新工科背景下高校機器人工程專業(yè)多學(xué)科融合人才培養(yǎng)模式研究

黃世玲 韋海燕

摘要：新工科是深化高等工程教育改革、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的必然路徑。文章分析新工科背景下高校機器人工程專業(yè)教學(xué)存在的問題，闡述新工科背景下高校機器人工程專業(yè)教學(xué)改革的意義，探討新工科背景下高校機器人工程專業(yè)教學(xué)改革的理論依據(jù)，指出新工科背景下高校機器人工程專業(yè)教學(xué)改革要以矩陣組織和學(xué)科具體任務(wù)驅(qū)動交叉融合為機器人工程專業(yè)的多學(xué)科交叉融合人才培養(yǎng)提供組織保障，定制柔性化、學(xué)科交融及多方協(xié)同育人的新工科人才培養(yǎng)方案，研究并制定機器人工程專業(yè)多學(xué)科交叉融合的人才培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：高校；新工科；機器人工程；學(xué)科融合；人才培養(yǎng)；應(yīng)用型人才

中圖分類號：C961；G642文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-3561（2024）06-0001-04

基金項目：廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目立項“新工科背景下機器人工程專業(yè)多學(xué)科融合應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的研究”（編號：2022JGA392）

新工科是指在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的背景下，高等工程教育對未來發(fā)展的嶄新思維和深度思考，是對科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的積極回應(yīng)，是深化高等工程教育改革、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的必然路徑[1]。新工科的內(nèi)涵可以從三個方面來理解：新工科是概念和理念的共融、是學(xué)科和專業(yè)的共通，新工科建設(shè)是學(xué)科建設(shè)和高等工程教育改革的共進(jìn)[2]。當(dāng)前，學(xué)科交叉融合正成為推動科技進(jìn)步的關(guān)鍵引擎。高校機器人工程專業(yè)作為一個典型的例子，不僅僅是機械工程或電子工程的產(chǎn)物，更是將機械、電子、計算機等多個學(xué)科的要素有機結(jié)合，形成更強大、更靈活的創(chuàng)新力量。新工科所強調(diào)的不僅是學(xué)科之間的融合，而且是理論與實踐的結(jié)合。為此，本文深入探討高校機器人工程專業(yè)多學(xué)科融合人才培養(yǎng)模式，通過運籌學(xué)多目標(biāo)規(guī)劃法對專業(yè)教學(xué)體系進(jìn)行分析，構(gòu)建多模塊化教學(xué)單元，以實現(xiàn)學(xué)科融合的多目標(biāo)最優(yōu)化，更好地培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才。

一、新工科背景下高校機器人工程專業(yè)教學(xué)存在的問題

1.機器人工程專業(yè)跨學(xué)科交叉融合人才培養(yǎng)管理機制缺失

機器人工程專業(yè)具有多學(xué)科交叉融合的特征，但其傳統(tǒng)模式主要是分專業(yè)、分學(xué)科進(jìn)行人才培養(yǎng)，缺乏跨學(xué)科交融的新型機構(gòu)和管理機制，不能為跨院系、跨學(xué)科、跨專業(yè)培養(yǎng)復(fù)合型新工科工程人才提供組織保障。

2.傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)方案不適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)要求

傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)目標(biāo)相對狹窄，培養(yǎng)方案剛性度過高，導(dǎo)致畢業(yè)生適應(yīng)范圍有限，無法有效滿足行業(yè)對多樣化工程人才的需求。在培養(yǎng)方案的制定和實施過程中，相關(guān)部門未能讓相關(guān)學(xué)科專業(yè)、行業(yè)產(chǎn)業(yè)、科研機構(gòu)以及其他用人單位有效參與，一方面使得培養(yǎng)方案未能充分反映行業(yè)對當(dāng)前和未來人才的需求，另一方面使得培養(yǎng)方案的實施難以達(dá)到預(yù)期的效果[3]。

3.機器人工程專業(yè)跨學(xué)科課程體系和教學(xué)模式不健全

機器人工程專業(yè)是自動化類專業(yè)下的特設(shè)專業(yè)，現(xiàn)行的機器人工程教育主要是基于自動化的機器人傳統(tǒng)課程體系進(jìn)行人才培養(yǎng)，課程跨界交叉融合薄弱，缺乏跨學(xué)科、動態(tài)可重構(gòu)的模塊化課程體系，教學(xué)模式單一，使得學(xué)生缺乏全局思維、大工程視野以及解決復(fù)雜工程問題的能力[4]。

4.缺乏對多學(xué)科融合、專業(yè)技能與職業(yè)素養(yǎng)綜合培養(yǎng)的實施途徑

能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)分散在各門課程中，各環(huán)節(jié)的設(shè)計與銜接缺乏清晰的組織與規(guī)劃，導(dǎo)致能力培養(yǎng)主線不突出，能力訓(xùn)練缺少循序漸進(jìn)的過程。

二、新工科背景下高校機器人工程專業(yè)教學(xué)改革的意義

1.適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，緊跟教育部新工科建設(shè)步伐

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在加速重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖、重塑全球經(jīng)濟結(jié)構(gòu)[5]，創(chuàng)新戰(zhàn)略競爭在綜合國力競爭中的地位日益重要。為了應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”[6]，發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》等一系列關(guān)于“新工科”建設(shè)的文件。新工科建設(shè)是高等工程教育采取的積極行動，是以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征的新經(jīng)濟對高等工程教育改革的強烈需求。因此，機器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)要適應(yīng)新工科的背景，緊跟社會前進(jìn)的步伐。

2.從學(xué)科和專業(yè)的發(fā)展方向上適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展和強國戰(zhàn)略要求

智能制造是新一輪產(chǎn)業(yè)革命的核心驅(qū)動力，機器人則是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。可以說，機器人作為新興技術(shù)的重要載體和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵裝備，集機械、電子、控制、傳感、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等多學(xué)科技術(shù)于一體，能引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展、智能化升級，不斷孕育新產(chǎn)業(yè)、新模式、新業(yè)態(tài)[7]。傳統(tǒng)的計算機類、自動化類、機械類、電氣類、電子信息類等單一本科專業(yè)培養(yǎng)的人才，已經(jīng)難以滿足新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。因此，從學(xué)科和專業(yè)發(fā)展上進(jìn)一步研究機器人工程專業(yè)多學(xué)科交叉融合人才培養(yǎng)模式，能適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展和強國戰(zhàn)略要求。

3.堅持應(yīng)用型人才培養(yǎng)理念的需要

對于機器人工程專業(yè)人才的培養(yǎng)，如哈工大、北航等，主要集中于機器人相關(guān)理論的研究；而對于?？圃盒碚f，其主要研究工業(yè)機器人的操作。南寧學(xué)院是一所應(yīng)用型大學(xué)，其辦學(xué)理念的第一項就是“應(yīng)用型”，因此，學(xué)院要堅持應(yīng)用型人才培養(yǎng)理念，以培養(yǎng)更多的應(yīng)用型機器人工程專業(yè)人才。

4.從管理機制上為人才培養(yǎng)提供保障

基于新工科背景下的多學(xué)科人才培養(yǎng)，不是一個專業(yè)辦學(xué)就能滿足教學(xué)要求，也不是一個學(xué)科就能解決問題，要進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，統(tǒng)一調(diào)度，做好管理機制上的創(chuàng)新，避免多學(xué)科交叉融合人才培養(yǎng)的“無組織”狀態(tài)，通過人才培養(yǎng)的統(tǒng)一組織管理、組織經(jīng)營，將分散的學(xué)科、專業(yè)組合，形成凝聚力，打造一個自上而下、從縱向到橫向、多學(xué)科交叉的機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)團隊。

三、新工科背景下高校機器人工程專業(yè)教學(xué)改革的理論依據(jù)

1.建立矩陣組織和學(xué)科融合任務(wù)驅(qū)動的組織管理機制

矩陣組織和學(xué)科任務(wù)驅(qū)動的組織管理機制是一種新型的組織管理模式，旨在克服傳統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的缺點，提高組織的靈活性和適應(yīng)性。矩陣組織是一種學(xué)術(shù)組織形式，其特點是教學(xué)團隊的成員構(gòu)成橫跨不同的學(xué)科領(lǐng)域，可以更好地促進(jìn)不同學(xué)科之間的交流和協(xié)作。學(xué)科任務(wù)驅(qū)動的組織管理機制則是一種以任務(wù)為導(dǎo)向的組織管理模式，旨在通過任務(wù)的分配和協(xié)調(diào)，提高組織的效率和創(chuàng)新能力。這種管理模式可以更好地適應(yīng)不同學(xué)科領(lǐng)域的需求，提高組織的適應(yīng)性和靈活性。

2.根據(jù)新工科建設(shè)目標(biāo)修訂人才培養(yǎng)方案及課程體系

在新工科建設(shè)背景下，為更好地響應(yīng)時代的需求，相關(guān)高校需要對人才培養(yǎng)方案及課程體系進(jìn)行修訂。當(dāng)前，傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式和課程設(shè)置已經(jīng)無法滿足當(dāng)代工業(yè)和科技的復(fù)雜需求。而新工科注重工程實踐和項目驅(qū)動的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生具備團隊協(xié)作和解決實際問題的能力。因此，高校的人才培養(yǎng)方案要注重實踐性、創(chuàng)新性和跨學(xué)科性，使學(xué)生能夠在跨多個學(xué)科領(lǐng)域的同時形成系統(tǒng)的思維方式。依據(jù)新工科建設(shè)目標(biāo)，高校要將各個學(xué)科的知識融合在一個有機的框架之中，強調(diào)跨學(xué)科的教學(xué)方法，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中能夠理解不同學(xué)科之間的聯(lián)系，培養(yǎng)他們跨越學(xué)科邊界進(jìn)行綜合思考和解決問題的能力。

3.運用運籌學(xué)多目標(biāo)規(guī)劃法優(yōu)化多模塊的課程體系

運籌學(xué)多目標(biāo)規(guī)劃法，可以用于優(yōu)化多模塊的課程體系和教學(xué)內(nèi)容。多目標(biāo)規(guī)劃法是一種優(yōu)化方法，主要是在多個目標(biāo)之間找到最佳平衡點。在課程體系和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化中，高?？梢詫⒉煌哪繕?biāo)設(shè)置為不同的優(yōu)先級，如提高學(xué)生的實踐能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的跨學(xué)科知識融合能力，等等。高校要使用運籌學(xué)多目標(biāo)規(guī)劃法來確定最佳的課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容，以達(dá)到最佳的人才培養(yǎng)效果。具體來說，運籌學(xué)多目標(biāo)規(guī)劃法的基本原理是將多個目標(biāo)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，然后使用數(shù)學(xué)方法來求解最優(yōu)解。在課程體系和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化中，教師可以將不同的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，并使用運籌學(xué)多目標(biāo)規(guī)劃法來確定最佳的課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容，以達(dá)到最佳的人才培養(yǎng)效果。

四、新工科背景下高校機器人工程專業(yè)教學(xué)改革的舉措與方案

1.以矩陣組織和學(xué)科具體任務(wù)驅(qū)動交叉融合為機器人工程專業(yè)的多學(xué)科交叉融合人才培養(yǎng)提供組織保障

高校的學(xué)科組織管理多采用矩陣式的組織結(jié)構(gòu)，矩陣式學(xué)科組織結(jié)構(gòu)是學(xué)科系統(tǒng)與項目系統(tǒng)的有機結(jié)合：縱向為學(xué)科導(dǎo)向，由學(xué)科領(lǐng)導(dǎo)實施管理，符合學(xué)科發(fā)展規(guī)律；橫向為問題導(dǎo)向，按項目領(lǐng)導(dǎo)實行管理，以解決實際問題。專項任務(wù)組織與職能機構(gòu)的關(guān)系錯綜復(fù)雜，導(dǎo)致協(xié)調(diào)困難，專項任務(wù)組織負(fù)責(zé)人的權(quán)責(zé)不相稱，如果沒有有力的支持與合作，會使工作難以順利開展[8]。而學(xué)科具體任務(wù)為導(dǎo)向的機構(gòu)組織則較為松散，這些任務(wù)往往是一次性出現(xiàn)的任務(wù)，不具有重復(fù)出現(xiàn)的特征，由此決定了任務(wù)型組織是“一項任務(wù)，一個組織”的組織現(xiàn)象，無法持續(xù)形成一個組織整體。因此，為了保證機器人工程專業(yè)跨院系、跨學(xué)科、跨專業(yè)交叉融合的人才培養(yǎng)工作的持續(xù)進(jìn)行，高校應(yīng)結(jié)合本?，F(xiàn)有的專業(yè)組織結(jié)構(gòu)，建立以矩陣組織和學(xué)科具體任務(wù)驅(qū)動交叉融合構(gòu)成組織管理模式，以推動應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系建設(shè)的持續(xù)進(jìn)行。

2.制定柔性化、學(xué)科交融及多方協(xié)同育人的新工科人才培養(yǎng)方案

（1）柔性化發(fā)展。高校的人才培養(yǎng)方案要柔性化，要將培養(yǎng)目標(biāo)轉(zhuǎn)向創(chuàng)造性人才，如增設(shè)選修課等，讓學(xué)生根據(jù)自身的興趣和愛好自主選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、仿生學(xué)、生物學(xué)、語言和圖像理解等。高校要減少必修課，擴大選修課比例，開放實驗時間和內(nèi)容，打造多樣的課程和實驗平臺。

（2）多學(xué)科融合。人才培養(yǎng)方案應(yīng)滿足以下要求：通識教育覆蓋人文、數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程技術(shù)等，拓寬學(xué)術(shù)視野，培養(yǎng)學(xué)生文化素養(yǎng)和科學(xué)精神；專業(yè)教育涵蓋新生專業(yè)學(xué)科及相關(guān)領(lǐng)域，強調(diào)交叉、整合和融合，強調(diào)課程的多樣性和替代性，使專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)能在不同教學(xué)環(huán)節(jié)中實現(xiàn)；在選課機制上，鼓勵學(xué)生選擇跨學(xué)科核心課程，以擴大思維空間，提高問題解決能力。

（3）多方協(xié)同育人。機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)因多學(xué)科交叉融合的特點，需要與相關(guān)學(xué)科專業(yè)、行業(yè)產(chǎn)業(yè)、科研機構(gòu)以及可能的國際教育組織等密切合作。這就要求高校的人才培養(yǎng)方案必須融入多方合作，體現(xiàn)多方協(xié)同育人。高校要為院所深度合作提供新平臺，并建立實踐基地，使工程師更常態(tài)化地參與理論與實踐課程，使學(xué)生能夠直接參與企業(yè)實踐項目等[9]。

3.研究并制定機器人工程專業(yè)多學(xué)科交叉融合的人才培養(yǎng)模式

（1）建設(shè)多學(xué)科融合的課程模塊。高校要根據(jù)新工科建設(shè)目標(biāo)對人才培養(yǎng)方案的要求，建設(shè)多學(xué)科融合的課程模塊，成立相應(yīng)學(xué)科課程模塊教學(xué)團隊，開發(fā)機器人工程綜合實踐課程模塊。要以機器人工程綜合實踐課程模塊為主線，以創(chuàng)新實踐教學(xué)平臺為依托，使各學(xué)科課程知識相融合，實現(xiàn)多學(xué)科交叉融合的教學(xué)和實踐模式。

高校要運用運籌學(xué)多目標(biāo)規(guī)劃法，以形成動態(tài)可重構(gòu)的多模塊化教學(xué)體系。新工科教學(xué)理念下，培養(yǎng)新工科人才的課程體系主要包含機、電、控、智四個方面[10]，涵蓋機械原理、電路原理、自動控制原理等多學(xué)科交叉的關(guān)鍵知識與技能，形成了機械、電子、控制及人工智能多模塊課程體系。根據(jù)各模塊的重要性，高校運用運籌學(xué)多目標(biāo)規(guī)劃法分析各模塊的重要性，規(guī)劃好各模塊的教學(xué)內(nèi)容并使之優(yōu)化，能達(dá)到較佳的人才培養(yǎng)效果。

（2）制定多學(xué)科融合課程體系，明確實施途徑。機器人工程專業(yè)多學(xué)科融合課程體系及實施途徑主要通過各學(xué)科模塊課程及實訓(xùn)環(huán)節(jié)進(jìn)行融合，例如，機器人綜合實踐課程模塊包括機器人綜合實踐Ⅰ、機器人綜合實踐Ⅱ、機器人綜合實踐Ⅲ、機器人綜合實踐Ⅳ等課程，分別在第四、第五、第六、第七學(xué)期開設(shè)，其主要目的是將當(dāng)前學(xué)期及以前的各學(xué)科課程知識內(nèi)容進(jìn)行融合，以達(dá)到多學(xué)科融合的目的，并實現(xiàn)機器人專業(yè)綜合能力訓(xùn)練的迭代遞進(jìn)式培養(yǎng)。

（3）構(gòu)建多學(xué)科融合教學(xué)團隊。高校的教學(xué)團隊由多學(xué)科專業(yè)教師構(gòu)成，這些學(xué)科包括機、電、控、計算機、人工智能等多個專業(yè)，不同專業(yè)的教師可講解自己擅長的內(nèi)容，以實現(xiàn)本專業(yè)課程的多學(xué)科融合，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。不同專業(yè)的教師，還可以帶領(lǐng)學(xué)生參加各種學(xué)科競賽，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。總體來看，機器人專業(yè)多學(xué)科融合教學(xué)團隊的建立，能有效解決學(xué)科之間壁壘重重、資源分散封閉等問題。

（4）加強頂層設(shè)計，促進(jìn)機器人工程專業(yè)課程思政整體建構(gòu)。高校要按照“產(chǎn)出導(dǎo)向”理念，著眼人才培養(yǎng)全過程，加強對專業(yè)課程思政的頂層設(shè)計。一是構(gòu)建專業(yè)核心價值體系，緊密圍繞專業(yè)培養(yǎng)方案的畢業(yè)要求和價值教育目標(biāo)，提煉政治素養(yǎng)、家國情懷、專業(yè)使命、職業(yè)操守等專業(yè)核心價值要求，建立專業(yè)課程思政元素庫，形成鮮明的專業(yè)核心價值體系[11]。二是整體設(shè)計各教學(xué)環(huán)節(jié)的育人功能，根據(jù)不同環(huán)節(jié)特性，細(xì)化德智體美勞“五育”要點，將課堂育人與雙創(chuàng)、實驗實踐等有機結(jié)合，提高第一、第二、第三課堂的育人聯(lián)動效果。三是構(gòu)建支撐關(guān)系矩陣，借鑒專業(yè)認(rèn)證模式，按照反向設(shè)計正向?qū)嵤┎呗?，對接專業(yè)核心價值體系和教學(xué)環(huán)節(jié)，建立專業(yè)課程思政支撐矩陣，有重點地確定每門課程、每一環(huán)節(jié)與專業(yè)核心價值的支撐關(guān)系，推動專業(yè)課程思政目標(biāo)與課程支撐體系的深度融合。

五、結(jié)語

綜上所述，建立矩陣組織和學(xué)科融合任務(wù)驅(qū)動的組織管理機制、修訂人才培養(yǎng)方案及課程體系、運用運籌學(xué)多目標(biāo)規(guī)劃法等一系列創(chuàng)新性方案，能為機器人工程專業(yè)構(gòu)建更加靈活、高效的團隊協(xié)作模式，為培養(yǎng)更具創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才提供支持。因此，在國家新工科建設(shè)目標(biāo)的背景下，高校要通過畢業(yè)生、用人單位反饋等環(huán)節(jié)，將反饋信息引入人才培養(yǎng)模式中，以構(gòu)成閉環(huán)的持續(xù)改進(jìn)系統(tǒng)，進(jìn)而培養(yǎng)更多適應(yīng)未來科技發(fā)展的優(yōu)秀人才。

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Research on the Multidisciplinary Integration Talent Training Model of Robot Engineering in Universities under the Background of New Engineering

Huang Shiling1， Wei Haiyan2

（1. Nanning University， Guangxi Province， Nanning 530200， China； 2. Guangxi University， Guangxi Province， Nanning 530004， China）

Abstract： New engineering is an inevitable path to deepen the reform of higher engineering education and improve the quality of talent cultivation. The article analyzes the problems in the teaching of robotics engineering in universities under the background of new engineering， elaborates on the significance of teaching reform in robotics engineering in universities under the background of new engineering， and explores the theoretical basis for teaching reform in robotics engineering in universities under the background of new engineering， It is pointed out that under the background of new engineering disciplines， the teaching reform of robot engineering majors in universities should provide organizational support for the interdisciplinary and integrated talent cultivation of robot engineering majors through matrix organization and subject specific task driven cross integration. A new engineering talent cultivation plan with flexibility， subject integration， and multi-party collaborative education should be customized， and a talent cultivation model for interdisciplinary and integrated robot engineering majors should be studied and formulated.

Key words： universities；new engineering；roboticsengineering； discipline integration； talentcultivation；practicalpersonnel