“人工智能+”机器人工程微专业的构建与探索

赵 峰 张广渊

（山东交通学院 信息科学与电气工程学院（人工智能学院），山东 济南 250357）

人工智能作为新科技时代的核心驱动力，正在引发第四次工业科技革命。人工智能已成为世界科技创新创业热点和焦点，已在多个专业领域和行业场景中深入应用，带来了巨大的经济效益和社会效益，为人类生产生活带来了许多便利，也大大提高了现代人的生活品质。与此同时，机器人被誉为“制造业皇冠上的明珠”，机器人工程专业为国家紧缺热门复合型新工科专业且人才缺口巨大，随着人工智能与机器人技术快速融合发展，其在各个行业大规模普及应用，社会对于具有人工智能和机器人工程专业背景的复合型人才的需求将会更加迫切。为此，教育部印发了《高等学校人工智能创新行动计划》，要求各高校大力推进“新工科”建设，并高度重视人工智能与其他学科专业教育的交叉融合，形成“人工智能+X”的复合型专业培养新模式。

一、微专业的内涵及特点

为主动适应新技术、新业态、新产业的重大需求，微专业是由MOOC巨头Udacity最早提出的一种创新人才培养模式，是为构建新型跨学科专业组织模式，促进学科专业交叉融合和产学研用协同发展而实施的多样化办学模式探索。微专业将碎片化的在线课程进行体系化、专业化和职业化，以就业求职为导向，满足学生发展自我兴趣的需求，以适应新时代人才培养的发展需求[1]152-155。微专业一般是通过在线开放的慕课平台向学习者提供课程学习，所需学习课程是针对某一专业或特定职业的微小化、定制化课程，一般由5-10门左右的核心专业课程组成。这些专业课程涵盖了某一专业或岗位群的核心课程或核心技能，以线上和线下混合式教学培养方式，让学习者快速达到某个专业的毕业要求或某一领域的工作技能要求。

微专业具有以下特点：（1）线上线下的混合式教学模式，学生学习时间灵活；（2）通过核心专业课程的学习，可实现跨学科复合型人才培养；（3）课程体系设置以就业为导向，重视职业综合实践能力的培养。

二、“人工智能+”机器人工程微专业的构建与实施

为满足“人工智能+X”国家战略的重大需求，山东交通学院率先开设了“人工智能+”机器人工程微专业，旨在让学生通过微专业的课程学习，能够系统掌握人工智能和工业机器人的理论知识、核心技术与实践操作技能，熟悉工业机器人典型应用领域，掌握如何将人工智能和工业机器人技术与所学本科专业融合应用，进而提升学生动手操作与实践能力、创新创业能力和综合应用能力，助力学生成为具有核心竞争力的创新型、复合型、应用型技能人才[2]133-136。

（一） 微专业的培养目标与课程体系构建

“人工智能+”机器人工程微专业旨在培养具有良好职业道德和创新精神，掌握人工智能与工业机器人应用领域相应岗位所必备基本理论、专业知识和实践操作技能，能够从事工业机器人自动化生产线和智能制造工作站设计、现场编程、调试维护、系统集成等技术工作，具备终身学习意识与能力、具有团队协作意识、精益求精的工匠精神和高度责任感的创新型、复合型、应用型技能人才[3]119-125。

“人工智能+”机器人工程微专业共设置6门专业课程[4]35-37，共计11学分176学时。其中包括2门微专业的专业基础课：人工智能基础、计算机技术基础（C）；4门微专业的专业核心课：机器人概论、机器人三维建模技术、工业机器人应用基础、工业机器人离线编程仿真技术。“人工智能+”机器人工程微专业学习时间为一年，分三个学习阶段进行，每阶段4个月开设两门专业课程，微专业的课程设置如表1所示。

表1 “人工智能+”机器人工程微专业课程设置

1.人工智能基础

本课程旨在普及人工智能基础概念、工作原理及典型应用。通过本课程的学习，学生能够熟悉人工智能基本概念、发展历程和范式；熟悉机器学习的原理及主要方法：分类方法、回归方法和聚类方法；掌握神经网络的结构、工作原理与神经网络参数训练常用方法；熟悉深度学习的原理及应用，掌握人工智能典型应用：图像信息处理和自然语言处理。为后续深入学习人工智能及行业应用打下良好基础。

2.计算机技术基础（C）

本课程采用基于问题驱动的教学方式，引导学生理解程序在机器人中的作用及工作原理，掌握C语言基本语法知识、常用编程指令、编程方法与调试方法，熟练掌握利用编程解决实际问题的编程思维和设计方法，培养学生高级编程语言程序设计能力，锻炼学生计算逻辑思维，为后续的工业机器人离线编程奠定基础。

3.机器人概论

本课程旨在普及机器人相关知识及国内外最新、最先进的机器人科技。通过本课程的学习，学生能够全面了解机器人的发展历史、构成、工作原理及典型行业应用等，熟悉机器人典型机械结构、运动控制方法、感知与多传感器融合、智能导航定位、协同控制、人机交互等关键核心技术，了解机器人未来发展前景。为后续“人工智能+”机器人工程微专业相关课程的学习打下良好基础。

4.机器人三维建模技术

通过本课程的学习，让学生能够熟练掌握机器人三维建模软件的使用方法，熟练掌握常用工业机器人零部件的二维草图设计方法、零部件造型设计方法、零部件装配仿真方法、零部件工程图设计方法，熟悉工业产品三维逆向建模设计方法及应用技术，培养学生利用三维建模软件进行机器人三维设计能力和创新实践能力。

5.工业机器人应用基础

通过本课程的学习，让学生进一步了解工业机器人的发展现状、分类和典型应用场景，熟悉工业机器人的基础术语、功能技术参数和运动空间分析，掌握工业机器人系统的基本组成及功能、常用的三种类型的驱动系统、机器人内部和外部常用的传感器、智能控制系统，熟练掌握工业机器人在线编程与离线仿真编程方法、综合调试与应用方法，能够熟练利用示教器手动操作工业机器人和示教编程，为后续工业机器人离线编程仿真技术及综合设计应用打下坚实的基础。

6.工业机器人离线编程仿真技术

本课程旨在让学生熟练掌握工业机器人的离线编程及仿真方法。通过本课程的学习，让学生熟练掌握ABB工业机器人的离线编程软件RobotStudio和工业机器人的轨迹编程及仿真运行方法，熟悉ABB工业机器人的通讯方法和基础数据建立方法、应用RAPID语言编程建立常用工业机器人工作站并离线仿真，为学生后续在不同行业及场景下建立工业机器人工作站打下良好基础。

（二）微专业的教学方式与考核方式设计

“人工智能+”机器人工程微专业采用线上+线下混合教学方式[5]58-60，以线上自主灵活学习为主、线下见面课和线下实践课为辅。

1.线上自主灵活理论学习。通过智慧树在线课程管理平台或智慧树知到APP，学生自行灵活安排学习时间在线学习“人工智能+”机器人微专业的视频讲解及操作课程，并在线完成章节弹屏知识点问答、章节内容测试与在线期末考试。

2.线下见面课互动交流学习。按照“人工智能+”机器人工程微专业课程负责老师的约定时间参加线下见面课，完成老师布置的作业、调研报告、设计报告与实践报告，并参加老师组织的各种小组讨论与课程汇报。

3.线下实践操作技能学习。利用群机器人智动化系统教学实验平台、发那科视觉焊接机器人综合实训平台、ABB工业机器人综合实训平台、20套慧灵工业机器人综合实训平台进行工业机器人实践操作与综合应用，利用实验平台可实现机器人自动装配、机器人焊接、机器人3D打印、机器人视觉分拣、机器人激光雕刻等，提高学生的综合实践操作能力。

“人工智能+”机器人工程微专业课程考核均采用集中时间考核方式[6]88-91，考核内容在智慧树网站线上考试或工业机器人项目设计，未通过课程考核者允许补考一次。学生如有特殊情况未能在规定时间修完学分，可进行课程补修，最长学习时间不超过录用日期后24个月。“人工智能+”机器人工程微专业实行学分制，学生在其规定的修业年限内修满该微专业培养方案所规定的11个必修学分，成绩考核合格后，由学校颁发“人工智能+”机器人工程微专业合格证书。

（三）微专业的人才培养实施

“人工智能+”机器人工程微专业课程自成体系，学生入门门槛低，无需前置课程学习要求，在校全日制各年级本科生包括研究生均可报名，不限定学生的专业。该微专业2021年开始，在山东交通学院全校招生运行，通过学校网站、智慧树网站、山东交通学院微信公众号、信电U视角微信公众号、校内海报等统一发布“人工智能+”机器人工程微专业介绍和招生信息。微专业招生信息发布后，全校学生参加“人工智能+”机器人工程微专业的热情高涨，受到工业机器人实训设备数量和实训时间的限制，第一批次“人工智能+”机器人工程微专业在山东交通学院校内共录取90人，其中包括84名本科生和6名硕士研究生。确定“人工智能+”机器人工程微专业录取名单后，组织学生在智慧树网站选课、组班并统一开通智慧树学习账号入班学习。

本批次“人工智能+”机器人工程微专业录取的学生共来自我校的9个学院：信息科学与电气工程学院、汽车工程学院、轨道交通学院、航空学院、理学院、工程机械学院、交通与物流工程学院、交通土建工程学院、经济与管理学院，录取人数最多的学院是信息科学与电气工程学院，共29人，本批次微专业录取学生的学院及人数分布如图1所示。

图1 微专业录取学生学院分布图

“人工智能+”机器人工程微专业录取前10名专业分别为：电气工程及其自动化、车辆工程、物联网工程、自动化、机械电子工程、信息与计算科学、飞行器设计与工程、数据科学与大数据技术、交通信号与控制、机械工程，微专业录取人数最多的专业为电气工程及其自动化专业，为15人，本批次微专业录取学生人数前10名的专业和人数分布如图2所示。

图2 微专业录取学生专业分布图

“人工智能+”机器人工程微专业录取学生主要包括山东交通学院长清校区的大学一年级、二年级、三年级学生和硕士研究生。考虑到大四学生面临毕业，学习时间不足等原因，本批次“人工智能+”机器人工程微专业未录取大四学生。同时，考虑到“人工智能+”机器人工程微专业有线下工业机器人实践技能操作学习，本批次也未录取山东交通学院威海校区的学生。本批次微专业录取最多的是大一学生共54名，大二学生24人，大三学生和硕士研究生各6人。

三、“人工智能+”机器人工程微专业的特色与优势

（一）“人工智能+”机器人教学内容融合设计

基于人工智能和工业机器人行业所需岗位及岗位能力需求，融合创新设计微专业的教学体系与课程内容[7]，使学生能够系统掌握人工智能和工业机器人的理论知识、核心技术与实践操作技能，灵活应用人工智能和工业机器人技术，提升学生动手操作与综合应用能力、创新创业能力，使学生成长为具有核心竞争力的复合型应用技能人才。

（二）线上线下混合式教学模式

利用智慧树在线课程管理平台，学生可灵活安排时间学习“人工智能+”机器人微专业的线上课程在线教学视频，完成每一章节的在线弹屏互动问答与章节测试[8]68-71；线下参加老师组织的见面课，师生互动交流学习，汇报机器人课程设计作业，并参加线下小组讨论；学生线下到机器人实验室参加实践操作技能练习，熟练掌握工业机器人的操作、编程与综合应用。

（三）项目驱动式的教学方法

“人工智能+”机器人工程微专业实施项目驱动式的教学方法。微专业在实施过程中以教学项目为核心组织教材内容，可在最大程度上提高微专业学生的实践能力与解决问题能力[9]74-75。同时，项目驱动式教学方法能够有效突出学生的主体地位，保障微专业学生学习自主性的提升，在实际的教学过程中更加重视师生之间的协作与对话，进而促进微专业教学任务的高质量完成[10]172-175。

（四）思政元素融入微专业

通过引入人工智能与机器人工程专业密切相关的思政案例，将思政教育润物细无声地融入到“人工智能+”机器人工程微专业，不仅让学生加深对人工智能、机器人专业知识的理解及综合应用，而且能引导学生树立正确的人生观和价值观，培养求真务实的工匠精神，激发学生报效祖国的家国情怀，培养具有爱国情怀、科学精神、职业素养和社会责任感的高素质“人工智能+”机器人工程微专业人才。

四、“人工智能+”机器人工程微专业的未来规划

（一）建设基于数字孪生技术的虚拟仿真平台

在《工业机器人离线编程仿真技术》课程基础上，未来规划建立基于数字孪生技术的“人工智能+”机器人工程微专业虚拟仿真系统平台，以企业亟需的技能需求为主导，以企业实际开发的人工智能与机器人项目案例为主线，优化设计微专业的综合实训方案，进而高质量提升微专业学生的实践技能和从业技能。

（二）引入企业师资，建设双师型教师队伍

“人工智能+”机器人工程微专业现有专业教师10余人，只有少部分教师具有企业和研究所工作经历，双师型师资比例偏低。未来规划与人工智能和机器人龙头企业合作，联合制定微专业的培养方案和课程质量标准，并聘任具有“人工智能+”机器人工程相关开发经验的工程师授课，建设一支业务素质精良、实践能力强的“双师型”教师队伍，提高微专业课程的实践教学质量。

五、结语

创新构建了“人工智能+”机器人工程微专业并设计了微专业的课程体系、教学方式和考核方式，并在校内招生第一批微专业学生90人。学生学习微专业积极性高，线上线下混合式教学模式和项目驱动式的教学方法，学生反馈教学效果良好。学生能够基本掌握人工智能与机器人领域的理论知识、核心技术和关键技能，满足国家和社会对人工智能与机器人工程专业人才的需求。