机器人工程专业课程体系构建探析

刘新玉，彭缓缓，平燕娜，王东云

（黄淮学院智能制造学院 河南 驻马店 463000）

机器人工程专业人才培养质量与机器人研发、制造、应用水平息息相关，更是衡量一个国家科技创新和高端制造能力的重要标志[1]。而作为人才培养的重要抓手之一，机器人工程专业建设对于人才培养质量至关重要。课程体系构建作为专业建设的核心内容，直接影响着人才培养的质量，对于支撑机器人产业发展具有重要意义。

机器人工程是典型的新生工科专业，尽管在专业类别上被划分为自动化类，但是却具有集机械、电气、电子、控制、计算机、数理、设计等于一体的前沿交叉学科特征[2]。因此如何构建机器人工程专业课程体系，不同层次级别的院校都有着不同的思路，提出了不同的人才培养构想。以东南大学、北京大学、哈尔滨工业大学等为代表的“双一流”院校更多是对原有优势学科的进一步倾斜或加强，体现了“新的工程学科”定位，表现出课程体系建设的多元化取向[3]；以北京信息科技大学、安徽工程大学、黄淮学院等为代表的地方普通本科高校核心课程体系差别不大，都是以自动化类的专业基础课和专业课为核心，辅以机器人编程、机器人控制等传统机械类课程，带有明显的机器人技术应用的倾向性[4]。此外，高职高专院校的机器人工程专业主要是指工业机器人技术专业，顾名思义，其是以工业机器人为对象，培养工业机器人应用型人才。因此，课程体系的构建以应用为主，对理论知识深度要求不高，倾向于满足地方经济发展特殊需求的建设特点[5]。

自2016年机器人工程专业获批招生以来，至今全国已有三百余所本科高校开设了该专业。随着专业数量的激增，如何构建专业课程体系已摆在突出位置、迫在眉睫，但目前缺乏相应的理论指导和成熟的实践参考。本文提出了“统一基础课程辅以特色专业课程”的设置思路，首先系统分析了机器人工程专业所需知识元素，确定获取这些知识所要学习的课程，依此从通识课程、专业基础课程和专业方向课程三个方面阐述了机器人工程专业的核心课程体系，最后展望了机器人工程专业课程体系建设的愿景，以期能够为相关院校机器人工程专业课程体系的建设提供参考和借鉴。

1 机器人工程专业所需知识元素

知识体系和课程内容是机器人工程专业课程体系构建的内涵所在[6]。但是如何将知识体系与课程内容结合起来，通过课程内容的学习来获取专业技术知识是专业课程体系构建的难点。为了探讨机器人工程专业所需知识元素，我们从机器人制作进行论述。无论是工业机器人还是服务机器人、特种机器人等，其核心结构基本是一致的，即包含硬件和软件两部分。硬件部分主要承担机器人外形结构和支撑程序运行的硬件电路；软件部分则主要指控制机器人运动的各种算法和程序。为了科学合理地构建机器人工程专业课程体系，分析机器人制作所需知识元素是十分必要的。

对于机器人而言，硬件主要包含机械本体和硬件电路两大部分，机械本体主要支撑了机器人的机械骨架和外形，决定了机器人的用途和主要功能；硬件电路主要是和控制程序或控制系统相配合，以实现机器人的运动控制。硬件电路包含围绕单片机搭建的底层控制硬件和围绕微型电脑搭建的ROS（robot operating system）层硬件两部分。底层控制硬件主要用于基本的硬件电路控制，而ROS层控制硬件则主要与一些传感器搭配用于机器人智能的实现，比如路径规划、机器视觉等。机器人软件部分则主要包含与单片机结合的底层控制程序和与微型电脑结合的ROS层智能控制算法两部分。底层控制程序用于实现机器人的方向、速度等基本运动的控制；ROS层控制程序则实现导航、视觉等智能功能的实现。

在知识元素上，机器人机械本体的设计和制作方面需要工程制图、机械设计和机械加工等方面的知识，在具体实施上包括三维设计软件使用、3D打印、机械加工等内容；机器人硬件电路方面需要电路工作原理、电路设计、电动机的驱动、单片机、微机原理、传感器等方面的知识；机器人软件控制程序方面需要程序的编写、系统的控制、传感器的使用、信息通讯等方面的知识。因此，如何让学生在有限的课程教学中学到尽可能多的相关知识是课程体系构建的初衷和目的所在。

2 机器人工程专业课程体系构建

机器人工程专业属于自动化类，为国家特设专业。尽管不同高校在课程设置和课程名称上有所不同，但是课程的内容其实大同小异，比如常设置的机器人工程专业课程包括“程序设计基础”“电路”“电子技术基础”“自动控制原理”“微机原理与接口技术”“单片机原理及应用”“PLC原理及应用”“机器人仿真与编程”等[7]。但是这些课程设置的初衷及其存在的价值却鲜有报道。因此，文章结合机器人工程专业所需知识元素提出了“统一基础课程辅以特色专业课程”的设置思路，下面从通识课程、专业基础课程和专业方向课程三个方面进行论述。

2.1 通识课程

通识课程主要是培养学生的人文素养、社会责任、创新精神以及逻辑思维能力等基本素质，对于学校内大部分专业基本都是一致的，而且课程也多安排在大一和大二学期。从内容上看，通识课程主要包括思想政治、军事理论、语言技能、体育教育、创新创业、数学物理等模块，课程设置比较成熟和固定。

2.2 专业基础课程

与通识课程不同，专业基础课程则体现了很强的学科特点，对于机器人工程专业来说，专业基础课与专业知识元素有着很密切的联系，也即是“统一基础课程”，如图1所示。从知识元素上看，机械本体需要根据机器人的功能进行设计和制作，因此“工程制图”“机械设计基础”“机械三维实体设计”“机械加工”等课程进行支撑。其中“工程制图”和“机械设计基础”可以让学生了解图样绘制和机械设计的基础，包括工作原理、结构特点、运动与传力特性、运动方案设计等等；“机械三维实体设计”教授学生根据机器人功能设计出结构合理、尺寸合适、原理正确、便于加工的确切图样；“机械加工”则教授机械制作相关知识，包括传统的减材制造和新兴的增材制造等[8]，可以是一门课程也可以是一系列课程，比如金工实训、3D打印等。

在机器人硬件电路方面，为了获得电路设计、制作、调试等方面的知识，则需要学习“电路分析与电工技术”“电子技术基础”“电力电子技术”“单片机原理与应用”“微机原理与接口技术”等课程。其中“电路分析与电工技术”“电子技术”和“电力电子技术”是一系列课程，主要教授学生掌握电子方面的基础知识和基本分析方法；“单片机原理与应用”是在上述三门课的基础上系统地讲述单片机基本原理和应用技术，是设计底层硬件电路的必修课程；“微机原理与接口技术”主要讲授微型电脑的工作原理与接口应用技术，是设计上层硬件电路的必修课程。

在机器人软件系统方面，主要涉及控制程序的编写和自动控制算法等知识，主要包括“程序设计基础”“自动控制原理”“机器人程序设计”“现代传感与检测技术”“电机拖动与运动控制”等课程，也可以根据实际情况进行缩减。其中“程序设计基础”和“机器人程序设计”主要学习底层控制的C/C++语言和上层智能控制的Python语言的程序编写思路和方法；“自动控制原理”“电机拖动与运动控制”等主要学习如何让机器人稳定可靠运行，对于机器人运动控制至关重要；“现代传感与检测技术”则主要学习传感器的相关知识，是实现机器人自主运动的基础。

上述这些课程属于专业基础课，对于绝大部分高校都是专业必修课，高校之间的差异较小。

2.3 专业方向课程

如果说上述机器人工程专业基础课程使学生基本了解机器人相关知识的话，那么机器人工程专业课程则是以就业为导向的分类人才培养体系[9]，不同高校就会结合自身的学科优势进行设置了。总的来说，机器人工程专业人才培养方向可以分为四个，即机器人控制、机器人运维、机器人制造和机器人研发等，如图2所示。其中机器人控制方向以（工业）机器人系统操作员为培养目标，主要从事机器人装配、编程、调试、工艺参数更改、工装夹具更换及其他辅助作业；机器人运维方向以（工业）机器人系统运维员为培养目标，主要从事数据采集、状态监测、故障分析与诊断、维修及预防性维护与保养作业；机器人制造方向以机器人高级工程师为培养目标，包括机器人机械工程师、机器人硬件工程师、机器人嵌入式软件工程师等，主要从事机器人制造、研制等工作；机器人研发方向以研究生等更高学历的进一步深造为培养目标，主要从事机器人相关的研发工作。

对于机器人工程专业课程可以采用“基础—专业—实践”三级课程体系，比如机器人控制方向，“PLC原理与应用”为基础课程，“机器人控制系统”“机器人视觉与传感技术”“机器人仿真与编程”为专业课程，“机器人控制综合实践”为实践课程，其他方向支撑课程如图2所示，此处不再一一赘述。培养方向不同，培养目标不同，其支撑课程也不同，因此不同院校应根据学校自身的学科优势和专业定位设置合适的人才培养目标，构建相应的支撑课程体系，即“特色专业课程”设置思路。

3 机器人工程专业课程建设愿景

机器人工程属于新工科专业中的新生工科专业，多学科交叉融合是其最典型的特征。作为人才培养的主要载体和专业知识内涵的主要体现，专业建设关系到人才培养目标的实现和专业培养标准的落实。为了打造融理论教学、工程实践、创新能力培养为一体的新工科人才培养体系，我们认为机器人工程专业课程建设思路大致可以概括为以下三点：

3.1 突破学科壁垒，构建交叉课程体系

机器人工程专业是具有典型交叉融合特点的新工科专业，与控制、机械、电子、计算机等学科都具有紧密的联系。而机器人工程专业成立较晚，各高校对于其核心课程体系的构建还处于探索阶段，摸着石头过河，因此如何在短期内构建机器人工程课程体系也是各个高校急需解决的问题。机器人工程专业课程体系构建中应破除不同学科门类之间的壁垒，根据不同层次学校自身的特点，构建适合自身学科特色的交叉课程体系，也更符合新工科专业的定位。

3.2 紧跟产业需求，深度融合教学产研

符合社会发展和产业需求是一个专业存在的前提和基础，作为新工科专业的机器人工程专业也不例外。因此在课程体系构建时，更应主动对接并积极迎合机器人产业对人才多样化、个性化和动态化的需求，逐步完善核心课程体系。以教学为抓手、以学生为中心、以产业为导向、以科研为催化剂，将教学产研深度融合，打造能够服务国家战略需求以及新型产业发展、具有较强工程能力的新工科专业人才。

3.3 结合数字技术，优化创新实践体系

新工科专业对人才的工程实践能力提出了更高的要求，而作为工程实践的核心设备，机器人价格昂贵、教学设备维护成本且危险系数高，数量也难以满足教学需求。因此，在课程体系构建时应该更多地结合数字技术，通过数字技术的引入来解决高校资金短缺、教学资源分配不均的窘状，让每个学生都能控制与真实机器人无差的虚拟机器人，并避免学生因误操作而损坏昂贵的设备。以虚拟仿真练习为主、结合少量真实设备实践强化是将来一段时间内机器人工程专业的主流趋势。因此在机器人工程课程体系构建时应结合现代数字技术，优化创新实践体系。

4 结论

机器人工程作为新工科中的新兴工科专业[10]，其课程体系的构建还存在很大的研究和探索空间。本文提出了“统一基础课程辅以特色专业课程”的设置思路。即在机器人工程专业所需知识元素基础上构建机器人工程专业基础课程体系，然后根据高校自身的学科优势和专业定位设置专业课程体系，以培养出适应社会不同需求的专业技术人才，实现分层次、分工种、分技能的培养愿景。但机器人工程专业课程体系构建目前还需要更长时间的探索与实践。上述观点仅仅是个人的一些拙见，希望能够引起更多同行的思考。