服务机器人技术“工匠工坊”式人才培养模式改革与实践研究

胡迎九

(武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

一、引言

服务机器人广泛应用于各类生产与服务行业，是社会生产及服务行业发展的前沿热门技术，涉及人工智能、传感器、电子、计算机控制、通信与信息处理等技术领域，具有较强的学科交叉和技术渗透特点。目前，具备高超技能、良好理论和技术知识素养、具有工匠精神的一专多能的服务机器人高技能人才缺口较大。适应行业特色，开展“工匠工坊”模式的产教融合教学改革，能有效提升人才培养的质量和工匠精神，助力产业发展。

二、“工匠工坊”式人才培养模式的内涵

传统意义上的工匠就是有技艺专长的技术人才，现代是指专业技术能手或技术大师。其显著的特征是具备敬业、精益、专注、创新等 “工匠精神”，即追求卓越的创造精神、精益求精的专注精神、用户至上的服务精神。工坊本意是指小巧精致具有创造性的生产场所，简称工作坊。在新一代数字信息技术背景下，本篇所论及的工坊概念主要是指在小规模人才配置及较小生产规模情况下，能够完成具有市场应用价值或符合企业需求的软件、硬件及其他工程项目的设计、开发和生产的场所。

“工匠工坊”式人才培养模式的内涵涉及如下几个方面。其一，工坊既是生产研发场所，又是教学实训场所；工匠既指授课教师，工坊专兼职授课教师应该是某个专业的教学名师或技术能手，具有较强的开发、设计、生产实践能力和教育教学能力；又指被培养对象，即以培养具有工匠精神的技术人才为目标，为适应新兴产业发展需要培养“大国工匠”。其二，为达到工匠技能和工匠精神的培养目标，需要充分运用现代学徒制教育理念，由具有精湛技艺的教学创新团队，对具有较强基本技能的优秀学生开展特色创新教育。现代学徒制核心思想就是校企协同育人、招生招工一体、学生学徒双重身份。意味着工坊教育必须就业目标明确、技能需求具体、培养过程精心严谨，并不适宜大规模班级教学，更适合德国教育家洪堡所提倡的 Seminar(小班研讨)[1]。“工匠工坊”式人才培养重点不仅仅在于教学，而是强调“训、研、创”一体化培养。特别针对信息技术，“训”是指高强度的高技能训练，学员必须在一定时间内掌握基于真实企业项目的软件或硬件系统开发技巧(项目驱动)，达到熟练应用的程度；“研”是要求学员在技术熟练的情况下，在工坊教师的指导下，具备独自完成新项目研发设计的技能；“创”指培养学生新技术研究创新的能力。实现这样的培养目标，借助“工匠工坊”完善的软硬件设备和优质师资团队，采用引导式、研讨式小班教学模式，效果会相对较好。其三，“工匠工坊”式人才培养模式的核心是校企联合组建技能大师工作室，以大师工作室成员组建教学创新团队。大师工作室带领学员对外承接企业研究项目，或将企业行业应用项目改造成教学实训项目，并联合企业开展技术改造或科研攻关。从这个意义上说，工作室是工坊的一种简略形式，但工作室更强调工程项目的完成，工坊更强调技术技能的提升及科研创新能力的培养。

三、服务机器人“工匠工坊”的资源条件建设

(一)建设任务及目标

“工匠工坊”建设的主要目标就是要形成具有工匠精神的高技能人才培养氛围和场景。开展适应新技术发展需要的职业教育教学模式改革，必须有创造性的教学环境、满足个性化发展的独特的教学团队和教学实施方案、学生能接受扎实而全面的技术培训和精神培养的教学过程。工坊建设必须从教师团队、教学软硬件设施、优秀学生选拔方面着手，以利于实现教学过程中基于技术训练的经验积累而内化成学员由实操技术、判断力、识别力、思考力、随机应变和创新性地处理问题的综合能力。工坊建设应为达成这个目标奠定物理基础，形成教育理念和实施方案。

(二)教学创新团队建设

以“大师工作室”取代专业教研室，组建教学创新团队，能更好地实现“工匠工坊”式人才培养。武汉交通职业学院软件大师工作室以信息技术行业企业知名专家为主要负责人，聘请多名企业技术能手和学校知名教师，组建大师工作室教师团队，实施服务机器人技术“工匠工坊”式人才培养。团队成员分成三个教学组，分别负责基础技术应用型实训项目开发及教学，行业企业工程项目承接、实施及转化成工程应用型教学项目和教学资源包建设，创新型项目研究、开发及教学实施。“工匠工坊”式人才培养教学创新团队成员构成、分工及任务参见图1。

图1 “工匠工坊”式人才培养教学创新团队成员构成、分工及任务框架图

(三)工坊软、硬件建设

工坊的首要特色是生产性，应该能够满足工程项目的实施，具备实际生产的特征，工坊相关软、硬件设备既符合当前行业企业开发、设计、生产实际，又满足“训、习、赛、研、创”一体化教学需要，应由校企联合筹建及实施，由大师工作室相关教学团队负责运行管理。“服务(移动)机器人”应用开发工坊，主要培养学生进行服务机器人适应相关行业应用场景下的电子硬件系统、环境感知系统、机械系统、控制系统的硬件设计、用户界面程序设计、人工智能算法设计以及使用环境下路径规划、数据获取及传输，控制程序设计、调试维护等方面的技能。工坊建设时，联合服务机器人生产、应用企业，按应用场景规划工坊建设方案，购置相应机器人和相关配件以及开发平台，完全模拟出一个服务机器人的工作场景和应用开发、维护场景，并依据相应的技术技能需求，开发出符合工程操作标准和流程的教学资源包[2]。该工坊以智能物流仓储管理和酒店服务为背景，建设相应的软、硬件设施及教学资源，其具体建设内容见表1。

表1 “服务机器人”工坊设计案例

(四)工坊学生的选拔

“工匠工坊”式人才培养目标具有明确的指向，即具有工匠精神和较强技艺的技术能手。“工匠工坊”式人才培养的学生人数应该控制在一定范围内，便于指导教师(师傅)有针对性地传授复杂技术、培养细致的工作习惯、训练追求极致的钻研精神。选拔进入工坊学习的学生是一项重要的工作环节，我校“服务机器人”工坊的具体选拔流程是，面向计算机及电子信息类专业群，在学生完成一年半到二年的专业课程学习后，在专业排名前30%的学生或国家级、省级技能大赛获奖的学生中，通过基础知识、技能水平和心理素质测试，优选30名左右学生进入“服务机器人”工坊学习。测试不仅仅是知识的考核，而是学生综合素质、自信心、耐力的全面评价。服务机器人主要包含三大核心技术模块：人机交互及识别模块、环境感知及数据处理模块、运动控制模块。因此，我们选拔不同专业背景的学生(计算机类、电子信息类、机电类)，进入工坊后开展不同侧重点的技术技能方向培养，当然也便于分工合作，促进学习效果。职业素质测试和不同专业类别的职业技能测试考核指标表，分别见表2、表3、表4和表5。

表2 “服务机器人”工坊学生选拔职业素质测试考核指标表

表3 计算机类专业学生选拔专业技能测试考核指标表

表4 电子信息类专业学生选拔专业技能测试考核指标表

表5 机电类专业学生选拔专业技能测试考核指标表

四、服务机器人“工匠工坊”式人才培养的实施

(一)对接产业岗位技能需求，培养目标精细化

人工智能技术、数字技术广泛应用到智能制造、现代服务、现代交通等行业，使得各学科知识和技术相互渗透和交叉融合，要求我们培养学生既要有较为宽广的知识面，又要有灵活运用相关技术和知识的能力，既要有较深的专业平台背景知识，更要有适应开发、生产、应用等岗位需要的技能专长。“服务机器人”应用型岗位技术人才必须具有电子系统硬件、传感器及信号处理、计算机编程、自动控制与人工智能和计算机仿真等方面的技术知识，但在高职学习阶段，难以将所有知识全面铺开传授，应有所侧重。“工匠工坊”式培养的总体思路在于，根据具体的应用场景和岗位技能需求，将专业群背景平台知识与岗位技能专项培养分段教学。对于专业基本知识，由信息技术大类专业群按常规工学结合人才培养模式，理实一体化开展教学。通过一年半左右的学习后，解决了信息技术类学生学什么、怎么学的问题。选拔进入“服务机器人”工坊班学习的学生，将解决做什么、怎么做、如何做好的问题。需要对学生进行专业技能测试，根据学生特长和兴趣，确定学生具体的技术培养方向，明确具体细致的培养目标，详见图2。

图2 服务机器人“工匠工坊”式人才培养岗位方向及技能目标

(二)对接生产设计及应用标准，培养方案个性化

新兴产业生产、应用及服务过程，往往伴随多知识背景和多种技术的交叉应用，必然导致职业教育要注重大平台的专业背景知识与复杂的具体设计、开发、应用技术相互融合。信息领域具体的生产过程、操作过程、应用开发设计除了需要内化的逻辑知识，如硬件的工作逻辑、人工智能的算法、网络通信及传输、数据获取及分析处理等，更需要有对具体工作业务处理操作规范、标准的全面掌握，在此基础上个性化地培养学生熟练应用、设计、开发及创造性地解决实际工程问题的能力。这里所说的个性化培养，不是指依据学员个人特性进行分别培养，而是依据工作的特殊要求及技术的深度和难度，结合学员的知识现状和兴趣爱好，有针对性地开展目标明确的深度的技术技能培养。“服务机器人”工坊开展机器人基础硬件和控制系统集成、环境感知模块设计、动力运动控制系统设计、适应工作场景的操作系统应用及智能性软件开发、路径规划、机器人群组服务、云服务及大数据应用等专项技能培养，让学员深入掌握某一方面专业知识和技术能力，以点带面达到融会贯通，全面适应服务机器人工程工作的需要。在信息技术领域，机器人应用到的图像识别、语音识别、ROS操作系统、大数据云服务等，已经有比较成熟的算法和应用标准，“工匠工坊”式培养，就是要充分对接(应用)这些成熟的技术或标准，培养学生在深入熟练应用的基础上，不断强化技术，开拓创新能力，成为行家里手。

表6 个性化培养关系表

(三)对接企业工程项目，教学过程实战化

为教学训练而设计的教学项目与为解决具体工程应用而开发的项目虽然都能培养学生知识和技能，但后者要求学生更全面考虑设计完成的系统或生产出来的产品功能性、实用性、耐用性、安全性、可靠性、环境适应性的要求，对培养学生精益求精的品格和锻炼解决复杂问题的工匠精神有较显著的促进作用。因此，承接企业的开发、设计或生产项目，由工坊指导老师指导学生完成并按企业标准进行生产、开发、交付过程管理和质量考核。这种实战化的教学对老师有极高的技术要求，因此教学的实施由大师工作室成员参与，取代通常的专业教研室教师组织形式，解决学生教学和工作过程的技术问题，不限于固定的教学时间，而是在生产和工作过程中，既能提升学生的技术水平和解决实际问题的能力，同时也能培养学生的工作经验和独创性解决问题的能力。老师们在指导学生进行产品设计、开发、生产过程中与学生深入讨论，布置任务时尽可能考虑时间要求及个人发展阶段，以实现学生技术技能以及工程实践循序渐进地发展。当然，在指导学生的同时，教师也从学生开发(生产)的产品中获得良好的反馈，演化和推进教学过程，实现师生、生生相互影响，相互促进。

五、服务机器人“工匠工坊”式人才培养课程体系设计

人才培养最终要依托课程。技术技能人才的职业能力不能通过应用系统的学科知识来形成，只有通过直接针对基于实际工作的职业能力设计的课程体系才能进行培养[3]。“工匠工坊”式人才培养借鉴现代学徒制等人才培养的有益经验，将适应大规模用人需求的学校与生产企业联合开展的现代学徒制人才培养模式提炼优化成适应小规模技术应用如开发、设计、软硬件平台系统研究、部署维护为主体的“工匠工坊”式人才培养模式。因此，“工匠工坊”式人才培养并不需要彻底从头独立形成一套体系，人才培养过程需进行序化，即公共基础课程、专业群平台课程按常规工学结合方式开展教学，职业岗位关键技能课程、技能等级证书课程、专业拓展课程开展工坊式培养。根据信息技术专业群人才培养整体需求结合服务机器人特色技能需要，构建工坊式人才培养的课程体系分两个层面：整体课程体系和技能培养的实训项目课程体系。

(一)整体课程体系

为了实现高职人才的全面可持续发展和工匠技艺的重点突出，需根据专业群“大平台，小方向”和“工匠工坊”式培养的“精技艺、重创新”思路构建整体课程体系，同时根据《国家职业教育改革实施方案》文件精神，开设“1+X”证书课程。武汉交通职业学院“服务机器人”工坊学员，来自电子信息专业群，涉及计算机技术、通信技术、电子信息技术、机电一体化等专业。各专业学生前一年半左右的时间学习公共基础平台课和选修专业群基础平台课程[4]，进入工坊后，按培养方向接受岗位技能模块课程、“1+X”证书课程及拓展课程培养，因此可构建“两阶段两平台三模块”的课程体系，见图3。

图3 服务机器人“工匠工坊”式人才培养“两阶段两平台三模块”的课程体系

(二)工程实训项目体系

“工匠工坊”式培养的核心目标是为行业企业培育高级技术人才和能工巧匠，企业级的应用项目是实战性训练学员技术的关键一环。因此，应根据岗位技能的特色性，校企联合构建工程项目实训教学体系，该体系从属于整体课程体系，包括基础工程实训项目和综合性实际工程项目。“服务机器人”工坊根据工作场景和职业岗位技能需求，分不同方向设置工程实训项目体系如图4。

图4 服务机器人“工匠工坊”式人才培养基于工作场景校企合作开设实训项目体系

六、教学实施及考核评价

“工匠工坊”式人才培养严格落实工作任务驱动式教学，以项目为载体，以任务为目标，基础训练项目、企业实际项目有机结合。由大师工作室成员构成的教学创新团队中，企业教师和学校教师各有教学侧重点。学校教师负责制定每个工程项目教学的培养目标、实施计划、学生任务分工并开展涉及理论原理、标准化程序化内容的教学，帮助学生解决“为什么要这样做”的问题；企业名师负责项目技术实施、方案优化、质量控制及技术创新方面的指导，帮助学生解决项目实施的技巧，积累工程经验，提升大型项目实施的工程能力，解决“如何做好”的问题。校、企教师要能较好的分工合作，需要进行相应的培训。企业工程师必须较好掌握教学规律、技巧及学生心理调节方面的知识，学校教师要深入掌握标准化、理论化知识运用到工程实践中的技巧，双方在教学中应该形成默契。教师团队必须做好基础实训项目、实际工程项目以及课程教学资源的开放，形成规范的、统一的教学资源，不因教师团队人员的变动影响教学过程的实施和教学效果。以进入工坊的学生培养为研究对象，“工匠工坊”式教学的实施可以如图5描述。

图5 “工匠工坊”式教学的实施过程示意图

工坊学生必须按培养方向完成课程体系规定相应的全部基础项目和2～3个企业综合性实际项目学习，涉及的专业知识和理论知识在项目实践过程中穿插讲授，根据学生项目完成的效果进行等级考核，完成课程体系规定的学分准予毕业。学生的学习过程可以根据前期学习和选拔的基本专业类别，分成不同的小组，如定位与地图创建小组、避障与路径规划小组、图像处理与目标识别小组、机械臂运动规划与物品抓取小组等，每个小组定期召开组会，互相探讨交流技术问题[5]。通过这样讨论式的教学模式，可以让学生快速吸取经验，多维度学习技术，能大幅提升学习效率。对于“1+X”证书课程，理论考核部分知识内容融合到实践操作中完成教学；对于参加省级、国家级及世界技能大赛选手，采用学分替换的方式，利用参赛训练项目替换部分教学项目，完成学业学分，保证整体教学进度和质量。

七、结语

武汉交通职业学院服务机器人“工匠工坊”式人才培养创新实验班首批学生已顺利毕业。由于在“工坊”培养过程中，学校和企业深度融合，大师工作室教师吸纳了学校和企业优秀技术能手，根据行业企业的用人要求和技术现状，设置课程体系和实训项目，人才培养过程与企业生产服务过程全面对接，培养质量大幅提升。学生在校期间参加了省级、行业及国家级服务机器人大赛，成绩斐然，毕业学生受到服务机器人生产和应用企业高度评价。