新工科背景下机器人工程专业创新实践体系分析与思考

孙明晓 栾添添 尤波 徐军 李东洁

摘  要：机器人工程作为一个跨领域、广交叉、大协作的新兴专业，目前尚无适应新工科要求的系统性实践体系范式。为此，文章以新工科专业建设为背景，将机器人专业相关的交叉知识系统化和实践化，构建创新实践体系模式，培养理论与实践相结合的创新机器人专业人才。首先明确核心概念的界定和研究范围的限定，进而提出创新实践实验室建设的具体目标和创新突破之处，并给出研究方法、具体措施以及实施步骤。以理工大学自动化学院机器人工程专业为例，设计创新实践生态系统平台，构建符合新工科发展要求的连贯化、层次化、系统化的机器人专业协同育人创新实践新体系。实现不同学科的交叉创新，可推广至本区域乃至全国其他院校新工科人才培养。

关键词：新工科;机器人工程;创新实践体系;实验室建设

中图分类号：G640       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）18-0033-05

Abstract： Robotics engineering is an emerging specialty with cross-fields， wide crossover， and great collaboration. At present， there is no systematic practice system paradigm to meet the requirements of new engineering. Therefore， this paper takes the construction of a new engineering specialty as the background， systematizes and practices the cross knowledge related to robot specialty， constructs the mode of innovative practice system， and cultivates innovative robot professional talents with the combination of theory and practice. First， the definition of the core concepts and the limitation of the research scope are clarified. Then the specific goals and innovation breakthroughs of the innovation practice laboratory construction are proposed. And the research methods， specific measures， and implementation steps are given. Taking the robotics engineering major of Automation College of Harbin University of Science and Technology as an example， this paper designs the ecosystem platform for innovative practice， and constructs a coherent， hierarchical and systematic new system of robot collaborative education innovation practice that meets the development requirements of new engineering. Realization of the cross innovation of different disciplines can be extended to the training of new engineering talents in other colleges and universities in the region and even in the country.

Keywords： new engineering; robot engineering; innovation practice system; laboratory construction

近年来，美国、英国、德国、日本、俄罗斯等国家对机器人产业均制定国家发展计划，我国也出台了《中国制造2025》，机器人为十大战略的第二位，其重要性不言而喻。随着人工智能和机器人开始重构人类学习、生产生活和思维的方式，培育创新实践人才已经成为新时代课题。机器人工程，不但是工科新兴专业学科，而且会向新工科的其他学科和专业渗透，成为加快推动新工科建设的核心竞争力。但现在如何在课堂理论讲授和实验实操之外，将机器人专业相关的交叉知识系统化和实践化，培养新型机器人专业人才，是创新实践研究的理论基础和探索方向。

一、具体问题

2015年教育部正式将机器人工程设置为本科教育特设专业，归属于自动化大类，专业代码080803T。2020年为止共计301所本科高校开设了机器人工程本科专业（2015年1所，2016年25所，2017年60所，2018年101所，2019年61所，2020年53所）。但每个学校招生人数十分有限，短期内无法保證大量机器人行业对口专业毕业生。不能从根本上解决机器人行业人才需求的问题，人才结构性矛盾比较突出。

机器人工程作为一个广交叉、大协作的新兴专业，目前还是基于传统专业的实践培养方案，与专业配套的精品实践课也相对较少。同时，现有的机器人实践环节手段相对落后，不能满足人才培养需求;作为一个新专业，从原来单一方向拓展为若干个方向，需要补充相应的实验实践设备及场地来满足需求，原有实践条件无法满足;同时作为新专业适应国家新工科发展的需要，必须具备一定量的综合实践训练项目，目前开设该专业的高校普遍尚未达到这一要求。

因此，如何在新工科背景下对机器人工程专业进行创新实践设计，将机器人专业相关的交叉知识系统化和实践化，建设创新实践实验室，培养理论与实践相结合的机器人工程专业人才，是本研究的关键所在。

二、选题的意义

2012年，教育部和财政部联合制定并印发了《“高等学校创新能力提升计划”实施方案》（简称“2011计划”）。目前，各高校正在积极全面探索和不断实践中。培育创新实践型人才是国家创新机制建设的核心任务。

智能化机器人技术既是先进制造行业的主要组成部分，又是改变人类生活的重要方式之一，它的设计、研发和产业级应用是衡量一个国家科技创新以及高端制造发展水平的重要标志。融合数理、控制、电气、机械、计算机和其他学科于一体的机器人技术是新工科建设极具代表性的前沿交叉学科，更是新工科建设最为重要的突破口，必须通过科学合理的顶层设计，配合全面深刻的课程改革方案，再利用创新实践来不断完善和优化系统整体设计，从而让机器人工程有望成为高校建设新工科下的特色专业与形成创新人才培养的主战场。

三、研究价值

随着机器人技术在世界范围内迅速发展和广泛应用，美国提出“重返制造业”，大力全面发展人工智能和机器人技术;欧盟提出“新工业革命”，重点推进机器人、人工智能技术等新兴产业发展;德国提出“工业4.0”计划，其总体目标是借助机器人实现“绿色的”智能化生产;日韩也将机器人列为未来战略新兴技术，制定详细深入发展计划。而我国已经成为全球最大的机器人市场，十分迫切需要大量掌握机器人原理及应用技术，能从事机器人及其系统设计、制造、检测与维修、生产运行与管理等工作的复合型高级工程技术人才。

另外，作为智能制造的重点核心突破口，机器人的开发与应用对于构建区域工业经济发展战略新高地、提升高端装备制造业的技术水平和生产效率具有重要意义。迫切需要大批量高素质的机器人创新人才来促进区域相关行业的发展。

因此，探索在新工科背景下机器人工程专业创新实践体系的建设，进而研究创新实践人才的特色培养模式，成为极具理论与实用价值的新课题。本文以哈尔滨理工大学自动化学院机器人工程专业为出发点，分析并思考如何构建面向新工科的机器人工程专业创新实践体系，辐射本校其他院系，实现不同学科的交叉创新，进而可推广至黑龙江省乃至全国其他院校新工科创新实践人才的培养。

四、研究核心与范围

（一）核心概念的界定

（1）将机器人与人工智能相结合，自主研制机器人创新实践系统，激发创新引擎。

（2）积极探索产学研协同下具体需求任务驱动创新的机器人工程实践的育人新模式。

（3）培养学生如何学习、坚持不懈地终身学习，团结协作以及脚踏实地、实事求是的工匠精神和关注社会发展的家国情怀。

（二）研究范围的限定

对于新工科背景下机器人工程专业创新实践实验室建设这样一个全新课题，需要限定研究范围如下。

（1）建设定位：机器人创新实践体系能否成为沟通课堂与社会的桥梁？能否切实解决机器人工程专业培养体系中实际存在的创新实践不足等相关问题？

（2）培养模式：学生应该具备怎样的素质和能力才能去实现机器人创新实践实验室建设定位，进而符合机器人工程专业的建设要求？

（3）建設实现：如何建设科学的创新实践培养体系，使得学生能具备期待的素质和能力？用怎样的反馈信息或核心指标去评估、不断改进和优化创新实践中心建设？

显而易见，这是一个大惯性滞后的多变量非线性系统。要获得最优解需要进行大量的探索和实践，同时，建设过程中还不得不时刻考虑学生的学习现状、就业情况以及教师队伍力量。办学主体对建设平台的期望和相应资源、学校所处的产业环境等，这些都构成创新实践体系建设的边界条件，也是研究范围的限定。

（三）国内外研究现状述评

分析国内外知名机器人创新实践团队培养模式，特别是以美国硅谷科技区域内高校对机器人创新实践人才培养的分析，对本课题研究工作有很好的借鉴意义。以8所著名大学创新人才培养经验为例，可获得研究相关方向的研究水平及发展趋势。如麻省理工学院机器人腿足实验室、卡内基梅隆大学机器人研究所、斯坦福大学人工智能实验室、哥伦比亚大学机器人研究团队、南加州大学机器人研究实验室、加州大学伯克利分校机器人和智能机器实验室、约翰·霍普金斯大学机器人实验室、香港科技大学机器人创新实践空间。

相比于国内外知名机器人创新实践团队，我们的短板体现在机器人创新实践人才培养和创新实践平台，这些不仅是工程教育变革的关键更是创新机制建设的核心。研究面向新工科的机器人创新实践体系建设，就是要建设一个从机器人创新实践人才培养到机器人创新实践孵化平台建设，再到机器人新经济培育相辅相成的全方位、全立体、全生态系统。

五、研究内容

（一）研究目标

以哈尔滨理工大学自动化学院机器人工程专业为依托，拟提出一套适用于该专业创新实践人才培养和创新实践中心体系的整体方案。具体研究目标如下。

（1）实现机器人与人工智能创新实践体系建设。将机器人与人工智能相结合，进行模块化设计，自主研发创新实践系统，激发创新引擎动力。把国家使命、创新精神培养始终贯穿于体系建设的各个环节，并与不同层面、不同深度、不同领域的实践活动结合起来，激发学生创新意识，培养创新思维，掌握创新方法，提高解决实际科学和工程问题能力。

（2）探索产学研协同育人与创新实践人才培养新模式。形成重方法、高视野、重能力、厚基础、重问题、宽口径、重思维、新角度、重过程、重实践、广交叉的教育教学工作理念和思路，积极探索产学研协同下基于不同任务需求驱动的创新工程实践的育人新模式。

（3）培养脚踏实地的工匠精神和敢于探索的科学精神。在创新实践过程中，始终坚持立德树人。科学规划学生整体发展的各个环节，实现教育与教学无缝衔接，既授学问，又育品行，培育学生脚踏实地的工匠精神。提升学习力、创造力、表现力、组织力和执行力的五维人才核心竞争力，聚焦学生培育核心素养、激发学生敢于实践、勇于探究、崇尚真知的科学精神。

（二）主要内容

借助国家“校企联合，产学合作”的优秀助推政策，打造高效可靠的创新人才培养新模式和全生态链的创新实践中心，提出一整套适于推广应用的创新实践人才培养模式。为所在地区新经济发展所需创新人才的培养提供推动引擎，并给出建设新工科专业的思路和建议。具体研究内容如下。

1. 创新实践生态系统平台建设

自主研制五大创新实践生态系统。解魔方机器人创新系统、人机对弈智能控制创新系统、智慧低耗城市创新系统、多智体协同机器人控制创新系统以及共享自主跟随载物机器人创新系统。解魔方机器人是一个将计算机视觉、魔方复原算法、机器人控制、机械设计等多学科融合的机电一体化平台，可实现复原效率高，稳定性强的解魔方机器人。人机对弈系统融合人工智能、图像识别、运动控制、机器人控制等多学科知识的机电一体化平台。智慧低耗城市创新系统融合智慧城市沙盘模型、大屏幕显示组装大数据背景、智能硬件、物联网、大数据、智能控制等多学科的综合创新平台。多智体协同机器人控制创新系统由四旋翼飞行器、地面移动机器人、智能车和控制系统组成的创新平台。共享自主跟随载物机器人创新系统，基于机器视觉模块的机器人，具有主动跟随消费者行走的帮助消费者携带货物的功能。可以应用在超市、机场、停车场、火车站、汽车站、生产车间等大型人流密集地方，帮助人运载物品、减轻负荷、释放双手，提高劳动力和劳动效率。五大创新实践系统可对学生进行创新思维训练和专业培训，如图像识别、运动控制、物联网、人工智能、机器学习算法、深度学习算法、轨迹规划、机器视觉、大数据、虚拟现实、嵌入式系统、无线传感器网络、程序设计、机械设计、电气设计、智能硬件、SLAM、安卓系统编程、Python程序设计、C/C++编程、Matlab仿真等创新设计和专业培训。

2. 探索机器人工程创新实践人才系统化培养新模式

面向国家和区域的创新实践教育、新工科教育改革，根据“加强基础、拓宽专业、因材施教、重点培养”的指导思想，对一年级学生进行基础与通识教育，二年级学生进行兴趣和方向培养，三、四年级学生进行专业创新项目培养的模式，构建以理论课堂+慕课平台+实践中心+校企联合=创新实践新平台，采用研究型教学模式和灵活高效管理模式，着重培养高素质创新拔尖人才。

3. 探索校企合作与课赛结合的协同育人新模式

邀请机器人工程相关的知名创新实践教师和企业家进行培训专题专项讲座，打造机器人工程创新实践实验室，成立校内大学生“机器人协会”，组织学生积极参加各类大型国内国际科技创新项目和竞赛。形成“以兴趣塑起源、以问题定导向、以需求为指引、以能力促目标、以课程铺基础、以方法突重点、以实训来突破、以比赛做检验、以网络搭平台、以过程建档案”的“课赛结合的实际项目任务驱动”创新工程实践协同育人新模式，建设有利于促进创新实践在教学育人环节推进和培养的全链条。

（三）创新与突破之处

（1）以自主研制五大创新生态系统为核心，建设创新实践实验室和机器人协会组织结构，提升创新视野。

（2）学生创新实践培养连贯化、层次化、系统化，探索机器人工程创新实践人才培养新体系。

（3）提高学生理论联系实际、分析和动手解决实际问题的能力，以及脚踏实地的工匠精神和不懈探索的科学精神。

六、研究方法与措施

（一）研究方法

（1）调研分析新工科创新实践教育改革重点案例。详细调研分析世界知名大学在创新实践改革工作。总结其共通点，瞄准国家、市场和产业的切实需求来进行机器人创新人才培养。

（2）搭建机器人创新实践实验室和学生机器人协会。以五大机器人设计系统为基础搭建创新实践中心，并从中选出机器人专业相关的共性模块化开发板，降低成本，便于学生每人一套夯实基础。以本团队已有的机器人活动小组为基础成立校大学生“机器人与人工智能协会”，积极参加各类相关专业项目和竞赛。

（3）学生创新实践培养连贯化、层次化、系统化。本科四年不间断，创新实践系统化，建立学生创新实践成长档案。第一学年以创新实践课程为基础，进行企业、院所名师授课、领域专家讲座及基础实践训练;第二学年以导师项目及立项为方向，从事以项目为导向的专业基础培训;第三学年结合相关专业知識，进行立项结题、专利申报、论文发表及参加各类相关竞赛;第四学年在导师引领和指导下完成优秀毕业设计等。

（二）实施步骤

根据团队现有基础，结合建设内容及建设目标，拟采取如下实施步骤分三年完成。

（1）第一年度：完成创新实践实验室硬件建设;规划3～5个创新和创业相关项目;组建3～5个学生优秀创新团队和创新实践教师团队，指导学生团队开展创新设计，探索创新实践改革的新目标、新方法和新思路。

（2）第二年度：自主研制五大创新实践生态系统，组织学生参加国际和国内高水平专业竞赛，承办产教融合学术研讨会。邀请一批高校知名的创新创业教师和企业家进行培训专题专项讲座。

（3）第三年度：建设3～4个创新实践示范项目和学生创新实践示范团队。加强校企合作，争取社会融资方式孵化创新实践产品。总结整个过程，抽象出共性类经验规律，撰写研究报告。

（三）具体措施

1.提升创新性视野

开放创新实践中心，提供自主探究、知识应用、实践探索的全方位平台。创新思路：不断启发、引导并激发学生朝着不同方面积极寻找原始创新思路;创新认识：与企业指导相结合完善学生对创新的全面深刻认识;创新过程：学生以小组为单位共同完成创新项目，强化协作意识与培养团队精神;创新展示：学生组团参加各类国内国际竞赛，开阔视野与提升解决问题能力。

2.项目任务驱动创新

经过来自不同学科老师的指导，启发学生突破专业限制和传统思维限制去找到高价值原始创新思路;以课堂讲授、学生报告、师生探讨、实际动手实验来完成创新作品为原形，辅以企业考察以及相关课外教育，从而帮助学生能够认识与掌握科技创新为生产生活服务的研究方法和实现途径。

3.创新导师制管理

创新班由企业名师、业内专家组成导师团，对学生进行人生发展规划、创新实践能力培养和引导，为学生终身研究与全面发展奠定坚实基础。从二年级起为创新班学生配备指导老师，实施导师引导下的个性化培养。导师负责学生的学业、科研、实践等个性化的指导，帮助每名学生制定符合个性发展的专业培养计划。

七、结束语

通过对新工科内涵和外延的思考，剖析新兴机器人工程专业存在的主要问题，提出具体的研究目标、主要内容与实施方法和措施，开展机器人工程专业创新实践中心建设研究。

（1）系统提出机器人工程专业创新实践体系建设的整体方案和具体可行的研究报告。

（2）机器人创新实践实验室建设完成，自主研制五大创新实践生态系统。以哈尔滨理工大学机器人工程专业为主，辐射本校其他院系，实现不同学科的交叉创新，可推广至区域乃至全国其他院校新工科人才培养。

（3）构建设计出符合新工科发展要求的连贯化、层次化、系统化的机器人协同育人创新实践新模式。

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