國畢業(yè)生同等的待遇，這一事件標志著我國的高等教育在對外開放上又向前邁出了一大步，標志著我國工程教育質(zhì)量得到國際標準的認可。目前，全國高校都在積極推廣和開展工程教育認證工作?！俺晒麑?dǎo)向”的教育理念（Outcome Based Education，簡稱OBE）是工程教育專業(yè)認證要求所貫徹的三大理念之一。[1]OBE教育理念以所有學(xué)生都能夠掌握所學(xué)知識為前提條件，把專業(yè)教育的成果作為出發(fā)點，制定專業(yè)教育的課程目標，構(gòu)建專業(yè)教育的課程體系。

目前，第四次工業(yè)革命正在國際社會廣泛展開，歐美日等制造強國紛紛提出了“德國工業(yè)4.0”、“美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，以加快本國產(chǎn)業(yè)升級改造的步伐。我國也出臺了“中國制造2025”，為加快先進制造業(yè)的發(fā)展，促進我國產(chǎn)業(yè)邁向全球價值鏈中高端提供政策保障。不論是在“德國工業(yè)4.0”、“美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，還是“中國制造2025”，在新工業(yè)產(chǎn)業(yè)革命浪潮中，機器人技術(shù)都處于核心和不可替代的位置。

產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開人才的推動，為培育機器人技術(shù)相關(guān)專業(yè)人才，機器人工程專業(yè)應(yīng)運而生，是順應(yīng)時代潮流發(fā)展的“新工科”專業(yè)。目前，全國已有85所本科院校的機器人工程專業(yè)建設(shè)申請獲批，機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式的探索之路不斷推進。我國在《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》[2]中把“加強人才隊伍建設(shè)”作為機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的六大保障措施之一，并明確提出要加強大專院校機器人相關(guān)專業(yè)學(xué)科建設(shè)。機器人工程專業(yè)具有較強的實踐性，[3]將OBE教育模式應(yīng)用到機器人工程課程教學(xué)，將更好的激發(fā)專業(yè)人才的學(xué)習(xí)興趣，提高專業(yè)人才的實踐能力。

1機器人工程專業(yè)及人才需求分析

伴隨全球產(chǎn)業(yè)向智能化生產(chǎn)的升級改造，機器人產(chǎn)業(yè)集多種先進的技術(shù)于一體，是推進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級不可替代的重要現(xiàn)代智能制造裝備。以先進智能制造為背景，機器人工程集中了精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開發(fā)為一體，已然具備了鮮明的學(xué)科特征。機器人作為一個復(fù)雜的工程系統(tǒng)，[4]需要綜合運用多學(xué)科交叉知識和技術(shù)，包括機械、電子、控制和通信等基礎(chǔ)理論知識和技能，涉及合理的機械結(jié)構(gòu)、靈敏的感知認知、準確的動作控制以及和諧的人機交互等。

從國家頂層設(shè)計的發(fā)展戰(zhàn)略實施和推進，到產(chǎn)業(yè)瓶頸解決，都迫切需要大量的機器人專業(yè)人才。此外，伴隨著用工成本的增加，“人才紅利”取代“人口紅利”成為我國實現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展加速轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵，由政府全面推廣、企業(yè)全力實施的“機器人換人”戰(zhàn)略正在加緊部署。從2013年開始，我國已經(jīng)連續(xù)四年成為全球最大的工業(yè)機器人需求市場，預(yù)計到2022年，我國機器人產(chǎn)業(yè)將發(fā)展成為上萬億元產(chǎn)值的產(chǎn)業(yè)集群，機器人智能裝備產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇。面對我國機器人產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出的“快速成長”和“國產(chǎn)替代”雙重重要特征，以培養(yǎng)機器人領(lǐng)域復(fù)合型高素質(zhì)技術(shù)人才為目標的“機器人專業(yè)”，是順應(yīng)國家建設(shè)需求和國際發(fā)展趨勢而出現(xiàn)的新興專業(yè)。

隨著全球機器人市場的持續(xù)快速增長，機器人技術(shù)領(lǐng)域急需大量的機器人工程專業(yè)技術(shù)人才。然而，目前我國機器人領(lǐng)域?qū)I(yè)人才主要來源于經(jīng)過企業(yè)二次培訓(xùn)的各大院校機電一體化或電氣自動化專業(yè)畢業(yè)生，機器人工程專業(yè)人才的短缺已經(jīng)成為中國智能制造發(fā)展升級的瓶頸。教育部發(fā)布的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》[5]中指出，到2025年高檔數(shù)控機床和機器人領(lǐng)域所需人才總量將超過900萬人，屆時將面臨約450萬人的人才缺口。機器人作為高端智能裝備，從位于產(chǎn)業(yè)鏈中上游的機器人本體設(shè)計研發(fā)和制造到產(chǎn)業(yè)鏈下游的機器人系統(tǒng)集成和應(yīng)用，都迫切需要掌握先進機器人系統(tǒng)裝備機械設(shè)計及控制、安裝調(diào)試、維護與開發(fā)應(yīng)用等方面的高層次專業(yè)技術(shù)人才。

因此，對接“中國制造2025”、“上海全球科創(chuàng)中心建設(shè)”等國家和地方發(fā)展的重大戰(zhàn)略，“機器人工程”專業(yè)的廣泛開設(shè)，培養(yǎng)具有機械工程、控制科學(xué)與工程和計算機科學(xué)與技術(shù)交叉學(xué)科背景，具有扎實基礎(chǔ)、知識面寬、實踐能力以及創(chuàng)新意識強，能夠從事機器人相關(guān)領(lǐng)域工程設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、系統(tǒng)運行與維護以及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等工作的高素質(zhì)、國際化、復(fù)合型應(yīng)用技術(shù)人才，符合國家和行業(yè)發(fā)展以及學(xué)科建設(shè)需求。

2機器人工程專業(yè)畢業(yè)要求

隨著機器人工程專業(yè)在全國高校開設(shè)，專業(yè)人才的培養(yǎng)目標和課程體系的構(gòu)建應(yīng)面向畢業(yè)要求，體現(xiàn)新工科內(nèi)涵。機器人工程專業(yè)人才的培養(yǎng)要基于多學(xué)科交叉特性，涵蓋機械工程、控制科學(xué)與工程和計算機科學(xué)與技術(shù)，堅持“工程型、創(chuàng)新性、國際化”的人才培養(yǎng)理念，探索培養(yǎng)德才兼?zhèn)?、國際視野、胸懷國家，具有扎實基礎(chǔ)、知識面寬、實踐能力以及創(chuàng)新意識強，符合社會和行業(yè)發(fā)展需求，能夠從事機器人相關(guān)領(lǐng)域工程設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、系統(tǒng)運行與維護以及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等工作的高素質(zhì)、國際化、復(fù)合型應(yīng)用技術(shù)人才。

從機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)的目標出發(fā)，對標12條工程教育認證畢業(yè)要求，機器人工程專業(yè)的本科畢業(yè)生在走向社會時，應(yīng)該能夠達到如下畢業(yè)要求。

（1）基礎(chǔ)工程理論知識儲備：能夠?qū)⒆匀豢茖W(xué)、數(shù)學(xué)、專業(yè)知識和工程基礎(chǔ)用于解決復(fù)雜機器人系統(tǒng)裝備的開發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造及過程控制等工程問題。

（2）問題的分析和推理能力：通過運用自然科學(xué)、數(shù)學(xué)和機械工程科學(xué)的基本原理知識進行識別和表達機器人設(shè)計、制造及控制過程中的關(guān)鍵問題，并能輔助文獻研究對其進行分析，從而得到有效合理的結(jié)論。

（3）開發(fā)和設(shè)計解決方案制定：針對復(fù)雜機器人系統(tǒng)裝備領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，制定相應(yīng)的解決方案，并根據(jù)用戶的具體需求，研發(fā)出特定的機器人系統(tǒng)裝備，能夠在實際的開發(fā)過程中體現(xiàn)出創(chuàng)新意識。

（4）科學(xué)研究：能夠基于基本的科學(xué)技術(shù)原理，通過運用科學(xué)的方法和技術(shù)手段對機器人工程領(lǐng)域的工程問題開展科學(xué)研究，進行系統(tǒng)的性能分析，設(shè)計具體實驗流程、能夠通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析與推理，通過信息的綜合得出有效而合理的結(jié)論。

（5）先進工具的使用：針對機器人工程領(lǐng)域出現(xiàn)的復(fù)雜工程問題，會自主開發(fā)、選擇與使用合理的現(xiàn)代化的技術(shù)、資源、工程工具以及信息技術(shù)工具等，對機器人系統(tǒng)的設(shè)計、制造及控制過程進行模擬，并獲得合理的預(yù)測結(jié)論，對模擬的局限性能夠合理認識。

（6）工程與社會：基于機器人工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論知識，對機器人系統(tǒng)的設(shè)計、制造和產(chǎn)品使用過程可能對社會、健康、安全、法律及文化產(chǎn)生的影響，能進行合理的分析，并采取合理的手段對不利影響進行減弱或歸避。

（7）環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展：能夠前瞻性地針對機器人工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的生產(chǎn)制造過程和產(chǎn)品實際使用可能對環(huán)境以及社會的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生的影響進行評價和解釋。

（8）職業(yè)操守和規(guī)范：具備一定的人文社科素養(yǎng)，具有社會擔當和責任感，在機器人產(chǎn)品設(shè)計、制造及應(yīng)用中，恪守工程職業(yè)的道德規(guī)范，履行應(yīng)盡的職責。

（9）個人與團隊：針對機器人工程學(xué)科具有的多學(xué)科交叉特性，能夠在團隊中肩負起多重角色，包括隊員、負責人等。

（10）溝通與協(xié)調(diào)：針對機器人工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，能夠進行跨文化背景的溝通和交流，并通過報告和設(shè)計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達或回應(yīng)指令等多種方式，與業(yè)界的同行、社會公眾開展有效的溝通和交流。

（11）項目管理：能夠理解和掌握一定的工程項目管理原理與經(jīng)濟決策方法，實現(xiàn)多學(xué)科交叉環(huán)境的靈活應(yīng)用。

（12）終身學(xué)習(xí)：從適應(yīng)專業(yè)發(fā)展和推進自身發(fā)展的角度，具有較強的自主學(xué)習(xí)意識和終身學(xué)習(xí)意識。

我們將以上畢業(yè)要求作為機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)的出發(fā)點，培養(yǎng)能夠從事機器人軟硬件、機器人系統(tǒng)、智能制造以及相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用及管理工作的優(yōu)秀機器人工程專業(yè)人才，使他們發(fā)展成為機器人工程及智能制造系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的工程技術(shù)人員。

3基于OBE理念的實踐能力培育方案

根據(jù)工程教育專業(yè)認證的通用標準明確，工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方案中工程實踐和畢業(yè)設(shè)計所占總學(xué)分的比例要高于20%。機器人工程作為一門實踐性較強的專業(yè)，為了更好地啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極主動性，有效地提高學(xué)生掌握專業(yè)知識的能力，必須要加強機器人工程專業(yè)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)?；凇俺晒麑?dǎo)向”的核心教育理念，從機器人工程專業(yè)學(xué)生的實際畢業(yè)要求出發(fā)，對應(yīng)機器人工程專業(yè)的具體能力要求，對應(yīng)能力培養(yǎng)設(shè)置課程功能模塊。將課程基礎(chǔ)理論知識與實踐有機結(jié)合，構(gòu)建貫通的機器人專業(yè)教學(xué)體系，并最終獲得較好的教學(xué)效果。[6]

典型的機器人系統(tǒng)包括機器人本體設(shè)計以及控制軟件開發(fā)，涉及機械設(shè)計、測試與控制、軟件開發(fā)等學(xué)科交叉。從OBE理念出發(fā)，機器人工程專業(yè)人才的實踐能力培養(yǎng)要實現(xiàn)以下兩方面：

（1）機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計能力：綜合運用機器人技術(shù)理論知識，包括機器人運動學(xué)、動力學(xué)等，配合控制系統(tǒng)，完成機器人執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計。

（2）機器人系統(tǒng)軟件開發(fā)能力：掌握基本的開發(fā)語言環(huán)境，包括C語言程序設(shè)計、單片機接口設(shè)計、嵌入式（ARM）系統(tǒng)[7]等，并在如Arduino等開源硬件[8]上實現(xiàn)應(yīng)用。（下轉(zhuǎn)第79頁）（上接第44頁）

在實踐教學(xué)中，以項目為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生建立機器人系統(tǒng)整體開發(fā)概念，并更好的與工程實踐接軌。此外，構(gòu)建多層次實踐教學(xué)體系，包括入門學(xué)習(xí)、強化應(yīng)用、競賽挑戰(zhàn)等，滿足學(xué)生多層次的學(xué)習(xí)需求。

4結(jié)束語

作為新工科專業(yè)，我國高校在機器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)模式還在不斷探索中。針對機器人工程專業(yè)具有的極高實踐性，在專業(yè)人才培養(yǎng)中，堅持“成果導(dǎo)向”教育理念，以畢業(yè)要求為出發(fā)點，通過構(gòu)建多層次教學(xué)體系，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。幫助學(xué)生打下牢固的機器人基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)知識，提供多方支持和渠道，以實踐促學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用和實踐操作能力。探索培養(yǎng)德才兼?zhèn)?、國際視野、胸懷國家，具有扎實基礎(chǔ)、知識面寬、實踐能力以及創(chuàng)新意識強，符合社會和行業(yè)發(fā)展需求，能夠從事機器人相關(guān)領(lǐng)域工程設(shè)計、技術(shù)開發(fā)、系統(tǒng)運行與維護以及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等工作的高素質(zhì)、國際化、復(fù)合型應(yīng)用技術(shù)人才。

參考文獻

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