新工科背景下机器人工程人才培养体系的建设

刘敏　王耀南　张辉　何赟泽

［摘 要］ 随着新兴产业的兴起和新经济的发展，目前机器人工程等新工科人才培养体系存在教学资源不足、培养模式单一以及课程内容陈旧等问题，无法满足国家和产业发展对高素质新工科人才的需求。因此，湖南大学机器人工程专业立足国家战略和前沿产业需求，致力于培养多学科交叉型创新创业人才，提出了“三轴支撑—两链融合”的机器人工程专业人才培养体系。该模式自实施以来，在机器人工程领域人才培养方面取得了突出的应用成效，可供国内外高校借鉴。

［关键词］ 新工科；机器人工程；多学科交叉

［基金项目］ 2021年度中国高等教育学会创新创业教育分会“‘四新建设与创新创业教育”研究课题项目“‘四新与创新创业教育高质量发展研究——‘新工科背景下人工智能创新创业人才培养模式的改革与实践”（IEEECKT202108）；2022年度湖南省普通高等学校教学改革研究立项项目“基于专创融合的自动化专业创新创业人才培养模式的研究与改革”（HNJG-2022-0501）

［作者简介］ 刘 敏（1981—），男，湖南益阳人，博士，湖南大学电气与信息工程学院副院长，教授，主要从事机器视觉和模式识别研究；王耀南（1957—），男，江西吉水人，博士，湖南大学电气与信息工程学院教授，中国工程院院士，主要从事智能机器感知与控制技术研究；张 辉（1983—），男，陕西咸阳人，博士，湖南大学机器人学院教授，主要从事机器人视觉检测与控制及深度学习图像处理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文獻标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2024）04-0001-04［收稿日期］ 2022-12-10

引言

随着新一轮产业革命的出现，机器人、智能制造、物联网、大数据等技术迅速发展，对当前工程领域全链条化发展提出了前所未有的要求［1-2］。因此，工信部先后发布《机器人产业发展规划（2016—2020年）》《关于促进机器人产业健康发展的通知》《“十四五”机器人产业发展规划》等一系列文件，推动我国机器人产业快速健康可持续发展［3］。机器人产业迎来高速发展，相关企业对机器人工程专业人才需求迫切，但同时对人才培养提出了更高的要求。各高校以新工科的提出为契机，结合“一带一路”“互联网+”和“中国制造2025”等国家重大战略，整合各工科专业优势建设机器人工程专业，解决新经济、前沿交叉学科、未来技术领域人才短缺等问题［4］。

虽然众多高校在机器人工程专业人才培养体系的探索和实践方面取得了一定的成绩，但更多表现在对原有相关教学科研工作基础上的进一步加强，或者是结合各校优势专业方向，对本科教育进行有特色的加强［5］，仍然没有打破传统工科培养体系的局限性，难以培养出符合国家战略需求的新型人才。因此，湖南大学以培养机器人领域工程技术人才为根本目标，发挥机器人领域优势，依托现有各大重点实验室平台，成立了全国首批机器人学院，开设了机器人工程专业，构建了多学科交叉融合，提出了“三轴支撑—两链融合”的机器人工程专业人才培养体系，致力于培养思维新、视野广、国际化的科学研究型、技术创新型与科技创业型人才，并取得了丰富的实践成效。

一、机器人工程专业人才培养存在的主要问题

当前，我国机器人和人工智能产业发展迅猛，机器人和人工智能领域急需众多技术型高端人才，但我国机器人领域人才的教育现状并不乐观，在教学资源、培养模式、课程内容和教学方法等方面存在严重不足，无法满足国家对高素质专业人才的需求。

（一）教学资源不足，缺乏支撑体系

机器人工程专业是新工科背景下设立的全新专业，因此，一些高校的教学资源建设尚不完善，严重缺乏实践教学基地，亟须紧跟时代前沿科技建设教学资源。具体地，多数高校仍延续自动化、机械工程等已有学科教学团队，不能专注于机器人工程专业的教学，缺乏对机器人工程专业的教学研究，需要成立全新的符合机器人工程专业的教学团队；此外，许多高校并没有省部级、国家级等机器人教学平台作为支撑，缺少足够的实验场地和实验设备进行理论验证，理论与工程实践不能得到有效贯通和融合。

（二）培养模式单一，缺乏个性化发展

目前，机器人工程专业人才培养模式尚未完善，各高校仍然采用传统的“填鸭式”培养模式，脱离多元化发展，限制了学生思维和能力的培养。并且，一些高校未能针对学生的不同兴趣、能力、未来职业规划制订个性化培养方案，做到因材施教，尚未打破传统模式的局限，因而部分学生仅具有单一的知识体系和思辨能力，缺乏个性化发展［6］。同时，传统的教育培养模式存在不同程度的过度专门化、过早专门化等弊端，导致出现学科壁垒，窄化了工程人才的知识体系。

（三）课程内容陈旧，滞后了前沿科技

一些课程内容相对陈旧，未能根据国家战略需求和科技发展做出相应调整，存在当前教学内容与机器人技术发展脱节的问题，缺乏涉及前沿科学技术的教学内容。当前，人工智能、物联网、计算机、机器人等领域的技术更新迭代迅速，易使高校的课程教学与时代脱轨，人才培养落后［7］。

二、“三轴支撑—两链融合”机器人工程专业人才培养体系

针对现有的人才培养体系无法满足国家对机器人工程专业人才巨大需求的困境，湖南大学机器人工程专业结合新工科建设背景，提出“三轴支撑—两链融合”人才培养体系，由“教师团队轴”“校内教学平台轴”“校企创新基地轴”三轴构成机器工程专业强劲的支撑体系；另外，以“特色课程链”“综合实践链”为两链主体构建理论与实践深度融合的能力培养体系，培养思维新、视野广、国际化的科学研究型、技术创新型与科技创业型人才，建立全新的机器人工程专业人才培养体系，主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略。

（一）三轴支撑，建成坚实完善有力的支撑体系

1.教师团队轴，支撑创新人才培养。为了适应机器人领域技术的高速发展，解决机器人工程专业教师团队缺乏的问题，湖南大学机器人学院构建了一支师资力量雄厚、专业能力过硬的教师团队，现有专兼职教师33人，其中校内教师26人、外聘兼职教授7人。由中国工程院院士、国家“万人计划”科技创新领军人才等国家级科技人才组建智能控制与机器人研究教学团队、视觉感知与人工智能研究教学团队和人工智能及其应用研究教学团队等对机器人领域的前沿知识开展相关教学工作，便于学生根据自己的兴趣爱好以及个人能力自主从三个（不同的）教学团队中选择心仪的导师进行相关知识的学习，接触机器人领域最前沿的科学技术，避免与时代脱轨。

2.校内教学平台轴，保证教学正常推进。为了有效解决教学设施不足的问题，湖南大学机器人工程专业由机器人视觉感知与控制技术国家工程研究中心、国家超级计算长沙中心、汽车车身先进设计制造国家重点实验室等国家级、省部级平台组建教学平台，设有机器人基础、工业机器人、服务机器人和特种作业机器人等教学实验室。学生可以通过教学实验室掌握机器人传感器、机器人控制器和机器人设计的基础知识，并能利用机器视觉技术、语音语义识别技术和地图建模等技术从事各类智能服务机器人的设计、研发和高级应用开发等工作。

机器人学院通过教学平台实验室重点培养学生对智能机器人、智能制造、智能信息处理等领域前沿技术的认识，为机器人工程专业提供教学基地，为学生的实践能力培养提供有效支撑，保证教学能够正常推进。

3.校企创新基地轴，弥补教学资源不足。加强校企联系，建设校企创新基地，有效弥补校内教学资源的不足，以便学校可以及时地、有针对性地对学生进行实践技能的培养，让学生了解企业对人才技能的需求。湖南大学联合博世集团、威胜集团、红太阳广电、开元仪器等知名企业共建校企深度融合的机器人创新人才培养基地，加强产学研协同，探索高校与重点企业、科研院所之间灵活的协同育人机制和模式。此外，湖南大学孕育了一批如湖南爱米家智能科技有限公司、长沙安芯屋木艺有限公司等具有创新意识的企业，校企之间互动密切，为湖南大学培养符合国家战略的机器人工程专业人才提供了强有力的支撑。

（二）两链融合，构建理论实践融合的培养体系

1.特色课程链，夯实专业基础。机器人工程专业是融合自动化、机械工程、计算机科学与技术等学科的前沿交叉学科，学院坚持学科前沿性与工程导向性，充分发挥湖南大学工程学科群的多学科交叉优势，针对机器人工程专业特定人才需求，采用个性化培養模式，制定“机器人+”学科交叉的个性化全新课程体系，以“5+3”的人才模式进行培养。前5个学期，采用多学科交叉融合、知识结构与素养重建的教改模式，紧密结合机器人学科方向进行多学科融合教学改革，夯实专业基础；后3个学期，根据每位学生的发展目标制订个性化培养方案，培养专业创新能力。具体地，按照深度和能力递进设置通识教育、学门核心、学类核心、专业核心及个性培养5个课程模块。在专业核心课程上，机器人学院开设全新的机器人领域特色课程，包括“机器人基础”（2学分）、“机器人原理与机构设计”（4学分）、“机器人感知与学习”（4学分）、“机器人驱动控制”（4学分）和“智能机器人系统”（4学分），使学生充分掌握机器人组成原理、机械结构、控制原理等技术的相关理论；在个性培养方面，学生可以根据兴趣爱好从机器人感知与学习、机器人运动控制、机器人结构设计和机器人前沿技术等5个方向选择，并采用方向分组与任选相结合的方式实施，且每个方向设有4门课程，以实现学生能力的多元化发展，有效解决传统培养模式单一的问题。

2.综合实践链，启发创新思维。为了有效实现理论与实践的深度融合，提高学生的综合实践能力，湖南大学机器人学院制订了“导师群+”实践驱动的项目制课程体系和“研赛创+”开放式创新协同育人实践体系。（1）“导师群+”实践驱动的项目制课程体系：实行项目制教学，以递进式实践项目启发学生的创新思维。建立多学科交叉融合的导师团队与创新创业工作坊，实行多学科导师与学生团队融合的项目制教学模式；制订贯穿整个大学期间的实践教学体系，设计迭代升级的实践教学环节和创新创业项目，以从基础到专业、从简单到系统的递进式实践教学启发学生的创新思维。（2）“研赛创+”开放式创新协同育人实践体系：实行“政产学研资”合作模式，以产业前沿技术助推科学创新，拓宽学生的设计思维与国际视野。通过政府产业发展机构、企业家与知名校友共同参与的学院理事会，构建“政产学研资”紧密合作、产业与人才协同发展的人才培养机制，以科学研究、学科竞赛、科技“双创”等方式培育具备研究、创新与创业能力的复合型人才。

三、人才培养模式的成效

湖南大学机器人工程专业人才培养体系立足于习近平新时代中国特色社会主义思想，取得了丰硕成果，建立了需求驱动、学科交叉、理论与实践深度融合的机器人工程专业人才培养体系，专业建设思路清晰，成绩斐然。

（一）实验室建设成效显著

2014年以来，湖南大学机器人领域新建1个国家级工程研究中心、4个省部级工程实验室、6个教育部产学研协同育人中心，可容纳两百余人做实验，建立了以产业需求为导向的新型教育模式，建立了工程训练中心和实验平台，紧密结合企业实习实践基地，系统开展了机器人工程训练和生产实习，加强了学生的工程技术实践能力以及对机器人工程专业的认识和兴趣，实验室以及育人中心的育人模式得到社会各界人士认可。

（二）学生的创新创业能力得到极大提升

在优质教师团队的指导下，参与国家级及省部级实验平台训练的学生在各种赛事中取得了优异的成绩。近年来，近260人次在全国大学生创新实践活动竞赛中获奖，学生的创新创业能力得到极大提升。仅在2021年机器人领域相关学科竞赛中，湖南大学获国家级一等奖6项、二等奖9项、三等奖3项，获省级一等奖4项、二等奖4项、三等奖2项，竞赛获奖数量位居全国高校前列。

（三）社会各界对人才培养成果给予高度评价

机器人工程专业人才培养体系所培养的本科生，表现出很强的创新意识和实践动手能力，深受用人单位好评。2014年7月，时任总理李克强视察我院机器人创新创业成果展，称赞团队培养的学生“有勇气，思想活跃，有创意火花”。来自《人民日报》、新华社、中央电视台、《光明日报》、《經济日报》等十多家主流媒体报道了机器人领域人才培养特色及科研成果。此外，新华网、湖南经视、新浪微博等主流媒体先后针对机器人领域创新人才培养、大学生竞赛获奖等进行了报道，积极评价湖南大学为高等院校本科生教育工作做出了示范作用。

结语

机器人、智能制造和人工智能等前沿产业需要大量机器人领域专业人才，因而机器人工程专业人才培养是高等教育的重中之重。本文首先分析了目前我国机器人和人工智能领域高端人才培养在教学资源、培养模式、社会需求等方面存在的不足，重点介绍了“三轴支撑—两链融合”的机器人工程专业新型人才培养体系，建立了“政—学—研—产—资”多方联合支持、跨院系多学科交叉融合培养的工程创新创业人才协同培养模式。虽然新的人才培养体系取得了明显成效，但是成果仍有进一步深化和完善之处，例如可以持续优化教学手段，加强教学与科研的有机融合，强化校外实践教学基地建设，以实现更深入的校企融合人才培养。

参考文献

［1］王玮，高飞.电子信息类新工科人才培养体系构建［J］.黑龙江教育：高教研究与评估，2022（7）：10-12.

［2］王帅，吴成东，贾子熙，等.面向新工科的机器人工程专业创新人才培养模式探索［J］.教育教学论坛，2020（14）：52-54.

［3］机器人产业发展规划（2016—2020年）［J］.投资与创业，2016（6）：19-25.

［4］吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济［J］.高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

［5］范良志，江珂，朱海平，等.新工科背景下机器人知识体系与课程内容研究［J］.高等工程教育研究，2021（2）：32-38.

［6］米洁，吴迎年，甄真，等.新工科专业“大实践平台”的建设及思考：以机器人工程教育改革为例［J］.中国高校科技，2021（9）：67-71.

［7］钟登华.立足新时代培养一流“新工科”卓越人才［J］.中国科技奖励，2017（12）：6-7.

Construction of Robot Engineering Talent Training System under the Emerging Engineering Education： Taking Robot Engineering Major of Hunan University as an Example

LIU Mina， WANG Yao-nana， ZHANG Huib， HE Yun-zea

（a. College of Electrical and Information Engineering， b. School of Robotics， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China）

Abstract： With the rise of emerging industries and the development of new economy， the current training system in robot engineering cannot meet the national needs of the industrial development for high-quality New Engineering talents because of the problems of insufficient teaching resources， single training mode and outdated curriculum content. Therefore， based on the national strategy and the demand of frontier industry， the robot engineering major of Hunan University aims to cultivate interdisciplinary innovative and entrepreneurial talents， and proposes the robot engineering professional talent training system of “Three-Axis Support and Two-Chain Integration”. Since its implementation， it has achieved outstanding results in the field of robot engineering training， which can be used for reference by domestic and foreign universities.

Key words： emerging engineering education; robot engineering; multidisciplinary