地方應用型本科院校機器人工程專業課程體系建設初探

劉源 解芳 周宏胭 范禮鴻 褚慧慧

摘?要：機器人產業發展機遇空前巨大，行業人才需求激增，但與之不匹配的是機器人工程專業為新開設專業，發展尚不成熟，這給地方應用型本科高校培養方案的制訂帶來了挑戰。本文針對課程體系的構建，基于OBE理念，從建設思路、人才培養定位、專業特色凝練等方面分析了制訂培養方案時應考慮的問題，并以南陽理工學院為例，對理論課程體系和實踐課程體系的構建進行了探討。

關鍵詞：應用型本科；機器人工程專業；課程體系

隨著新一輪產業變革和科技革命，新一代信息技術、新材料、新能源等與機器人深度融合，機器人產業也迎來了跨越式發展。機器人被譽為“制造業皇冠頂端的明珠”，其研發、制造和應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志［1］。近年來，我國機器人產業快速發展，據工信部等三部門聯合發布的《制造業人才發展規劃指南》預測，到2025年我國高檔數控機床和機器人領域人才缺口將達到450萬。

面對機器人領域人才的巨大缺口，機器人工程專業應運而生。2016年，國內第一個本科專業在東南大學誕生。截至2022年，國內共有323所高校相繼開設機器人工程專業。由于機器人工程專業建設起步較晚，目前尚未有明確的專業建設規范和課程體系。機器人工程專業作為“新工科專業”，最重要的特征是多學科的交叉融合，涵蓋機械設計、自動化控制、電子電氣、軟件編程等。這給專業建設和課程體系設計帶來了巨大的挑戰。

由于研究型高校和應用型高校的人才培養目標存在客觀差異，機器人工程專業的培養方案和課程體系也應該有所區別。研究型高校更加注重培養高端人才的研發能力，課程體系更側重理論基礎和完整的理論構架。而應用型本科高校則側重培養應用型工程師，強調動手能力，學生需要能綜合應用控制工程、機械、電氣和軟件編程等知識去解決實際工程問題。因此，對于側重培養學生實踐能力的應用型本科院校，如何設計課程體系是整個專業建設的重中之重，因為課程體系是培養人才的重要載體，是實現培養目標的重要抓手。

南陽理工學院于2017年在自動化專業設置工業機器人方向，2019年向教育部提交申請，2020年獲批開設機器人工程專業并于同年開始首屆招生，目前機器人工程專業處于探索階段。本文將對南陽理工學院機器人工程專業在前期的探索實踐思路進行介紹，并著重闡述基于培養目標的課程體系的建設。

一、總體建設思路

（一）基于OBE理念的反向設計

OBE理念，即成果導向教育或者目標導向教育，是目前主流的教育改革理念。我國于2013年被接納為《華盛頓協議》簽約成員，2016年正式加入《華盛頓協議》，這意味著我國通過認證的工程專業本科學位將得到該協議所有正式成員的承認。OBE理念是工程教育專業認證的三大核心理念之一，專業認證提倡將OBE理念貫穿于整個人才培養的全過程［2］?；贠BE理念的課程體系設計，是提升人才培養質量的重要途徑。

OBE理念從需求出發開始進行反向設計，需求是起點，從行業對人才能力的需求出發確定培養目標，根據培養目標確定畢業要求，再由畢業要求確定課程體系，課程體系決定課程目標和教學內容，最后需要教學評價來判定培養目標和“需求”是否達到，最終又回到了“需求”。這樣的反向設計的思路給培養目標的最終實現給予了保證。

南陽理工學院機器人工程專業雖然是一個新專業，目前還沒有足夠的積累去參加專業認證，但是從專業建設初期，就要堅決貫徹OBE理念，提高人才培養質量，向專業認證看齊，為后續進行專業認證打下堅實基礎。

（二）廣泛深入的市場調研

“需求”是專業全流程建設的起點和終點，如果需求不明晰的話，那么整個專業建設的流程都將出現偏差，所以在制訂培養方案之前，必須要經過大量深入的調研，要到機器人產業第一線去深入調研，真正了解行業對于人才的需求，不僅要到技術先進的龍頭企業去調研，也要到一些還沒有形成規模的初創公司去調查。除了實地調研，還需通過互聯網去查找國家對產業的規劃政策、措施，以及最新的行業發展報告。另外，開設機器人工程專業的兄弟院校也可以提供有價值的參考經驗。當前開設機器人工程專業的高校主要有三類：一是高職院校，該類院校主要側重于對工業機器人操作和編程能力的培養，而對于基礎理論知識沒有足夠的重視，培養的人才多從事工業機器人的調試、維護保養和編程；二是較早設置機器人方向的研究型高校，比如東南大學、哈爾濱工業大學、浙江大學等。該類院校注重機器人設計開發能力的培養，理論課程體系涵蓋機器人學基礎知識、控制理論和系統設計理論；三是大部分地方高校最近幾年才開設機器人專業，因為成立時間較短，在培養模式和課程體系方面沒有相應的積累，處于起步和探索階段，開設的許多課程尚未形成科學的培養體系，更像是機械、電氣、自動化、計算機等學科課程的簡單混合。對于這三類院校都要進行調研，結合自身實際情況構建課程體系，取長補短。

（三）永不停歇地持續改進

“持續改進”是專業認證的三大核心理念之一。對于機器人工程專業更要重視持續改進，原因有兩點：第一，國內機器人工程專業起步較晚，并沒有太多現成的經驗可以參考，所以在專業建設的初始階段，課程體系的建設難免要經歷試錯的步驟，這個過程中需要根據人才需求和實際培養效果之間的偏差，經過不斷的反饋、調整和優化，最終構建較為理想的課程體系。第二，機器人技術本身也處于一個高速發展的階段，隨著人工智能、新能源、新材料等的日新月異，機器人技術也會隨之更新。這給機器人工程專業的課程體系建設帶來了巨大的挑戰，注定部分課程會有較短的生命周期，很可能開上兩三年就要進行更新。比如，機器人操作系統ROS，作為開發機器人使用最廣的開源工具，當有些院校開始設置ROS?1.0的課程時，ROS?2.0就已經被廣泛使用，就需要對課程進行及時更新，這會給任課教師帶來不小的壓力?；跈C器人工程專業的特點，持續改進需要貫穿在課程體系建設的全周期。持續改進，永遠在路上。

二、人才培養定位

（一）機器人領域人才需求

行業和用人單位的微觀需求，是制定專業人才培養目標的主要依據［3］。機器人可以分為工業機器人、服務機器人和特種機器人三種，根據中國電子學會發布的《中國機器人產業發展報告（2021年）》，2021年全球機器人市場規模達到335.8億美元，工業機器人、服務機器人、特種機器人市場占比如圖1所示。

從圖1可以看出，在全球市場中工業機器人市場占比最大，作為智能制造的終端設備，工業機器人扮演著重要的角色。通過對機器人上、中、下游產業鏈的調研發現，相比于工業機器人上游零部件供應企業和中游本體設計制造企業，下游產業鏈工業機器人系統集成企業對人才有著更為旺盛的需求。下游系統集成也是機器人商業化、大規模普及的關鍵［4］。機器人本體產品技術壁壘相對較高，對人才有更高的要求，地方應用型本科院校培養的應屆畢業生通常不具備與之匹配的能力。而系統集成的技術壁壘則相對較低，但其市場規模要遠遠大于本體市場［5］，對人才的能力要求也相對較低，對地方應用型本科高校畢業生來說壓力較小。因此，基于上述調研分析，南陽理工學院機器人工程專業將工業機器人系統集成與開發作為人才培養的核心方向。

另外，值得注意的是，服務機器人的全球市場占比逐年提高，2018年為21%，2019年25%，2021年上升到37%。隨著無人配送、無人零售、智能接待等需求持續增加，為服務機器人帶來了新的發展機遇。服務機器人市場不斷擴大，對人才的需求也與日俱增，所以南陽理工學院將服務機器人作為次要培育方向。

綜上所述，經過市場調研并結合院校實際情況，南陽理工學院將工業機器人系統集成與開發作為人才培養的核心方向，服務機器人開發作為第二方向。

（二）人才培養層次

人才培養層次的定位也是制定培養目標和構建課程體系的重要因素。需要考慮學校定位和生源層次，來確定人才培養的層次。南陽理工學院定位為應用型本科院校，植根南陽、服務河南、面向全國，以培養高素質應用型人才為己任。對于機器人工程專業而言，所培養人才層次要與傳統高職高專院校有所區別。高職高專院校在培養工業機器人使用、操作、編程以及維護上都有一定的積累，有較好的辦學基礎［6］。作為服務地方的應用型本科院校，不能照搬此類院校的課程體系設置，要提升人才培養的層次。所培養學生不僅要具備操作機器人的技能，還要具備機器人集成開發的能力，要有一定的應用研究能力。

（三）人才培養目標

基于機器人領域人才需求和我校應用型本科的辦學定位，專業人才培養目標如下：

圍繞工業機器人應用與開發，主要面向工業機器人系統的系統集成、工程設計、開發及應用，培養具有優良品德和執著信念，具備良好的溝通協作、跨專業認知融合和終身學習能力，擁有創新精神、良好的科學素養和高度的社會責任感，具備機器人理論基礎、較強機器人工程實踐能力，能從事現代機器人相關的工程設計與開發、系統運行與維護，并具有一定管理能力的應用型工程技術人才。

本專業畢業生在畢業5年后，達到以下職業能力：

（1）能夠運用多學科知識解決機器人在系統集成中的復雜工程問題，具備在機器人相關領域的組織與管理能力，能成為企業技術或管理骨干。（會做事）

（2）能夠和團隊進行有效溝通交流，具有團隊合作能力。（會共處）

（3）能夠跟蹤機器人行業國內外發展動態，具有自主學習和終身學習的意識和能力。（會學習）

（4）能夠遵守機器人行業的道德規范，履行社會責任。（會做人）

三、課程體系構建

結合目前機器人發展現狀、行業人才需求、我院智能制造大背景，以及我院實際師資和生源情況，將課程體系聚焦于以工業機器人系統集成與開發。工業機器人作為智能制造的重要一環，地位重要，但不能孤立存在，而應該作為智能制造的核心單元之一，要和周邊的機械系統、傳感系統、控制系統、控制軟件、電氣系統緊密配合，相輔相成，為智能制造服務。因此，機器人工程專業應當瞄準工業機器人在實際使用場景中的集成與開發技術，放在智能制造大背景下進行發展，培養出能在智能制造行業中完成工業機器人系統集成、開發和設計的應用型人才。課程體系分為理論和實踐兩部分：

（一）理論教學體系

理論課程體系包括通識教育課、數理知識課、專業平臺課、專業方向必修課、專業方向選修課等五部分組成，如圖2所示。

1.通識教育課

通識教育課包括必修課程和選修課程，必修課包括思想道德與法制、國家安全教育、形勢與政策、中國近現代史綱要、馬克思主義基本原理、創新創業教育基礎、毛澤東思想和中國特色社會主義理論體系概論、勞動教育、黨史、工程與社會。選修課包括公共藝術教育（美育類）課程、公共選修課程和社會實踐活動。選修課程學分須達到10學分。選修課課程是培養學生綜合能力、德智體美全面發展的重要手段，為后續為人做事、學習工作提供支撐。

2.數理知識課

數理知識課主要為培養學生基本的科學素養服務，為后續對機器人集成與開發的原理分析能力打下基礎，數理分析課也是應用型本科院校區別于高職高專的主要特征。主要包括高等數學、線性代數、大學物理、復變函數與積分變換、概率論與數理統計。

3.專業平臺必修課

專業平臺必修課包括專業導論與職業發展規劃、工程制圖、電路理論、模擬電子技術、數字電子技術、自動控制原理、機器人技術基礎、工業機器人技術及應用、機械工程基礎、智能傳感檢測技術。學生通過此類課程的學習，掌握機器人的基礎知識和基本素質，為后續專業課學習和工程實踐提供支撐。

4.專業方向必修課

專業方向必修課包括電機及電力拖動基礎、可編程序控制器、機器人視覺技術、工業機器人離線編程與仿真、伺服運動控制技術、PCB電路板設計、ARM微處理器技術、ROS機器人程序設計。經過此類課程的學習，掌握從事工業機器人系統集成與開發所需的專業知識。

5.專業方向選修課

專業方向選修課包括智能制造導論、Python程序設計基礎、工業控制網絡、先進控制理論、電氣控制設計基礎、EPLAN電氣設計技術、數字信號處理、最優化算法、模式識別與機器學習、高級語言監控技術。專業方向選修課最少修夠6學分。

（二）實踐課程體系

機器人工程專業作為新工科專業，最大的特點就是多學科交叉融合，培養應用型工程師，強調學生動手能力。因此，實踐課必須要給予足夠的重視。實踐類課程如圖3所示。

初步認知階段的課程是認知實習和工程訓練，機器人工程專業的新生通過一周的認知實習對機器人的應用技術有了一個初步的了解，并通過工程訓練建立興趣并培養初步的動手能力，建立工程的概念?；A訓練主要是課程實驗和基礎工程訓練，包括電子技術實訓、大學物理實驗、工程制圖實訓、模擬電子技術實驗和數字電子技術實驗，通過基礎訓練掌握基礎的工程技能，為專業訓練打下基礎。專業實踐訓練與專業課程同步進行，邊學邊練，提高學習效率。最后通過綜合性的課程設計和學科競賽對學生的工程實踐能力進行強化訓練，培養學生解決工程問題的能力，樹立自主學習和終身學習的意識，掌握自主學習的方法。

（三）特色課程凝練思考

調研發現，目前大部分院校開設機器人工程專業特色并不明顯，因為本專業是學科交叉性很強的專業，有的院校把專業放在機械學院就偏向機械設計，放在自動化學院就偏自動化控制，放在計算機學院就偏向軟件［7］。專業特色不能僅憑就近原則，而應該綜合考慮人才市場需求和學院實際情況。專業特色依靠特色課程來支撐，特色課程的選擇和設置可以從以下兩方面來考慮：第一，依托行業背景，如果專業能找到較好的工業背景支持，那么直接與相關優秀企業進行深層次的合作。校企融合、培養方案和課程體系由校企共同建設，專業自然就可能有特色。第二，在機器人產業中尋找被較少關注但又不可或缺的點進行深耕。比如，在工業機器人系統集成中，末端執行器是不可或缺的部分，但調研發現，目前開設機器人末端執行器相關課程的院校相對較少。因此，南陽理工學院機器人工程專業擬將機器人末端執行器作為特色課程來建設。

結語

對于應用型本科高校，培養目標能否實現，能否培養出合格的機器人工程師，最終還是要落實到一門門具體的課程上。因此，課程體系建設至關重要，機器人工程專業開設時間較短，可借鑒經驗不多，同時行業技術發展又日新月異，課程體系建設將會是一項長期而艱巨的任務，需要付出巨大的努力。因此，必須堅持OBE理念，以學生為中心，建立反饋機制，持續改進。

參考文獻：

［1］十五部門關于印發《“十四五”機器人產業發展規劃》的通知.工信部聯規〔2021〕206號.http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/202112/28/content_5664988.htm.

［2］施曉秋.遵循專業認證OBE理念的課程教學設計與實施［J］.高等工程教育研究，2018（5）：154160.

［3］李志義.解析工程教育專業認證的成果導向理念［J］.中國高等教育，2014（17）：710.

［4］宗光華.中國機器人熱的反思與前瞻（二）：我國機器人產業前瞻［J］.機器人技術與應用，2019（2）：1419.

［5］朱銀龍，馬晨波，楊青，等.新工科背景下機器人工程專業人才培養體系建設思考［J］.高教學刊，2021，7（14）：2528+32.

［6］溫宏愿，孫松麗，瞿志俊，等.新工科和專業集群視角下機器人工程專業建設研究［J］.職業技術教育，2020，41（14）：3034.

［7］龍迎春，韓竺秦，曾祥鋒，等.新工科背景下機器人工程專業人才培養課程體系構建的探索［J］.高教學刊，2021，30（14）：147150+155.

基金項目：智能制造背景下融合OBE理念的研究性教學模式探索與實踐（項目編號：2022SYJXLX113）；“機器人工程2021培養方案修訂”（項目批準號：470005）

作者簡介：劉源（1985—?），男，漢族，河南鄧州人，博士研究生，講師，機器人工程教研室主任，研究方向：機器人控制、多智能體協調控制等。