基于“一中心四布局”的机器人工程专业教学实践探究

张宏强 郭家伟 王佐 邵国庆 梁峰

关键词：需求；机器人工程；“一中心四布局”；高素质应用

0 引言

在新工科建设的背景下，机器人工程专业的建设与研究在部分高校逐渐展开，目前已经取得了一定成绩。马天力等人提出一种“教赛合一”的专业培养新模式，将学科和竞赛相结合的专业发展模式，提出了具体的改革思路[1]。王承业等人利用多功能的工业机器人实验室建设方案，在理论研究的基础上进行实践化应用教学[2]。张海涛等人从理论和实践课程框架两方面推动专业发展，实现“理论—实践—再理论—再实践”的正反馈效果[3]。陈皓等人阐述了机器人工程专业人才培养方案与人才培养模式、校企深度合作开展专业建设以及实验设备与实习基地建设[4]。王春玲根据学生参加机器人大赛，探讨了大賽对教师队伍建设、学生全面发展、教育教学改革等的促进作用[5]。马荣琳针对应用型地方本科院校机器人工程本科专业，制定毕业要求、可考核指标点，展开课程体系构建研究[6]。

党的二十大报告提到要加强新兴和交叉等学科的建设，对高校学科和专业的建设提出了新的要求。机器人工程专业是跨学科和多种技术融合的专业，对专业的建设需要更加精准化、深入化和需求化。

1 机器人工程专业人才培养现状与存在的问题

机器人工程主要研究机器人的结构、电气硬件、软件控制等方面设计和应用的基本知识和技术，以及对其相关应用系统和生产线的设计、装配、调试和优化等，代替人类的手工作业，改善劳动环境和降低劳动强度。机器人工程专业人才的需求量与日俱增，根据《中国机器人产业发展报告（2022年）》显示，仅在中国人工智能机器人行业人才缺口就高达500万（人）。

面对如此大的人才需求量，高校对机器人工程专业的建设需要及时发现目前的问题并有效解决，才能培养出更优秀的人才。

部分高校在机器人工程专业人才培养上目前存在着以下不足。

1） 专业设立时间短，专业建设基础和经验薄弱从总体看，高校设立机器人工程专业的时间都不长，在不断的摸索中进行发展和优化，专业建设方面基础和经验薄弱，培养目标、学制安排、教学内容、教学方法和课程教材等都要根据社会和企业对人才的新的需求不断完善和开拓创新。

2） 教师资源紧缺，专业技能和综合技能有待提高部分高校机器人工程专业的教师队伍的数量比较紧缺，需要进一步补充和引进，在引进和留住人才的政策上也要适当调整。另外经过调查发现，机器人工程专业的教师的专业大部分都是非本专业毕业，原因是此专业较新，目前毕业生较少，尤其是硕、博研究生毕业人数更少，所以目前只能通过其他专业的有近似研究方向的老师任教，所以教师的专业技术能力和综合技能有待提高。

3） 教学实验设备和平台紧缺和陈旧，有待补充和优化部分高校机器人工程专业的教学实验设备的标准化需要提升，市场上售卖此专业的教学设备多种多样，厂家通过简单的一个自动化项目改装就变成了教学设备，这样不利于学生对专业知识的学习。另外有些实验平台是借助其他专业的平台，虽然有知识体系的关联，但比较陈旧，与市场和企业的技术方面有局部的滞后，所以机器人工程专业的实验设备、平台比较紧缺和陈旧，有待补充和优化。

4） 学生对专业理论知识学习起来比较抽象，实践经验较少学生对机器人的专业理论知识理解起来相对比较抽象，如机器人位姿的坐标变换、机器人的运动学和动力学等知识。理论知识感到抽象是实践经验少的原因，如学生连串联机器人都没有见过，对连杆两端相邻坐标系变换的理解就会很抽象。

2 机器人工程专业“一中心，四布局”的思路

为把高校机器人工程专业的学生培养为高素质应用型人才，需要在培养模式、教学内容和方法等方面进行不断创新，提出了“一中心四布局”教学实践探究，即以学生为中心，在教学、项目、大赛、创业四个方面进行同时布局，图1为机器人工程专业教学实践“一中心四布局”的构建思路。

机器人工程专业教学实践的“一中心四布局”的构建是相互关联、相互促进和相互统一的过程。

机器人工程专业的建设以学生为中心是核心和导向标，是开展“四布局”的主体和中心，这一原则必须要长期坚守。

教学是项目的基础，为项目的顺利展开提供技术基础；教学为大赛提供指导，教学的专业知识为大赛的赛事技能提供指导；学生创业最大的问题除了资金短缺以外，就是大学生没有一个创业的理论思路和体系，不知道如何开始，不知道从哪里开始，教学只能为学生创业提供理论支撑。

项目为教学提供实践的载体，学生通过项目的实践能更好地理解教学过程中的理论知识；项目为大赛提供平台，大赛平台的设计和建立需要综合体现多种知识的应用，让学生参与项目的设计有助于能够更快地胜任大赛所需的技能，项目为大赛提供一个很好的技术平台；项目也为创业提供经验，学生参与项目的设计、组装和调试，会积累很多经验，这些经验会为学生后期创业提供宝贵的技能财富。

大赛能够深化教学的理论知识，让学生加深对理论知识的理解，提升应用知识的技能；大赛为项目提供思路，让学生多参加相关的大赛，了解和掌握不同大赛平台所需的技能，为做项目提供系统应用和技术创新的思路；大赛为创业提供技能，一个大赛设备是一个先进技术的集成，学生在参赛过程和氛围中不知不觉地掌握跨学科的综合技能，对这种技能的掌握一直会延续到学生创业的过程中，起到力半功倍的效果。

创业为教学提供方向，因为创业是就业的一部分，学生创业过程中收获的反馈为教学提供宝贵的指引；创业能够改进大赛平台，创业需要贴近和响应客户的需求，客户的需求是学生毕业后达到的技能水平的要求，这样的技能水平很大一部分就是要通过大赛来训练，大赛平台的技术水平需要与其对标，通过创业了解客户对人才的技能水平的要求从而改进大赛平台，使培养出的学生更加符合社会的需求；创业为项目带来最新的市场需求，从而带来新的技术需求，这种新的技术需求为项目提供前期的技术方案，使项目与市场进行紧密的关联和结合。

3“一中心，四布局”的具体的实施策略

3.1 坚持以学生为中心

机器人工程专业的建设更要强调“以学生为中心”，既要看到大学生对这个专业的共同的热爱和对专业未来方向的憧憬，又要看到学生之间的差异，根据差异进行引导式教育，从而更好地预判和倡导培养结果的多样性，这种多样性是指学生对整个专业体系有自己的看法和见解，具备创新思维和独特扎实的专业技能。

另外要把学生的个体差异和专业建设的标准统一起来，在统一的系统的专业建设框架下要考虑个体差异的冗余度和灵活度，在每个环节上的设置上都要考虑这一原则，把“以学生为中心”落到实处。

3.2“四布局”的具体实施策略

在机器人工程专业建设中，坚持“以学生为中心”，以教学、项目、大赛和创业的“四布局”同时进行，夯实了机器人工程专业建设的基础和增加建设经验，“四布局”的实施是一种创新，具体实施策略如下：第一，以培养人才为目标，以专业建设体系为生态，狠抓、深抓教学质量。

在“四布局”中教学是主体，是“以学生为中心”原则下培养人才的主要环节，要在专业建设的过程中围绕这一主要环节。

机器人工程专业教学实践需要探索新的方向，如在教学模式上需要结合项目、大赛和创业的方式建立体系，结合实际问题积极反思，对教学内容进行突破和创新，以抓教学质量作为主线，在力度和深度上都要下功夫。

机器人工程专业设立时间短，专业建设基础和经验薄弱的问题比较明显，所以通过创新的教学改革形成专业建设的体系生态，来夯实基础和增加经验，使培养的学生专业技能和综合素质更高。

第二，以项目和大赛为依托，加强学生对专业理论知识的理解和掌握，增加实践经验。

以大赛为依托增加学生实践的教学思路在很多高校已经进行了研究和开展，但以项目为依托目前还是处在初步探索阶段，这里主要是结合“项目制”

教学。

“项目制”教学是让学生在项目的设计、组装和调试中，身临其境、不知不觉地牢牢掌握专业知识和技能，例如在学习机器人专业知识工具坐标系的标定时，如果能结合实际项目弧焊机器人的焊枪的三点位置参数标定和z/x方向的姿态参数的标定的实际操作来讲解，学生就理解和掌握得更快、更深。

另外在大赛中，学生不仅掌握了比赛的技能，更重要的是从深层次明白了大赛平台是怎样设计的，原理是什么，怎样改善和拓展大赛设备等，例如机器人大赛的部分设备中机器人需要与PLC进行通信，使用这样的设备不仅要让学生掌握怎样操作机器人进行编程和怎样编PLC梯形图，还要让学生掌握机器人的结构是怎样的，要掌握机器人的控制原理是怎样的，要掌握集成电气硬件电路是如何设计和接线的等。

第三，通过“四布局”的反动力，弥补和优化教师资源，提高教师的专业技能和综合技能。

在教师方面，需提高教师的专业技能和综合技能，提高理论与实践水平。在“四布局”中，首先要求教师要具备专业要求的教学能力，要具备设计项目、指导比赛的能力和具有创业思路的规划能力等，鼓励老师结合机器人相关的企业和研究院走产学研一体化道路。在项目的研究上也要和企业深入合作，不能只停留在理论层面上而没有较多的实践验证。

另外要结合多种渠道和资源聘请在企业从事机器人相关行业的专家和工程师担任教学工作和大赛指导，并进行深入的项目经验和最新市场需求的交流，对专业建设进行指导，对专业评估做出把关。在教师的聘用上增大“双师型”的占比，优化用人制度，让教师的企业经验很好地发挥出来。

在青年教师的培养制度上也要持续完善，老教师能够积极引导青年教师发挥出应有的潜能，使青年教师在教学和科研上有一个循序渐进的提高，使整个机器人工程专业的教师队伍的教学质量和综合技能整体提升。

第四，以大赛为平台，以项目设计为手段，补齐和更新教学实验设备。

大赛平台涉及的大赛设备对学生的教学尤其是实验教学是一种宝贵的资源，原因有以下两点：其一：大赛设备代表着较先进的市场技术和市场信息，如用PLC作为主站，机器人作为从站进行轴承的装配的比赛平台，涉及的装配工序之复杂、控制输入输出之多等对学生的教学是一个很好的实践平台，这种用机器人以及辅助设备做某种产品的装配的应用是目前机器人领域内比较前沿的应用。

其二：大赛设备一般会是一个跨学科的综合的平台，涉及的专业知识比较全面，这恰恰符合机器人工程专业跨学科的专业特点和专业优势。如上面提到的用机器人装配轴承的比赛设备，它是涵盖机器人系统、PLC控制系统、灌珠装置、分珠装置、轴承内外圈装配装置和视觉识别和判断等系统，所以能够熟练完成这样的大赛设备的操作，对学生的专业知识和技能的训练是非常有好处的。

大赛设备其实就是一个集成很高的项目，项目为大赛提供平台，大赛为项目提供思路，两者相辅相成，要做到互相补充、互相平衡和互相促进。

把机器人大赛的设备和项目设计的设备合理有效地补充到教学实验设备中，既是对大赛设备和项目产品的有效利用，又是对教学实验设备的及时补充和布置更新。

第五，以教学、项目和大赛支持学生创业，以创业带动就业和促进人才培养，形成良性的内循环和外循环。

高校大学生创新创业项目是一个很好的项目，对大学生的自主创新创业起到了很好的启发和支持作用。在机器人工程专业的建设中，对学生的支持途径较多，可以通过教学理论知识的培训支持，通过科研基金项目的拓展支持，通过大赛的技能支持和设备支持等，这样就形成一个良好的内循环。

大学生的创业还能够与校外的企业、科研单位等合作。大学生自己的科研成果可以成为企业的重要技术的输入，从而为大学生提供更多更高的合作平台和就业机会，这种良性的外循环能够促进学校培养人才和社会需求人才建设一个畅通的沟通平台。如机器人工程专业有学生通过学校的创新创业项目，设计了自己的项目成果，并申请了专利，目前正在和企业谈产品后期的合作，这就充分见证了大学生的潜力被发挥到了一个很高的层次，对大学生的能力锻炼以及专业的建设和人才培养都是一个很好的标杆作用。

4 结束语

面对市场环境和人才需求的不断变化，对高校机器人工程专业的建设提出了“一中心四布局”的教学实践，即以学生为中心，在教学、项目、大赛、创业四个方面进行布局，解决了部分高校目前在机器人工程专业培养人才上的不足，通过相关的思路梳理，制定了“一中心四布局”教学实践探究的具体策略，把学生的个体差异和专业建设的标准统一起来，从提高教学质量、增强学生的实践能力、增强教师队伍的综合能力、补齐和更新了教学设备以及建立了创业的良性内外循环等方面进行了具体的专业建设的策略布局，在培养本专业学生具备扎实的理论、很强的实践能力以及创新的综合能力等方面起到了初步的成效。

对机器人工程專业的教学实践的探究任重而道远，不能因为是新专业而找借口，更不能因为是资源紧缺而找理由，对专业建设的改革和创新需要不断探索、实践和优化，这样才能培养出更加适合企业和社会需求的机器人相关的专业人才。