趙 峰 張廣淵

（山東交通學院 信息科學與電氣工程學院（人工智能學院），山東 濟南 250357）

人工智能作為新科技時代的核心驅動力，正在引發(fā)第四次工業(yè)科技革命。人工智能已成為世界科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)熱點和焦點，已在多個專業(yè)領域和行業(yè)場景中深入應用，帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，為人類生產(chǎn)生活帶來了許多便利，也大大提高了現(xiàn)代人的生活品質(zhì)。與此同時，機器人被譽為“制造業(yè)皇冠上的明珠”，機器人工程專業(yè)為國家緊缺熱門復合型新工科專業(yè)且人才缺口巨大，隨著人工智能與機器人技術快速融合發(fā)展，其在各個行業(yè)大規(guī)模普及應用，社會對于具有人工智能和機器人工程專業(yè)背景的復合型人才的需求將會更加迫切。為此，教育部印發(fā)了《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，要求各高校大力推進“新工科”建設，并高度重視人工智能與其他學科專業(yè)教育的交叉融合，形成“人工智能+X”的復合型專業(yè)培養(yǎng)新模式。

一、微專業(yè)的內(nèi)涵及特點

為主動適應新技術、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)的重大需求，微專業(yè)是由MOOC巨頭Udacity最早提出的一種創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，是為構建新型跨學科專業(yè)組織模式，促進學科專業(yè)交叉融合和產(chǎn)學研用協(xié)同發(fā)展而實施的多樣化辦學模式探索。微專業(yè)將碎片化的在線課程進行體系化、專業(yè)化和職業(yè)化，以就業(yè)求職為導向，滿足學生發(fā)展自我興趣的需求，以適應新時代人才培養(yǎng)的發(fā)展需求[1]152-155。微專業(yè)一般是通過在線開放的慕課平臺向學習者提供課程學習，所需學習課程是針對某一專業(yè)或特定職業(yè)的微小化、定制化課程，一般由5-10門左右的核心專業(yè)課程組成。這些專業(yè)課程涵蓋了某一專業(yè)或崗位群的核心課程或核心技能，以線上和線下混合式教學培養(yǎng)方式，讓學習者快速達到某個專業(yè)的畢業(yè)要求或某一領域的工作技能要求。

微專業(yè)具有以下特點：（1）線上線下的混合式教學模式，學生學習時間靈活；（2）通過核心專業(yè)課程的學習，可實現(xiàn)跨學科復合型人才培養(yǎng)；（3）課程體系設置以就業(yè)為導向，重視職業(yè)綜合實踐能力的培養(yǎng)。

二、“人工智能+”機器人工程微專業(yè)的構建與實施

為滿足“人工智能+X”國家戰(zhàn)略的重大需求，山東交通學院率先開設了“人工智能+”機器人工程微專業(yè)，旨在讓學生通過微專業(yè)的課程學習，能夠系統(tǒng)掌握人工智能和工業(yè)機器人的理論知識、核心技術與實踐操作技能，熟悉工業(yè)機器人典型應用領域，掌握如何將人工智能和工業(yè)機器人技術與所學本科專業(yè)融合應用，進而提升學生動手操作與實踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和綜合應用能力，助力學生成為具有核心競爭力的創(chuàng)新型、復合型、應用型技能人才[2]133-136。

（一） 微專業(yè)的培養(yǎng)目標與課程體系構建

“人工智能+”機器人工程微專業(yè)旨在培養(yǎng)具有良好職業(yè)道德和創(chuàng)新精神，掌握人工智能與工業(yè)機器人應用領域相應崗位所必備基本理論、專業(yè)知識和實踐操作技能，能夠從事工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線和智能制造工作站設計、現(xiàn)場編程、調(diào)試維護、系統(tǒng)集成等技術工作，具備終身學習意識與能力、具有團隊協(xié)作意識、精益求精的工匠精神和高度責任感的創(chuàng)新型、復合型、應用型技能人才[3]119-125。

“人工智能+”機器人工程微專業(yè)共設置6門專業(yè)課程[4]35-37，共計11學分176學時。其中包括2門微專業(yè)的專業(yè)基礎課：人工智能基礎、計算機技術基礎（C）；4門微專業(yè)的專業(yè)核心課：機器人概論、機器人三維建模技術、工業(yè)機器人應用基礎、工業(yè)機器人離線編程仿真技術?！叭斯ぶ悄?”機器人工程微專業(yè)學習時間為一年，分三個學習階段進行，每階段4個月開設兩門專業(yè)課程，微專業(yè)的課程設置如表1所示。

表1 “人工智能+”機器人工程微專業(yè)課程設置

1.人工智能基礎

本課程旨在普及人工智能基礎概念、工作原理及典型應用。通過本課程的學習，學生能夠熟悉人工智能基本概念、發(fā)展歷程和范式；熟悉機器學習的原理及主要方法：分類方法、回歸方法和聚類方法；掌握神經(jīng)網(wǎng)絡的結構、工作原理與神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)訓練常用方法；熟悉深度學習的原理及應用，掌握人工智能典型應用：圖像信息處理和自然語言處理。為后續(xù)深入學習人工智能及行業(yè)應用打下良好基礎。

2.計算機技術基礎（C）

本課程采用基于問題驅動的教學方式，引導學生理解程序在機器人中的作用及工作原理，掌握C語言基本語法知識、常用編程指令、編程方法與調(diào)試方法，熟練掌握利用編程解決實際問題的編程思維和設計方法，培養(yǎng)學生高級編程語言程序設計能力，鍛煉學生計算邏輯思維，為后續(xù)的工業(yè)機器人離線編程奠定基礎。

3.機器人概論

本課程旨在普及機器人相關知識及國內(nèi)外最新、最先進的機器人科技。通過本課程的學習，學生能夠全面了解機器人的發(fā)展歷史、構成、工作原理及典型行業(yè)應用等，熟悉機器人典型機械結構、運動控制方法、感知與多傳感器融合、智能導航定位、協(xié)同控制、人機交互等關鍵核心技術，了解機器人未來發(fā)展前景。為后續(xù)“人工智能+”機器人工程微專業(yè)相關課程的學習打下良好基礎。

4.機器人三維建模技術

通過本課程的學習，讓學生能夠熟練掌握機器人三維建模軟件的使用方法，熟練掌握常用工業(yè)機器人零部件的二維草圖設計方法、零部件造型設計方法、零部件裝配仿真方法、零部件工程圖設計方法，熟悉工業(yè)產(chǎn)品三維逆向建模設計方法及應用技術，培養(yǎng)學生利用三維建模軟件進行機器人三維設計能力和創(chuàng)新實踐能力。

5.工業(yè)機器人應用基礎

通過本課程的學習，讓學生進一步了解工業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀、分類和典型應用場景，熟悉工業(yè)機器人的基礎術語、功能技術參數(shù)和運動空間分析，掌握工業(yè)機器人系統(tǒng)的基本組成及功能、常用的三種類型的驅動系統(tǒng)、機器人內(nèi)部和外部常用的傳感器、智能控制系統(tǒng)，熟練掌握工業(yè)機器人在線編程與離線仿真編程方法、綜合調(diào)試與應用方法，能夠熟練利用示教器手動操作工業(yè)機器人和示教編程，為后續(xù)工業(yè)機器人離線編程仿真技術及綜合設計應用打下堅實的基礎。

6.工業(yè)機器人離線編程仿真技術

本課程旨在讓學生熟練掌握工業(yè)機器人的離線編程及仿真方法。通過本課程的學習，讓學生熟練掌握ABB工業(yè)機器人的離線編程軟件RobotStudio和工業(yè)機器人的軌跡編程及仿真運行方法，熟悉ABB工業(yè)機器人的通訊方法和基礎數(shù)據(jù)建立方法、應用RAPID語言編程建立常用工業(yè)機器人工作站并離線仿真，為學生后續(xù)在不同行業(yè)及場景下建立工業(yè)機器人工作站打下良好基礎。

（二）微專業(yè)的教學方式與考核方式設計

“人工智能+”機器人工程微專業(yè)采用線上+線下混合教學方式[5]58-60，以線上自主靈活學習為主、線下見面課和線下實踐課為輔。

1.線上自主靈活理論學習。通過智慧樹在線課程管理平臺或智慧樹知到APP，學生自行靈活安排學習時間在線學習“人工智能+”機器人微專業(yè)的視頻講解及操作課程，并在線完成章節(jié)彈屏知識點問答、章節(jié)內(nèi)容測試與在線期末考試。

2.線下見面課互動交流學習。按照“人工智能+”機器人工程微專業(yè)課程負責老師的約定時間參加線下見面課，完成老師布置的作業(yè)、調(diào)研報告、設計報告與實踐報告，并參加老師組織的各種小組討論與課程匯報。

3.線下實踐操作技能學習。利用群機器人智動化系統(tǒng)教學實驗平臺、發(fā)那科視覺焊接機器人綜合實訓平臺、ABB工業(yè)機器人綜合實訓平臺、20套慧靈工業(yè)機器人綜合實訓平臺進行工業(yè)機器人實踐操作與綜合應用，利用實驗平臺可實現(xiàn)機器人自動裝配、機器人焊接、機器人3D打印、機器人視覺分揀、機器人激光雕刻等，提高學生的綜合實踐操作能力。

“人工智能+”機器人工程微專業(yè)課程考核均采用集中時間考核方式[6]88-91，考核內(nèi)容在智慧樹網(wǎng)站線上考試或工業(yè)機器人項目設計，未通過課程考核者允許補考一次。學生如有特殊情況未能在規(guī)定時間修完學分，可進行課程補修，最長學習時間不超過錄用日期后24個月?！叭斯ぶ悄?”機器人工程微專業(yè)實行學分制，學生在其規(guī)定的修業(yè)年限內(nèi)修滿該微專業(yè)培養(yǎng)方案所規(guī)定的11個必修學分，成績考核合格后，由學校頒發(fā)“人工智能+”機器人工程微專業(yè)合格證書。

（三）微專業(yè)的人才培養(yǎng)實施

“人工智能+”機器人工程微專業(yè)課程自成體系，學生入門門檻低，無需前置課程學習要求，在校全日制各年級本科生包括研究生均可報名，不限定學生的專業(yè)。該微專業(yè)2021年開始，在山東交通學院全校招生運行，通過學校網(wǎng)站、智慧樹網(wǎng)站、山東交通學院微信公眾號、信電U視角微信公眾號、校內(nèi)海報等統(tǒng)一發(fā)布“人工智能+”機器人工程微專業(yè)介紹和招生信息。微專業(yè)招生信息發(fā)布后，全校學生參加“人工智能+”機器人工程微專業(yè)的熱情高漲，受到工業(yè)機器人實訓設備數(shù)量和實訓時間的限制，第一批次“人工智能+”機器人工程微專業(yè)在山東交通學院校內(nèi)共錄取90人，其中包括84名本科生和6名碩士研究生。確定“人工智能+”機器人工程微專業(yè)錄取名單后，組織學生在智慧樹網(wǎng)站選課、組班并統(tǒng)一開通智慧樹學習賬號入班學習。

本批次“人工智能+”機器人工程微專業(yè)錄取的學生共來自我校的9個學院：信息科學與電氣工程學院、汽車工程學院、軌道交通學院、航空學院、理學院、工程機械學院、交通與物流工程學院、交通土建工程學院、經(jīng)濟與管理學院，錄取人數(shù)最多的學院是信息科學與電氣工程學院，共29人，本批次微專業(yè)錄取學生的學院及人數(shù)分布如圖1所示。

圖1 微專業(yè)錄取學生學院分布圖

“人工智能+”機器人工程微專業(yè)錄取前10名專業(yè)分別為：電氣工程及其自動化、車輛工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、自動化、機械電子工程、信息與計算科學、飛行器設計與工程、數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術、交通信號與控制、機械工程，微專業(yè)錄取人數(shù)最多的專業(yè)為電氣工程及其自動化專業(yè)，為15人，本批次微專業(yè)錄取學生人數(shù)前10名的專業(yè)和人數(shù)分布如圖2所示。

圖2 微專業(yè)錄取學生專業(yè)分布圖

“人工智能+”機器人工程微專業(yè)錄取學生主要包括山東交通學院長清校區(qū)的大學一年級、二年級、三年級學生和碩士研究生?？紤]到大四學生面臨畢業(yè)，學習時間不足等原因，本批次“人工智能+”機器人工程微專業(yè)未錄取大四學生。同時，考慮到“人工智能+”機器人工程微專業(yè)有線下工業(yè)機器人實踐技能操作學習，本批次也未錄取山東交通學院威海校區(qū)的學生。本批次微專業(yè)錄取最多的是大一學生共54名，大二學生24人，大三學生和碩士研究生各6人。

三、“人工智能+”機器人工程微專業(yè)的特色與優(yōu)勢

（一）“人工智能+”機器人教學內(nèi)容融合設計

基于人工智能和工業(yè)機器人行業(yè)所需崗位及崗位能力需求，融合創(chuàng)新設計微專業(yè)的教學體系與課程內(nèi)容[7]，使學生能夠系統(tǒng)掌握人工智能和工業(yè)機器人的理論知識、核心技術與實踐操作技能，靈活應用人工智能和工業(yè)機器人技術，提升學生動手操作與綜合應用能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，使學生成長為具有核心競爭力的復合型應用技能人才。

（二）線上線下混合式教學模式

利用智慧樹在線課程管理平臺，學生可靈活安排時間學習“人工智能+”機器人微專業(yè)的線上課程在線教學視頻，完成每一章節(jié)的在線彈屏互動問答與章節(jié)測試[8]68-71；線下參加老師組織的見面課，師生互動交流學習，匯報機器人課程設計作業(yè)，并參加線下小組討論；學生線下到機器人實驗室參加實踐操作技能練習，熟練掌握工業(yè)機器人的操作、編程與綜合應用。

（三）項目驅動式的教學方法

“人工智能+”機器人工程微專業(yè)實施項目驅動式的教學方法。微專業(yè)在實施過程中以教學項目為核心組織教材內(nèi)容，可在最大程度上提高微專業(yè)學生的實踐能力與解決問題能力[9]74-75。同時，項目驅動式教學方法能夠有效突出學生的主體地位，保障微專業(yè)學生學習自主性的提升，在實際的教學過程中更加重視師生之間的協(xié)作與對話，進而促進微專業(yè)教學任務的高質(zhì)量完成[10]172-175。

（四）思政元素融入微專業(yè)

通過引入人工智能與機器人工程專業(yè)密切相關的思政案例，將思政教育潤物細無聲地融入到“人工智能+”機器人工程微專業(yè)，不僅讓學生加深對人工智能、機器人專業(yè)知識的理解及綜合應用，而且能引導學生樹立正確的人生觀和價值觀，培養(yǎng)求真務實的工匠精神，激發(fā)學生報效祖國的家國情懷，培養(yǎng)具有愛國情懷、科學精神、職業(yè)素養(yǎng)和社會責任感的高素質(zhì)“人工智能+”機器人工程微專業(yè)人才。

四、“人工智能+”機器人工程微專業(yè)的未來規(guī)劃

（一）建設基于數(shù)字孿生技術的虛擬仿真平臺

在《工業(yè)機器人離線編程仿真技術》課程基礎上，未來規(guī)劃建立基于數(shù)字孿生技術的“人工智能+”機器人工程微專業(yè)虛擬仿真系統(tǒng)平臺，以企業(yè)亟需的技能需求為主導，以企業(yè)實際開發(fā)的人工智能與機器人項目案例為主線，優(yōu)化設計微專業(yè)的綜合實訓方案，進而高質(zhì)量提升微專業(yè)學生的實踐技能和從業(yè)技能。

（二）引入企業(yè)師資，建設雙師型教師隊伍

“人工智能+”機器人工程微專業(yè)現(xiàn)有專業(yè)教師10余人，只有少部分教師具有企業(yè)和研究所工作經(jīng)歷，雙師型師資比例偏低。未來規(guī)劃與人工智能和機器人龍頭企業(yè)合作，聯(lián)合制定微專業(yè)的培養(yǎng)方案和課程質(zhì)量標準，并聘任具有“人工智能+”機器人工程相關開發(fā)經(jīng)驗的工程師授課，建設一支業(yè)務素質(zhì)精良、實踐能力強的“雙師型”教師隊伍，提高微專業(yè)課程的實踐教學質(zhì)量。

五、結語

創(chuàng)新構建了“人工智能+”機器人工程微專業(yè)并設計了微專業(yè)的課程體系、教學方式和考核方式，并在校內(nèi)招生第一批微專業(yè)學生90人。學生學習微專業(yè)積極性高，線上線下混合式教學模式和項目驅動式的教學方法，學生反饋教學效果良好。學生能夠基本掌握人工智能與機器人領域的理論知識、核心技術和關鍵技能，滿足國家和社會對人工智能與機器人工程專業(yè)人才的需求。