新工科背景下机器人教学发展思路分析

于大泳

摘 要：新工科建设重视工程教育与产业发展紧密联系、相互支撑的理念，目的在于促进行业技术和人才培养的协调发展。机器人产业作为“中国制造2025”的重点发展产业，机器人教学理应跟上我国高等工程教育改革发展的步伐。以下内容分析了国内外机器人教学的发展现状，讨论了新工科背景下机器人教学中存在的关键问题，提出了转变教学理念的发展思路。

关键词：新工科;机器人;教学改革;机电一体化

中图分类号：TH114;G642.3

移动互联网、大数据、超级计算、传感网、脑科学等新理论和新技术正驱动着当前世界范围内新一轮科技革命和产业变革。在新一轮科技革命和产业变革的背景下，以人工智能为核心的工业革命浪潮正席卷全球。作为人工智能载体的机器人在未来将成为世界万物的智能终端，成为衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志，发展机器人产业上升为国家战略，这为机器人产业实现大发展、新突破提供了机遇[1，2]。近年来，理论创新、技术创新、组织创新和模式创新层出不穷，不同技术、不同产业之间互相渗透、融合发展，解决人机协作、人机共融问题，推动世界机器人产业格局发生深刻变革。在机器人产业大变革背景下，机器人教学应以机器人产业发展紧密结合、相互支撑为教学目标。要实现这一目标的关键是要构建新的机器人教学体系，培养适应机器人产业发展需求的复合型人才。

1 国外机器人教学的发展

机器人技术是综合了机械工程、电气工程、控制工程、计算机科学、仪器科学与技术、人工智能和仿生学等学科为一体的综合技术，是多学科科技革命的必然结果。任何一款机器人都是一个知识密集和技术密集的高科技型机电一体化产品。

在欧美等发达国家，大学机器人教学主要可以归纳为以下四种主要形式：（1）机器人技术课程;（2）综合实践类课程;（3）机器人主题夏令营;（4）辅助性教学课程。

美国麻省理工学院（MIT）作为世界著名的研究型大学，在机器人教学科研领域取得了丰硕成果。早在1994年，美国麻省理工学院就设置了《设计和建造LEGO机器人》课程，教学目标是提高学生的工程设计能力和创造能力，进行了机器人教学和科研实验的有机结合。美国麻省理工学院开设了《认知机器人》《机器人学导论》《自主机器人设计》《机器人编程》等相关课程，结合专业发展需求，分别在航空航天学、机械工程学和电气工程与计算机科学开设了机器人相关课程。

俄勒冈州立大学将机器人作为课程平台，逐步应用到大学课程的学习中。该校电子工程与计算机科学系，分别在《电子设计概念导论》《电子基础》《数字逻辑设计》《信号与系统》《计算机原理与汇编语言》《机械设计》等课程中使用机器人作为课程平台进行实验。这种融合教学方法能够将新学习的理论知识快速地应用于机器人中，有效加深对理论知识的理解。该学习平台具有以下五个特点：（1）加强相关课程之间的联系;（2）提供解决复杂问题的情景;（3）增加动手操作的经验;（4）增强工程实践的能力;（5）形成兴趣学习共同体。

美国的机器人教学发展主要表现在两个方面：（1）大多数大学都开设了机器人相关的课程;（2）机器人作为课程平台融入其他课程教学中。

虽然美国是机器人的发源地，并成功研制出世界上第一台工业机器人，其机器人技术全面、先进、适应性强，在国际上一直处于领先地位，但在工业机器人的生产、出口和使用方面居于世界榜首的却是日本，日本工业机器人的装备量约占世界工业机器人装备量的60%。这些成绩的取得，与日本大学的机器人教学科研水平密切相关，日本几乎每所大学都设置了高水平的机器人研究会，每年定期举办机器人设计和制作竞赛[3]。竞赛的优势主要表现：（1）普及了机器人文化;（2）增强了应用机器人技术的积极性;（3）培养了大批机器人研究和应用的创新人才。

2 国内机器人教学的发展

近年来，由于机器人产业的高速发展，机器人技术研究和应用方面的专业人才缺口相当大，为了培养适应机器人产业发展的高素质创新人才，各大高校相继设置了机器人相关课程，主要包括：清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、北京理工大学、东南大学、中南大学、哈尔滨理工大学、西安理工大学、上海理工大学等[4]。

浙江大学在国内率先为农业机械化及其自动化、农业电气化与自动化和生物系统工程专业的本科生开设了《生物生产机器人》课程，形成了一套以启发学生的研究性、自主性、探究性学习为特色，课内与课外、理论与实践、教学与科研相结合，突出学生创新能力培养的生物生产机器人课程教学体系。

創建于1986年的哈尔滨工业大学机器人研究所，是我国最早开展机器人技术研究的单位之一，并研制出我国第一台弧焊机器人和第一台点焊机器人。这些年来，哈尔滨工业大学在机器人技术人才培养方面的特色：（1）重视专业理论知识学习;（2）注重跨学科团队协作精神培养。

东南大学率先设置了机器人实践课程，选用迈捷教育机器人平台作为教学平台，在机器人技术实践方向形成了具有东南大学特色的培养模式，主要优势体现：（1）实现师生交互式学习;（2）培养工程概念设计思想。

哈尔滨理工大学为培养自动化专业多元化人才，开设了《机器人控制技术》课程，特殊之处在于：（1）实现了专业模块方向课程的整合;（2）实现了教学资源共享和辐射。

我国大学机器人教学发展中存在的主要问题包括：（1）机器人专业教材陈旧;（2）多学科融合教师偏少;（3）配套教学设备的缺乏。

3 机器人教学发展思路分析

尽管国内大学机器人教学科研取得了较大的进步，同时培养了一批机器人专业领域的工程技术人才。随着新一轮科技革命和产业变革的来临，以智能制造为根本特征的新型制造体系对机器人的需求呈现大幅增长的趋势，机器人技术教学将成为实现机器人产业高效、快速发展的驱动力。结合国内外大学机器人教学发展现状以及新一轮科技革命和产业变革的发展需求，提出以下几点关于机器人教学发展思路。

（1）针对机器人教材内容陈旧，将机器人产业和机器人技术的最新发展状况融合到机器人教学过程中去，构建满足机器人产业需求的教学体系，合理规划机器人教学内容;

（2）针对多学科融合教师缺乏，适当引进机器人专业师资，组建机器人教学团队，贯彻教学和科研紧密结合的原则，有效实现理论教学、实践教学和科学研究的有机结合;

（3）针对配套教学设备的缺乏，适量购置成熟的机器人配套产品，自主研究开发典型教学机器人，构建产学合作、产教融合、科教协同的育人新模式，共同建设实习基地。

通过上述机器人教学发展思路，将有助于学生在学校期间接触机器人学科的前沿理论知识和技术，有利于提高机器人专业人才的培养质量，同时促进了现代高新技术在机器人产业中的应用，为我国机器人产业的可持续发展提供了强有力的人才保障。

参考文献：

[1]“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究，2017，15（1）：1617.

[2]“新工科”建设行动路线[J].高等工程教育研究，2017，（2）：2425.

[3]李春华，崔世钢，郑桐，郝立果.发展机器人教育培养综合型创新人才的研究与实践[J].天津工程师范学院学报，2005，15（4）：6163.

[4]毕津滔，张婉鹂.高校机器人教学改革新思路之探索[J].信息通信，2013，（3）：266267.