徐麗明，張 賓，王紅英，劉星星，張凱良

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083)

0 引言

近年來，我國農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)綜合實力快速提升，逐步形成了較為完善的農(nóng)業(yè)裝備工業(yè)體系，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對高端裝備和智能化工程技術的需求，國內(nèi)眾多農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)對高端、創(chuàng)新復合型人才的需求日趨迫切。2015年5月19日，國務院印發(fā)《中國制造2025》，這對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)裝備提出了新挑戰(zhàn)，也亟需新型技術人才。據(jù)相關機構統(tǒng)計，到2025年，農(nóng)業(yè)裝備相關領域人才缺口達50萬人。2019年4月，教育部等相關部門發(fā)布“六卓越一拔尖”計劃2.0，鼓勵發(fā)展“新工科、新農(nóng)科”等，大力推動新型人才的培養(yǎng)。

機器人技術從20世紀50年代開始發(fā)展，是一種集園藝、機械設計、自動控制、圖像處理、專家系統(tǒng)、傳感器和智能控制等多學科、多技術融合的技術。在農(nóng)村勞動力急劇下降、勞動力成本急劇增加的情況下，用“機器代替人”“機器人代替人”是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需要解決的關鍵問題。

本研究以“新工科、新農(nóng)科”為指導思想，依托國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，緊密結合新工科、新農(nóng)科、鄉(xiāng)村振興、智慧農(nóng)業(yè)和精準扶貧等專題，針對研究生課程《生物生產(chǎn)自動化與機器人》，優(yōu)化和提升課程目標和課程體系，細化課程重點和內(nèi)容，提高學生在機器人整體方案設計、機械設計、自動控制和圖像處理技術等方面的專業(yè)技能，提升學生的專業(yè)知識、專業(yè)技能、自學能力和“三農(nóng)”情懷，把握國際前沿技術，夯實專業(yè)知識基礎，構建學生的發(fā)散型科研思維、扎實專業(yè)基礎技術和創(chuàng)新能力，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

1 國內(nèi)外相關機器人課程情況

1.1 國外教學情況

國外大學和研究機構對機器人課程的發(fā)展相對較早，已形成了系統(tǒng)性。如美國卡耐基梅隆大學機器人學院以ROBOTCl平臺為基礎，構成一個覆蓋從小學到大學階段的機器人課程體系；俄勒岡州立大學搭建了TekBots機器人學習平臺；麻省理工大學和美國東北大學都開設了機器人專業(yè)[1]。每年“美國農(nóng)業(yè)與生物工程師學會國際學術年會”(ASABE)的機器人大賽，都吸引許多海內(nèi)外學生參賽。

日本的機器人起源于20世紀60年代，國際機器人展覽會(iREX)，由日本工業(yè)新聞和日本機器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會主辦，目標是“與機器人一起共創(chuàng)未來”。新加坡國立教育學院舉辦的亞太地區(qū)ROBOLAB國際教育會議，研討機器人的教育方式。加拿大多倫多大學、阿爾伯塔大學、西安大略大學和不列顛哥倫比亞理工學院等都開設了機器人專業(yè)。

1.2 國內(nèi)教學情況

我國的清華大學、國防科技大學、南開大學、上海大學、北京郵電大學和北京航空航天大學等建立了機器人課程的教學，主要以授課為主，學校的機器人教學和相關比賽活動相對獨立，但是國內(nèi)涉農(nóng)高校的機器人課程相對較少，需要進一步加強，以適應新形勢對人才的要求。

清華大學開設了機器人技術與應用、智能機器人和太空機器人等課程。北京航空航天大學設有機器人工程專業(yè)。國防科技大學開設了機器人控制課程，組織學生參加相關比賽。東北大學采用DIY推動機器人教育。上海交通大學開設了機器人性能仿真與控制原理、步行機器人機構學課程。哈爾濱工業(yè)大學開設了機器人工程專業(yè)、智能機器人專業(yè)和智能裝備實驗班。南開大學開設了機器人課程[2]。

北京工業(yè)大學開設了機器人學和柔性自動化、智能工程課程。北京郵電大學開設了工業(yè)機器人課程和機器人系統(tǒng)綜合性實驗課。北京郵電大學積極開展機器人理論教學與競賽實踐[3]。中國礦業(yè)大學徐海學院開設了工業(yè)機器人課程，面向問題進行啟發(fā)式教學，開展分層次的項目驅動式教學。浙江大學開設了生物生產(chǎn)機器人課程[4]。安徽理工大學的機器人課程，采用基于三維建模軟件和工程數(shù)學軟件建立虛擬仿真平臺的方法[5]。上海理工大學為研究生開設機器人專業(yè)基礎課程。中南民族大學及部分學院，也開設了相關的機器人課程[6-11]。

我國涉農(nóng)大學中，華南農(nóng)業(yè)大學人工智能學院開設了人工智能專業(yè)；南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)機械化及其自動化專業(yè)，開設了生物生產(chǎn)系統(tǒng)機器人課程、精準農(nóng)業(yè)等課程，其人工智能學院設有人工智能專業(yè)；浙江大學開設了生物生產(chǎn)機器人課程；江蘇大學在農(nóng)業(yè)裝備專業(yè)開設了智能化農(nóng)業(yè)裝備課程。

中國農(nóng)業(yè)大學工學院2000年起開設了機器人基礎、生物生產(chǎn)自動化與機器人、生物生產(chǎn)機器人設計、機器人系列實驗等課程，理論和實驗結合，提高學生的機械設計、編程、圖像處理和動手能力等[12]。

中國農(nóng)業(yè)機械流通協(xié)會、中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會、中國農(nóng)業(yè)機械化協(xié)會、中國農(nóng)業(yè)機械學會和中國農(nóng)業(yè)工程學會，從2017年起，聯(lián)合舉辦了“中國農(nóng)業(yè)機器人大賽”，吸引了國內(nèi)外的高校參加比賽。

2 《生物生產(chǎn)自動化與機器人》課程體系優(yōu)化

新工科建設是應對新經(jīng)濟的挑戰(zhàn)，從服務國家戰(zhàn)略、滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展的高度，在“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的基礎上，引入新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式，改造升級傳統(tǒng)工科專業(yè)，培養(yǎng)新型的工程科技人才。

人類社會由第3次工業(yè)革命的信息時代進入第4次工業(yè)革命的智能化時代，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)也迎來新的發(fā)展需求，中國特色社會主義新時代的農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)技術人才培養(yǎng)也面臨著更高的要求和挑戰(zhàn)。新農(nóng)科人才需要掌握更多智能化時代的知識和新型技術，其培養(yǎng)方式上要求應用更多的電子化技術、信息化技術和科技理論等。

本課程依據(jù)新工科、新農(nóng)科的理念，緊密結合國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，培養(yǎng)新型的創(chuàng)新型人才。

2.1 課程目標

本課程依據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和國家鄉(xiāng)村振興發(fā)展戰(zhàn)略，以“德育為先、能力為重、三全育人”的人才培養(yǎng)理念，以“多學科系統(tǒng)發(fā)展、卓越綜合素養(yǎng)”為核心，培養(yǎng)具有厚實工科基礎理論、瞄準產(chǎn)業(yè)發(fā)展、胸懷世界和情向“三農(nóng)”的拔尖創(chuàng)新人才為目標。

本課程的主要任務是通過課堂教學、作業(yè)錄像、作業(yè)視頻和機器人實驗等環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生掌握生物生產(chǎn)機器人基本原理、世界前沿技術等能力，通過案例剖析，擴寬知識結構，擴寬科研思維，掌握現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)自動化、智能化的創(chuàng)新能力。機器人實驗環(huán)節(jié)，針對問題，學生可以進行機械手/手爪設計、自動控制和圖像處理等模塊的學習，提升專業(yè)技能，鍛煉設計能力、動手能力和團結協(xié)作能力。

2.2 教學內(nèi)容

2.2.1 理論講授

理論講授主要包括3方面的內(nèi)容。①概述。主要講授生物生產(chǎn)系統(tǒng)的概況、機器人定義；教學要求是了解掌握生物生產(chǎn)系統(tǒng)的概念、組成和發(fā)展等。②設施生物生產(chǎn)系統(tǒng)自動化技術和機器人。主要包括智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、環(huán)境自動監(jiān)控技術、水肥一體化自動系統(tǒng)、自動化搬運機器人系統(tǒng)和移栽機器人系統(tǒng)等；教學要求是了解掌握設施生物生產(chǎn)系統(tǒng)自動化技術和機器人。③機器人技術。主要講授機器人的發(fā)展前沿、機器人原理和生產(chǎn)案例剖析。

案例剖析是本課程的重點，主要講授無人駕駛技術、田間管理機器人、采摘機器人、水果自動化分級技術、林果管理機器人和畜牧養(yǎng)殖機器人等。每個案例以“問題引出—方案提出—方案設計—試驗驗證”為思路，著重闡述“如何發(fā)現(xiàn)問題、如何解決問題、實踐驗證”的思維方式，掌握解決問題的專業(yè)技術理論、技術方法、實驗方案設計、試驗驗證和結果分析等。

以臍橙采摘機器人為例，按照“臍橙采摘情況—種植模式農(nóng)藝參數(shù)—人工采摘方式—采摘機器人設計—實驗”的思路，讓學生從生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)問題、設計方案、參數(shù)計算和制作加工，直至解決問題。具體的教學案例如圖1所示。

圖1 臍橙采摘機器人案例剖析Fig.1 Case analysis of navel orange picking robot

2.2.2 實驗操控

結合現(xiàn)有的機器人平臺(圖2)，學生可以自主設計機械手、運動自動控制和圖像處理等模塊，學生自由選擇進行實戰(zhàn)操練，掌握知識技術、三維繪圖、自主編程、圖像算法、試驗設計和試驗數(shù)據(jù)分析等。

圖2 課程實驗教學平臺Fig.2 Teaching platform of course experiment

2.3 實施效果

本課程實施后，學生可以掌握機器人的基本原理，獲得機器人整體設計方案、機械設計思路、自動控制和圖像處理等專業(yè)知識技能，并進行實驗設計，形成發(fā)散式科研思維，掌握機器人前沿技術，提高創(chuàng)新能力，立足服務農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，樹立愛農(nóng)、知農(nóng)和興農(nóng)的理想。

3 結束語

我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，《中國制造2025》戰(zhàn)略的實施，都亟須智能化專業(yè)人才，教育部等相關部門鼓勵培養(yǎng)“新工科、新農(nóng)科”創(chuàng)新型拔尖人才。在此背景下，《生物生產(chǎn)自動化與機器人》課程以“德育為先、能力為重、三全育人”的人才培養(yǎng)理念，以“愛農(nóng)、知農(nóng)、興農(nóng)”的創(chuàng)新型人才為培養(yǎng)目標，優(yōu)化課程目標和知識體系，著重加強學生科研思維、專業(yè)知識和創(chuàng)新能力的訓練，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)新型人才。