新工科背景下機(jī)器人教學(xué)發(fā)展思路分析

于大泳

摘?要：新工科建設(shè)重視工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系、相互支撐的理念，目的在于促進(jìn)行業(yè)技術(shù)和人才培養(yǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作為“中國制造2025”的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)，機(jī)器人教學(xué)理應(yīng)跟上我國高等工程教育改革發(fā)展的步伐。以下內(nèi)容分析了國內(nèi)外機(jī)器人教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了新工科背景下機(jī)器人教學(xué)中存在的關(guān)鍵問題，提出了轉(zhuǎn)變教學(xué)理念的發(fā)展思路。

關(guān)鍵詞：新工科;機(jī)器人;教學(xué)改革;機(jī)電一體化

中圖分類號：TH114;G642.3

移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、超級計(jì)算、傳感網(wǎng)、腦科學(xué)等新理論和新技術(shù)正驅(qū)動著當(dāng)前世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的背景下，以人工智能為核心的工業(yè)革命浪潮正席卷全球。作為人工智能載體的機(jī)器人在未來將成為世界萬物的智能終端，成為衡量一個(gè)國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)上升為國家戰(zhàn)略，這為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)大發(fā)展、新突破提供了機(jī)遇[1，2]。近年來，理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、組織創(chuàng)新和模式創(chuàng)新層出不窮，不同技術(shù)、不同產(chǎn)業(yè)之間互相滲透、融合發(fā)展，解決人機(jī)協(xié)作、人機(jī)共融問題，推動世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)格局發(fā)生深刻變革。在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)大變革背景下，機(jī)器人教學(xué)應(yīng)以機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合、相互支撐為教學(xué)目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是要構(gòu)建新的機(jī)器人教學(xué)體系，培養(yǎng)適應(yīng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的復(fù)合型人才。

1 國外機(jī)器人教學(xué)的發(fā)展

機(jī)器人技術(shù)是綜合了機(jī)械工程、電氣工程、控制工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、儀器科學(xué)與技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科為一體的綜合技術(shù)，是多學(xué)科科技革命的必然結(jié)果。任何一款機(jī)器人都是一個(gè)知識密集和技術(shù)密集的高科技型機(jī)電一體化產(chǎn)品。

在歐美等發(fā)達(dá)國家，大學(xué)機(jī)器人教學(xué)主要可以歸納為以下四種主要形式：（1）機(jī)器人技術(shù)課程;（2）綜合實(shí)踐類課程;（3）機(jī)器人主題夏令營;（4）輔助性教學(xué)課程。

美國麻省理工學(xué)院（MIT）作為世界著名的研究型大學(xué)，在機(jī)器人教學(xué)科研領(lǐng)域取得了豐碩成果。早在1994年，美國麻省理工學(xué)院就設(shè)置了《設(shè)計(jì)和建造LEGO機(jī)器人》課程，教學(xué)目標(biāo)是提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)造能力，進(jìn)行了機(jī)器人教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合。美國麻省理工學(xué)院開設(shè)了《認(rèn)知機(jī)器人》《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》《自主機(jī)器人設(shè)計(jì)》《機(jī)器人編程》等相關(guān)課程，結(jié)合專業(yè)發(fā)展需求，分別在航空航天學(xué)、機(jī)械工程學(xué)和電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)開設(shè)了機(jī)器人相關(guān)課程。

俄勒岡州立大學(xué)將機(jī)器人作為課程平臺，逐步應(yīng)用到大學(xué)課程的學(xué)習(xí)中。該校電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系，分別在《電子設(shè)計(jì)概念導(dǎo)論》《電子基礎(chǔ)》《數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)》《信號與系統(tǒng)》《計(jì)算機(jī)原理與匯編語言》《機(jī)械設(shè)計(jì)》等課程中使用機(jī)器人作為課程平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種融合教學(xué)方法能夠?qū)⑿聦W(xué)習(xí)的理論知識快速地應(yīng)用于機(jī)器人中，有效加深對理論知識的理解。該學(xué)習(xí)平臺具有以下五個(gè)特點(diǎn)：（1）加強(qiáng)相關(guān)課程之間的聯(lián)系;（2）提供解決復(fù)雜問題的情景;（3）增加動手操作的經(jīng)驗(yàn);（4）增強(qiáng)工程實(shí)踐的能力;（5）形成興趣學(xué)習(xí)共同體。

美國的機(jī)器人教學(xué)發(fā)展主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）大多數(shù)大學(xué)都開設(shè)了機(jī)器人相關(guān)的課程;（2）機(jī)器人作為課程平臺融入其他課程教學(xué)中。

雖然美國是機(jī)器人的發(fā)源地，并成功研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，其機(jī)器人技術(shù)全面、先進(jìn)、適應(yīng)性強(qiáng)，在國際上一直處于領(lǐng)先地位，但在工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)、出口和使用方面居于世界榜首的卻是日本，日本工業(yè)機(jī)器人的裝備量約占世界工業(yè)機(jī)器人裝備量的60%。這些成績的取得，與日本大學(xué)的機(jī)器人教學(xué)科研水平密切相關(guān)，日本幾乎每所大學(xué)都設(shè)置了高水平的機(jī)器人研究會，每年定期舉辦機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作競賽[3]。競賽的優(yōu)勢主要表現(xiàn)：（1）普及了機(jī)器人文化;（2）增強(qiáng)了應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的積極性;（3）培養(yǎng)了大批機(jī)器人研究和應(yīng)用的創(chuàng)新人才。

2 國內(nèi)機(jī)器人教學(xué)的發(fā)展

近年來，由于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)研究和應(yīng)用方面的專業(yè)人才缺口相當(dāng)大，為了培養(yǎng)適應(yīng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)創(chuàng)新人才，各大高校相繼設(shè)置了機(jī)器人相關(guān)課程，主要包括：清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、東南大學(xué)、中南大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、西安理工大學(xué)、上海理工大學(xué)等[4]。

浙江大學(xué)在國內(nèi)率先為農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化、農(nóng)業(yè)電氣化與自動化和生物系統(tǒng)工程專業(yè)的本科生開設(shè)了《生物生產(chǎn)機(jī)器人》課程，形成了一套以啟發(fā)學(xué)生的研究性、自主性、探究性學(xué)習(xí)為特色，課內(nèi)與課外、理論與實(shí)踐、教學(xué)與科研相結(jié)合，突出學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的生物生產(chǎn)機(jī)器人課程教學(xué)體系。

創(chuàng)建于1986年的哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所，是我國最早開展機(jī)器人技術(shù)研究的單位之一，并研制出我國第一臺弧焊機(jī)器人和第一臺點(diǎn)焊機(jī)器人。這些年來，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在機(jī)器人技術(shù)人才培養(yǎng)方面的特色：（1）重視專業(yè)理論知識學(xué)習(xí);（2）注重跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神培養(yǎng)。

東南大學(xué)率先設(shè)置了機(jī)器人實(shí)踐課程，選用邁捷教育機(jī)器人平臺作為教學(xué)平臺，在機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐方向形成了具有東南大學(xué)特色的培養(yǎng)模式，主要優(yōu)勢體現(xiàn)：（1）實(shí)現(xiàn)師生交互式學(xué)習(xí);（2）培養(yǎng)工程概念設(shè)計(jì)思想。

哈爾濱理工大學(xué)為培養(yǎng)自動化專業(yè)多元化人才，開設(shè)了《機(jī)器人控制技術(shù)》課程，特殊之處在于：（1）實(shí)現(xiàn)了專業(yè)模塊方向課程的整合;（2）實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源共享和輻射。

我國大學(xué)機(jī)器人教學(xué)發(fā)展中存在的主要問題包括：（1）機(jī)器人專業(yè)教材陳舊;（2）多學(xué)科融合教師偏少;（3）配套教學(xué)設(shè)備的缺乏。

3 機(jī)器人教學(xué)發(fā)展思路分析

盡管國內(nèi)大學(xué)機(jī)器人教學(xué)科研取得了較大的進(jìn)步，同時(shí)培養(yǎng)了一批機(jī)器人專業(yè)領(lǐng)域的工程技術(shù)人才。隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的來臨，以智能制造為根本特征的新型制造體系對機(jī)器人的需求呈現(xiàn)大幅增長的趨勢，機(jī)器人技術(shù)教學(xué)將成為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高效、快速發(fā)展的驅(qū)動力。結(jié)合國內(nèi)外大學(xué)機(jī)器人教學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀以及新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的發(fā)展需求，提出以下幾點(diǎn)關(guān)于機(jī)器人教學(xué)發(fā)展思路。

（1）針對機(jī)器人教材內(nèi)容陳舊，將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)和機(jī)器人技術(shù)的最新發(fā)展?fàn)顩r融合到機(jī)器人教學(xué)過程中去，構(gòu)建滿足機(jī)器人產(chǎn)業(yè)需求的教學(xué)體系，合理規(guī)劃機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容;

（2）針對多學(xué)科融合教師缺乏，適當(dāng)引進(jìn)機(jī)器人專業(yè)師資，組建機(jī)器人教學(xué)團(tuán)隊(duì)，貫徹教學(xué)和科研緊密結(jié)合的原則，有效實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和科學(xué)研究的有機(jī)結(jié)合;

（3）針對配套教學(xué)設(shè)備的缺乏，適量購置成熟的機(jī)器人配套產(chǎn)品，自主研究開發(fā)典型教學(xué)機(jī)器人，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)合作、產(chǎn)教融合、科教協(xié)同的育人新模式，共同建設(shè)實(shí)習(xí)基地。

通過上述機(jī)器人教學(xué)發(fā)展思路，將有助于學(xué)生在學(xué)校期間接觸機(jī)器人學(xué)科的前沿理論知識和技術(shù)，有利于提高機(jī)器人專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量，同時(shí)促進(jìn)了現(xiàn)代高新技術(shù)在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，為我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的人才保障。

參考文獻(xiàn)：

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[2]“新工科”建設(shè)行動路線[J].高等工程教育研究，2017，（2）：2425.

[3]李春華，崔世鋼，鄭桐，郝立果.發(fā)展機(jī)器人教育培養(yǎng)綜合型創(chuàng)新人才的研究與實(shí)踐[J].天津工程師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，15（4）：6163.

[4]畢津滔，張婉鸝.高校機(jī)器人教學(xué)改革新思路之探索[J].信息通信，2013，（3）：266267.