工業(yè)機器人專業(yè)教材建設的思考

余 皡

（機械工業(yè)出版社高等教育分社，北京 100037）

機器人是典型的集光、機、電、儀、信息、自動化為一體的高技術產(chǎn)品。工業(yè)機器人作為機器人中發(fā)展最早、最成熟的一類產(chǎn)品，最具代表性。特別是《中國制造2025》的提出，將工業(yè)機器人產(chǎn)學研推向了國家戰(zhàn)略層面。中國制造產(chǎn)業(yè)升級需要大量的工業(yè)機器人，更需要大量的掌握工業(yè)機器人專業(yè)知識的人。而目前我國高等教育領域工業(yè)機器人專業(yè)相關人才的培養(yǎng)從質(zhì)和量上來說，都是遠遠不能滿足社會和行業(yè)需求的。為了盡快培養(yǎng)出合格的人才，亟需推進工業(yè)機器人專業(yè)課程和教材的建設。

一、國內(nèi)工業(yè)機器人行業(yè)的人才需求情況

（一）國內(nèi)機器人行業(yè)發(fā)展

目前我國已經(jīng)成為全球第一大工業(yè)機器人應用市場，但遺憾的是，我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，受相關技術和加工工藝等因素影響，中國工業(yè)機器人市場基本被以ABB、庫卡（已被我國美的集團收購）、發(fā)那科和安川四大巨頭為主的機器人品牌占據(jù)著，國產(chǎn)機器人品牌僅占約8%的市場份額（如圖1所示）。作為關鍵核心部件的控制器市場，也同樣被外企所占據(jù)。

圖1 國內(nèi)工業(yè)機器人市場份額

令人欣慰的是，很多國內(nèi)企業(yè)在紛紛發(fā)力，如美的、新松、華中數(shù)控、廣州數(shù)控、哈工大機器人集團等都在不斷研發(fā)新產(chǎn)品，努力追趕國際先進產(chǎn)品。

（二）工作崗位情況分析及人才需求特點

工業(yè)機器人在實際使用中，一次性定位精度受場地和生產(chǎn)工藝的制約，很難提高，但其重復定位精度可以做到非常高，所以多采用現(xiàn)場示教編程的方式來進行安裝和工藝調(diào)試，這種使用方式非常消耗人力和時間。另外，工藝改進和生產(chǎn)變更也需要人工重新調(diào)試。因此，目前大多數(shù)生產(chǎn)制造企業(yè)針對工業(yè)機器人的機器換人作業(yè)，需要龐大的現(xiàn)場調(diào)試和生產(chǎn)線監(jiān)控人員；而對于工業(yè)機器人的研發(fā)領域來說，其光、機、電、儀、信息、自動化一體的高技術性，使得高端研發(fā)人員非常缺乏。表1所示為教育部、人力資源和社會保障部、工業(yè)和信息化部三部委聯(lián)合印發(fā)的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》的制造業(yè)重點領域人才需求預測。

表1 制造業(yè)重點領域人才需求預測（單位：萬人）

二、普通高等教育工業(yè)機器人教材和教學現(xiàn)狀分析

如上所述崗位人才的需求呈現(xiàn)兩極化趨勢，一方面，應用型現(xiàn)場操作人員需求量大；另一方面，復合型研發(fā)人才因為要求高而緊缺。這就使人才培養(yǎng)的目標產(chǎn)生了很大差異。一方面，要求心靈手巧，執(zhí)行能力強，嚴格最受標準，上手快；另一方面，要求基礎知識過硬，機、電、控甚至人工智能等方面知識全面，還有更高的創(chuàng)新能力和團隊合作能力。下面簡單概括目前普通高等院校一般人才培養(yǎng)的情況。

（一）普通高等教育工業(yè)機器人專業(yè)建設情況

截至2018年初，教育部一共審批通過60所本科高校開展機器人工程專業(yè)建設。在2017年初僅有25所高校獲批。這說明，在本科階段機器人專業(yè)的起步很晚，甚至第一批專業(yè)學生可能還沒有入學，或者剛剛開始本科基礎課程的學習，離畢業(yè)參加工作還很遠。也就是說，大規(guī)模、專業(yè)化的定向培養(yǎng)還沒有真正準備好。甚至機器人工程專業(yè)是放在自動化學院，還是放在機械工程學院都還在爭論之中，各不相同。從而形成目前參與工業(yè)機器人工作的高校畢業(yè)生更多是分布在機械工程、電子工程、計算機工程、自動化、電氣工程等相關專業(yè)。而課程主要是通過增加選修課內(nèi)容，專業(yè)互補，概念灌輸來實現(xiàn)專業(yè)突出、兼顧整體的人才培養(yǎng)模式。

（二）普通高等教育工業(yè)機器人專業(yè)教材出版情況

針對目前高校這種培養(yǎng)模式，主要出版社出版的工業(yè)機器人本科教材多以《工業(yè)機器人概論》《工業(yè)機器人導論》《工業(yè)機器人技術基礎》為主。其內(nèi)容大體包括：工業(yè)機器人結構、工業(yè)機器人機構學、工業(yè)機器人動力系統(tǒng)、工業(yè)機器人控制技術、工業(yè)機器人感知系統(tǒng)、工業(yè)機器人編程、工業(yè)機器人生產(chǎn)線布置等。這其中不乏近年來工科中的優(yōu)秀教材和獲獎教材，而且市場反響很好，為課堂教學的開展提供了有力的支撐。

還有一些專業(yè)出版社與相關高校合作，進行專業(yè)課程的建設，根據(jù)工業(yè)機器人涉及的內(nèi)容知識將工業(yè)機器人課程細化分類，進一步提高。出版了一些具體的、單學科的、有針對性的教材。比如，《機器人機構學的數(shù)學基礎》《工業(yè)機器人操作及編程》《機器人視覺與控制》《工業(yè)機器人生產(chǎn)線裝配與維護》等教材。但因為讀者體量的缺乏，以及與各高校目前確實沒有如此多的課時開展這些課程的教學工作，所有使用效果不是很理想。

三、工業(yè)機器人專業(yè)方向教材建設

未來幾年隨著國內(nèi)制造業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型、升級，工業(yè)機器人、服務機器人等將不斷走進生產(chǎn)和生活之中，成為必不可少的一部分。企業(yè)和社會對人才的需求，緊逼高校人才培養(yǎng)加速，亟需盡快確定行之有效的課程大綱，編寫出質(zhì)量上乘的課程教材。作為出版社，我們可以從三方面著手進行教材的建設，即教材體系建設、教材內(nèi)容建設、教材形式建設。

（一）教材體系的建設

教材體系的建設，離不開課程體系的建設。大部分的教材其實都是由成熟的課程轉(zhuǎn)化而來的。其路徑一般有引進國外教材，重點院校試點，特色專業(yè)建設試點，國家統(tǒng)編統(tǒng)籌等。但隨著我國產(chǎn)業(yè)化進程的加速，特別是智能制造、高精尖制造等領域沒有那么完備的體系和課程供我們學習和借鑒，而是進入了探索創(chuàng)新的階段。學校的師資力量甚至也沒有完善系統(tǒng)的課程方案。這就要求出版社要積極主動開展工作，要整體調(diào)研，多分析，多思考，多實踐，把社會的真實需求和學校的教學實際結合起來，真正做到為人才培養(yǎng)服務，為學生服務，提供系統(tǒng)性的學習方案和教材。

具體來說，出版社應當組織一線教師和行業(yè)專家，將工業(yè)機器人、服務機器人產(chǎn)業(yè)所需要的知識整理出知識圖譜，再結合目前高校各專業(yè)的教學實際和課程大綱進行分別對應。

可以利用現(xiàn)有的各專業(yè)課程教材和大綱，穿插引入、替換為更針對工業(yè)機器人應用的知識或者實例。比如，機械工程專業(yè)開設的“機械原理”“機械設計”課程，完全可以貼切合理地加入工業(yè)機器人機構學、工業(yè)機器人結構設計的內(nèi)容。再比如，工程專業(yè)大多數(shù)開設的“傳感器技術”課程，很大程度上就是工業(yè)機器人傳感器所要講授的內(nèi)容。因此，為了快速形成課程體系和建設教材，可以利用現(xiàn)有課程進行針對性的知識改造。

但是，這樣改造出來的教材和課程的知識畢竟是點狀的，比較難照顧到工業(yè)機器人的整體性，很難形成真正的工業(yè)機器人知識體系，使學生學習結果碎片化，很難達到廣泛的專業(yè)能力培養(yǎng)目的。因此，要盡快提煉對整體工業(yè)機器人的研發(fā)、使用中的能力需求，結合知識圖譜，歸納總結出針對機器人專業(yè)的幾門專業(yè)課和選修課程大綱，著手組織進行編寫，全面形成理論課、設計課、實踐課的體系，并不斷隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展修訂、提高。

（二）教材內(nèi)容的建設

不論采用改造還是重構的方式建設工業(yè)機器人專業(yè)的教材體系，最重要的還是教材內(nèi)容的建設。工業(yè)機器人發(fā)展很快，服務機器人可以說更是日新月異。因此，在機器人專業(yè)教材內(nèi)容建設上，一定要突出“新”字。落后的計算方式，陳舊的設計理念，傳統(tǒng)的輔助工具，能拋棄的應該大膽拋棄。而先進的計算軟件，智能化的控制模式，新時代的設計工作方式應該更多地被引入到課程學習中、實踐教學中、課外比賽中。誠然，深厚扎實的科學基礎知識能為學生今后的發(fā)展打下更好的基礎，但工程教育教材如果講授太多的理論、推導、計算，在有限的學時中很難讓學生寬泛地掌握機器人的方方面面知識，更不利于實踐教學的開展。因此，在教材內(nèi)容建設上，應該更注重實際工程設計、理論方法的應用、真實工況的介紹，并拋出實際工程問題，引導啟發(fā)學生學以致用。

這也符合教育部目前推行的多種工程學科教改項目的精神，如新工科建設、卓越工程計劃、工程認證等。其強調(diào)的是學生工程能力的培養(yǎng)和多學科復合型的知識體系重構。機器人教材的內(nèi)容建設應該按照工程教育認證的12條要求，循序漸進將能力培養(yǎng)的核心——解決復雜問題的能力作為重點。利用多種教學手段和體例編排方式，如項目制學習、問題導向教學、同伴式教學等。同時，編寫各種輔助學習的實驗指導書和課程設計指導書，并推薦拓展讀物。以此優(yōu)化教學內(nèi)容和課程內(nèi)容標準，大范圍加速國內(nèi)機器人專業(yè)的人才培養(yǎng)建設，提高畢業(yè)生質(zhì)量。

（三）教材形式的建設

除了教材的體系和內(nèi)容建設外，還要注重教材形式建設。當前社會信息技術空前發(fā)達，各種電子設備使用已經(jīng)非常普及，大數(shù)據(jù)、云計算、校園網(wǎng)、智能手機、平板電腦已經(jīng)在高校普及，成為學生生活學習中不可或缺的物品。因此，進行教材形式建設不能只專注于傳統(tǒng)的出版，形式配套數(shù)字化也是重中之重。近幾年，教育部、各高校、各出版社甚至很多互聯(lián)網(wǎng)公司都制作了大量的數(shù)字化教學配套產(chǎn)品。其呈現(xiàn)形式也多種多樣，如教學網(wǎng)站、MOOC、SPOC、光盤、APP、二維碼、AR、VR等，各具特色。細分其具體內(nèi)容形式基本包括PPT、電子書、微視頻、視頻課、動畫演示、互動實驗室、題庫、有聲書等，豐富多彩。但其建設也存在質(zhì)量把控難、成本高、周期長、版權不清等諸多問題。

因此，我們建設新的專業(yè)教材，需要正視數(shù)字化資源的優(yōu)勢，充分利用數(shù)字化資源的比較優(yōu)勢，具體包括以下方面。

1.改變現(xiàn)實時間尺度展現(xiàn)。就是指緩慢的過程快速展現(xiàn)，或者高速的過程慢速展現(xiàn)。

2.改變現(xiàn)實空間尺度展現(xiàn)。就是指微小的、肉眼不可見的結構放大展現(xiàn)，或者太過巨大的形體縮小后可以看到整體。

3.改變靜態(tài)表述為動態(tài)。就是指讓圖片動起來，讓文字活起來。

4.把觀看形勢改為互動形式。就是指利用虛擬現(xiàn)實技術，讓用戶參與到現(xiàn)場之中，可以操作場景中的所有物體。

5.展現(xiàn)事物內(nèi)在的結構。就是指很多內(nèi)部運行的原理和過程很難直觀地看見，通過剖切或者剝離外結構就可以方便地展示內(nèi)在結構和運行過程。

6.改變順序?qū)W習的形式。就是指使搜索、查詢、記錄變得更加方便，通過與考核和檢查學習效果，自動重新組織下面所學內(nèi)容。使學習真正達到循序漸進，不斷鞏固，不斷提高。

數(shù)字化教學資源的建設非常重要，對學生學習有重大幫助。但在數(shù)字教學資源的建設過程中，需要認清數(shù)字化配套建設的特點，避免重復建設，過度建設，做到有的放矢，把好鋼用在刀刃上，真正起到為教學服務、為教師服務、為學生服務的作用。

《中國制造2025》從國家層面確定了我國建設制造強國的總體戰(zhàn)略，明確提出：要以新一代信息技術與制造業(yè)深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，實現(xiàn)制造業(yè)由大變強的歷史跨越。發(fā)展智能制造是中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要路徑，其內(nèi)涵是先進制造技術與新一代信息技術的深度融合，貫穿于產(chǎn)品、制造、服務全生命周期的各個環(huán)節(jié)及制造系統(tǒng)集成，實現(xiàn)制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務水平，推動制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放、共享發(fā)展。而機器人就是其中的關鍵領域之一，是實現(xiàn)制造業(yè)強國夢想的必要支撐。如果說工程教育是引領未來國家發(fā)展的基石，那么做好機器人專業(yè)的人才培養(yǎng)工作，編制、出版好優(yōu)秀的相關教材，就是制造業(yè)升級的重要基石。希望出版界同仁和社會各界積極參與，盡早完善機器人專業(yè)教材體系、內(nèi)容和配套，為我國建設制造強國的總體戰(zhàn)略實施添磚加瓦。