应用型本科机器人专业课程体系建设的探索

刘 坤 刘 娣 毕云蕊

南京工程学院 江苏南京 211167

机器人产业作为高端智能制造的代表，在新一轮工业革命中将成为制造模式变革的核心和推进制造产业升级的发动机。近年来，我国已经成为工业机器人增长最快的国家之一。我国政府十分重视机器人技术的研究与开发，尤其是自“863计划”启动以来，一直将机器人作为重点支持的主题方向。伴随而来的是工业机器人专业应用工程师的缺乏问题。机器人在工业领域的应用正呈爆炸性增长趋势，而能够在机器人技术相关领域从事系统设计与开发、技术集成、系统安装、维护和技术管理等工作的高层次专业技术人才却捉襟见肘[1]。因此，面向智能制造如何建立一套新的机器人专业教育理念、学科体系和培养模式已成为机器人产业继续发展的关键问题。

1 机器人专业人才需求及教育现状

1.1 机器人专业人才需求

工业机器人应用(系统集成)是典型的多学科交叉融合的行业，其特征是“三高一低”，即高技术门槛、高人才门槛、高资金门槛，低产出。这就决定了其应用很难从一个行业直接推广到另一个行业。目前，客户对使用机器人的要求无外乎是熟练掌握某个或几个品牌工业机器人的操作应用技术，能综合应用专业知识分析和解决工业机器人行业中的实际问题，并能结合制造工艺流程具有一定的二次开发能力，同时具备一定的项目管理经验，最好是软硬件结合。这样的要求能最大程度降低“试错”成本，提高设备的周转率和加快项目实施速度。但这样一个机器人高端集成应用的技术人才从目前来讲属于凤毛麟角，随着工业机器人产业的蓬勃发展，掌握机器人专业技术知识的人才将越来越紧缺。对于应用型本科高校来说，目前的首要任务，是培养大量熟悉机器人专业技术知识，同时能结合不同行业的工艺要求实现二次开发的应用型工程人才，加快机器人市场的开拓。

1.2 国外教育现状

在美国，为了适应市场的需求，许多大学都开设了机器人专业课程，包括麻省理工学院、卡内基梅隆大学、加州大学伯克利分校和斯坦福大学等。这些大学主要以研究开发新型智能机器人为主，研究出来了如自动驾驶车、复制动物行为的机器人、单轮陀螺式探测机器人、月球探测机器人等一系列高端机器人。另外，这些大学在本科教育方面也一直推动机器人专业教育，开设了相应的机器人专业的网上公开课，让更多喜欢机器人专业的学生学习机器人的相关知识。旨在让更多学生了解机器人技术，其中包括机器人交互、感知和人工智能等方面。

1.3 国内教育现状

国内除了一些研究型大学开设机器人研究外，主要有部分高职院校有工业机器人应用方面的对口专业。本专业研究型本科院校着重培养的是理论知识扎实、专业技能强的高素质的具有可持续发展潜力的研究型人才。该类院校在为更高层次的研究生教育提供生源的基础上，更多注重的是与机器人专业相关的博硕士研究生的培养。对一些机器人应用行业来说，岗位针对性不高。另外，高职类院校虽然行业针对性强，但主要培养的仅仅是面向生产第一线的技能型工业人才，他们理论知识相对匮乏，自学能力欠缺，结合工艺要求的开发和实际应用能力相对较弱，可持续发展性又比较薄弱[2]。开设年限也仅为1年和2年，所以亟须培养工业机器人技术专业的高端技能型人才，以满足相关企业对工业机器人技术专门人才的需求。南京工程学院作为应用型本科院校，于2013年在自动化专业下，首批开办了机器人专业方向。其人才培养既区别于研究型专业人才培养模式的研究型专业院校，又区别于培养操作技能型人才模式的高职类院校，其培养目标是培养具有一定的理论基础知识、具有较高的综合素质、具有较强的实践能力和适应性、可进行机器人技术的集成应用与创新、具备解决实际工程问题能力的现场工程师和管理人员[3]。

2 应用型本科机器人专业课程体系的探索

2.1 课程体系建设思路

《中国制造2025》的颁布与实施给现代工业机器人应用型人才培养模式的制订带来新的挑战。我们的高等教育要培养出高素质的创新型人才才能适应第三次工业革命的需求。因此机器人专业的课程教学体系建设应以人才市场需求为导向，依据人才培养目标的要求制订[4]。即首先对行业需求进行调研，分析本专业毕业生面向的就业岗位以及对其能力的要求，在此基础上建立适合的理论与实践课程教学体系，最后再反馈到企业，进行学校与企业的共同论证。

调查用人单位今后对各学历层次人才可能的需求情况、用人单位目前最亟须的人才类型、现阶段专业本科生最需加强的基础和专业基础知识、现在及未来专业本科生最需加强的专业知识、现阶段专业本科毕业生最需加强的能力等内容。在广泛深入调查的基础上获得了大量来自生产第一线的宝贵建议，并在理论课程体系的制订中加以落实。理论教学体系的制定应围绕公共基础课、专业基础课、专业课三大部分展开。

2.2 理论课程体系建设的内容

基于专业特点及行业背景，要求机器人专业学生需要能够从系统工程的角度理解所学知识。在建立理论课程体系过程中，为了开阔学生视野，需要强调电子工程、计算机科学、机械制造以及自动化等几个相关学科间的横向联系[5]。因此，本专业学生应具有较扎实的工科基础知识、控制工程学科基础知识和工业自动化专业技术知识，掌握工业机器人结构与控制技术、工业机器人系统集成技术、检测与机器人传感器技术、机器人编程等专业知识；具有综合应用专业知识分析和解决工业机器人及相关系统实际问题的能力；能胜任工业自动化，特别是工业机器人相关领域的集成应用、技术开发、编程调试、操作、维护及管理等岗位工作[6]。

基于应用型本科机器人的培养目标，在保证工科数学基础知识、大学物理与计算机基础以及力学与机械基础知识的基础上，通过六方面探讨机器人专业的理论课程体系。机器人本体部分主要包含关键部件和机构学，对应课程为机器人机械基础及机构学。电器控制系统部分主要包括传感技术、通信技术和控制技术，对应理论课程为检测与机器人传感器技术、现场总线技术和工业机器人控制技术。理论与技术部分主要包括理论基础和技术应用，支撑课程包括数字电子技术、模拟电子技术、电路原理、自动控制理论以及电机驱动与运动控制等。示教与编程部分主要包括编程应用与示教实训，对应工业机器人编程与应用课程。系统集成部分主要包括机器人嵌入自动化应用领域拓展部分，以工业机器人系统集成综合实习为支撑。综合水平提升部分主要包括并联机器人和智能机器人。

2.3 实践课程体系建设的内容

实践环节包括独立设课实验、课程设计、实习教学、项目训练、毕业设计、创新创业知识与能力提升各环节，实践教学体系按照课程模块设计，体系中除课程实验、课程设计外，注重了综合性工程实践环节设计，体现从基础实践层次、综合实践层次、工程认知层次到创新实践层次逐层深入的实践教育特色。

具体实践环节主要包括电子线路CAD实习、EDA实习、机器人组装与调试实习、工业机器人编程与操作实习、MATLAB与机器人仿真项目训练、工业机器人系统集成综合项目训练、嵌入式系统应用实践、机器人电气安装调试、微处理器应用课程实习、电机驱动与运动控制项目训练、电气控制与PLC项目训练、控制理论应用项目训练、工业机器人控制技术课程设计、现场总线技术课程设计、毕业设计等。

3 结语

本文针对工业机器人行业的迅猛发展以及高层次人才的迫切需求问题，分析了国内外研究型高校、高职类院校的专业教育现状，提出了应用型本科教育中机器人专业方向发展的必要性，探索如何建立一套新的机器人专业教育理念、学科体系和培养模式，为机器人产业继续发展提供了理论支持和教育支撑。