劉新玉，彭緩緩，平燕娜，王東云

（黃淮學(xué)院智能制造學(xué)院 河南 駐馬店 463000）

機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量與機器人研發(fā)、制造、應(yīng)用水平息息相關(guān)，更是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造能力的重要標(biāo)志[1]。而作為人才培養(yǎng)的重要抓手之一，機器人工程專業(yè)建設(shè)對于人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。課程體系構(gòu)建作為專業(yè)建設(shè)的核心內(nèi)容，直接影響著人才培養(yǎng)的質(zhì)量，對于支撐機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

機器人工程是典型的新生工科專業(yè)，盡管在專業(yè)類別上被劃分為自動化類，但是卻具有集機械、電氣、電子、控制、計算機、數(shù)理、設(shè)計等于一體的前沿交叉學(xué)科特征[2]。因此如何構(gòu)建機器人工程專業(yè)課程體系，不同層次級別的院校都有著不同的思路，提出了不同的人才培養(yǎng)構(gòu)想。以東南大學(xué)、北京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等為代表的“雙一流”院校更多是對原有優(yōu)勢學(xué)科的進(jìn)一步傾斜或加強，體現(xiàn)了“新的工程學(xué)科”定位，表現(xiàn)出課程體系建設(shè)的多元化取向[3]；以北京信息科技大學(xué)、安徽工程大學(xué)、黃淮學(xué)院等為代表的地方普通本科高校核心課程體系差別不大，都是以自動化類的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課為核心，輔以機器人編程、機器人控制等傳統(tǒng)機械類課程，帶有明顯的機器人技術(shù)應(yīng)用的傾向性[4]。此外，高職高專院校的機器人工程專業(yè)主要是指工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)，顧名思義，其是以工業(yè)機器人為對象，培養(yǎng)工業(yè)機器人應(yīng)用型人才。因此，課程體系的構(gòu)建以應(yīng)用為主，對理論知識深度要求不高，傾向于滿足地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展特殊需求的建設(shè)特點[5]。

自2016年機器人工程專業(yè)獲批招生以來，至今全國已有三百余所本科高校開設(shè)了該專業(yè)。隨著專業(yè)數(shù)量的激增，如何構(gòu)建專業(yè)課程體系已擺在突出位置、迫在眉睫，但目前缺乏相應(yīng)的理論指導(dǎo)和成熟的實踐參考。本文提出了“統(tǒng)一基礎(chǔ)課程輔以特色專業(yè)課程”的設(shè)置思路，首先系統(tǒng)分析了機器人工程專業(yè)所需知識元素，確定獲取這些知識所要學(xué)習(xí)的課程，依此從通識課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)方向課程三個方面闡述了機器人工程專業(yè)的核心課程體系，最后展望了機器人工程專業(yè)課程體系建設(shè)的愿景，以期能夠為相關(guān)院校機器人工程專業(yè)課程體系的建設(shè)提供參考和借鑒。

1 機器人工程專業(yè)所需知識元素

知識體系和課程內(nèi)容是機器人工程專業(yè)課程體系構(gòu)建的內(nèi)涵所在[6]。但是如何將知識體系與課程內(nèi)容結(jié)合起來，通過課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)來獲取專業(yè)技術(shù)知識是專業(yè)課程體系構(gòu)建的難點。為了探討機器人工程專業(yè)所需知識元素，我們從機器人制作進(jìn)行論述。無論是工業(yè)機器人還是服務(wù)機器人、特種機器人等，其核心結(jié)構(gòu)基本是一致的，即包含硬件和軟件兩部分。硬件部分主要承擔(dān)機器人外形結(jié)構(gòu)和支撐程序運行的硬件電路；軟件部分則主要指控制機器人運動的各種算法和程序。為了科學(xué)合理地構(gòu)建機器人工程專業(yè)課程體系，分析機器人制作所需知識元素是十分必要的。

對于機器人而言，硬件主要包含機械本體和硬件電路兩大部分，機械本體主要支撐了機器人的機械骨架和外形，決定了機器人的用途和主要功能；硬件電路主要是和控制程序或控制系統(tǒng)相配合，以實現(xiàn)機器人的運動控制。硬件電路包含圍繞單片機搭建的底層控制硬件和圍繞微型電腦搭建的ROS（robot operating system）層硬件兩部分。底層控制硬件主要用于基本的硬件電路控制，而ROS層控制硬件則主要與一些傳感器搭配用于機器人智能的實現(xiàn)，比如路徑規(guī)劃、機器視覺等。機器人軟件部分則主要包含與單片機結(jié)合的底層控制程序和與微型電腦結(jié)合的ROS層智能控制算法兩部分。底層控制程序用于實現(xiàn)機器人的方向、速度等基本運動的控制；ROS層控制程序則實現(xiàn)導(dǎo)航、視覺等智能功能的實現(xiàn)。

在知識元素上，機器人機械本體的設(shè)計和制作方面需要工程制圖、機械設(shè)計和機械加工等方面的知識，在具體實施上包括三維設(shè)計軟件使用、3D打印、機械加工等內(nèi)容；機器人硬件電路方面需要電路工作原理、電路設(shè)計、電動機的驅(qū)動、單片機、微機原理、傳感器等方面的知識；機器人軟件控制程序方面需要程序的編寫、系統(tǒng)的控制、傳感器的使用、信息通訊等方面的知識。因此，如何讓學(xué)生在有限的課程教學(xué)中學(xué)到盡可能多的相關(guān)知識是課程體系構(gòu)建的初衷和目的所在。

2 機器人工程專業(yè)課程體系構(gòu)建

機器人工程專業(yè)屬于自動化類，為國家特設(shè)專業(yè)。盡管不同高校在課程設(shè)置和課程名稱上有所不同，但是課程的內(nèi)容其實大同小異，比如常設(shè)置的機器人工程專業(yè)課程包括“程序設(shè)計基礎(chǔ)”“電路”“電子技術(shù)基礎(chǔ)”“自動控制原理”“微機原理與接口技術(shù)”“單片機原理及應(yīng)用”“PLC原理及應(yīng)用”“機器人仿真與編程”等[7]。但是這些課程設(shè)置的初衷及其存在的價值卻鮮有報道。因此，文章結(jié)合機器人工程專業(yè)所需知識元素提出了“統(tǒng)一基礎(chǔ)課程輔以特色專業(yè)課程”的設(shè)置思路，下面從通識課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)方向課程三個方面進(jìn)行論述。

2.1 通識課程

通識課程主要是培養(yǎng)學(xué)生的人文素養(yǎng)、社會責(zé)任、創(chuàng)新精神以及邏輯思維能力等基本素質(zhì)，對于學(xué)校內(nèi)大部分專業(yè)基本都是一致的，而且課程也多安排在大一和大二學(xué)期。從內(nèi)容上看，通識課程主要包括思想政治、軍事理論、語言技能、體育教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、數(shù)學(xué)物理等模塊，課程設(shè)置比較成熟和固定。

2.2 專業(yè)基礎(chǔ)課程

與通識課程不同，專業(yè)基礎(chǔ)課程則體現(xiàn)了很強的學(xué)科特點，對于機器人工程專業(yè)來說，專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)知識元素有著很密切的聯(lián)系，也即是“統(tǒng)一基礎(chǔ)課程”，如圖1所示。從知識元素上看，機械本體需要根據(jù)機器人的功能進(jìn)行設(shè)計和制作，因此“工程制圖”“機械設(shè)計基礎(chǔ)”“機械三維實體設(shè)計”“機械加工”等課程進(jìn)行支撐。其中“工程制圖”和“機械設(shè)計基礎(chǔ)”可以讓學(xué)生了解圖樣繪制和機械設(shè)計的基礎(chǔ)，包括工作原理、結(jié)構(gòu)特點、運動與傳力特性、運動方案設(shè)計等等；“機械三維實體設(shè)計”教授學(xué)生根據(jù)機器人功能設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理、尺寸合適、原理正確、便于加工的確切圖樣；“機械加工”則教授機械制作相關(guān)知識，包括傳統(tǒng)的減材制造和新興的增材制造等[8]，可以是一門課程也可以是一系列課程，比如金工實訓(xùn)、3D打印等。

在機器人硬件電路方面，為了獲得電路設(shè)計、制作、調(diào)試等方面的知識，則需要學(xué)習(xí)“電路分析與電工技術(shù)”“電子技術(shù)基礎(chǔ)”“電力電子技術(shù)”“單片機原理與應(yīng)用”“微機原理與接口技術(shù)”等課程。其中“電路分析與電工技術(shù)”“電子技術(shù)”和“電力電子技術(shù)”是一系列課程，主要教授學(xué)生掌握電子方面的基礎(chǔ)知識和基本分析方法；“單片機原理與應(yīng)用”是在上述三門課的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地講述單片機基本原理和應(yīng)用技術(shù)，是設(shè)計底層硬件電路的必修課程；“微機原理與接口技術(shù)”主要講授微型電腦的工作原理與接口應(yīng)用技術(shù)，是設(shè)計上層硬件電路的必修課程。

在機器人軟件系統(tǒng)方面，主要涉及控制程序的編寫和自動控制算法等知識，主要包括“程序設(shè)計基礎(chǔ)”“自動控制原理”“機器人程序設(shè)計”“現(xiàn)代傳感與檢測技術(shù)”“電機拖動與運動控制”等課程，也可以根據(jù)實際情況進(jìn)行縮減。其中“程序設(shè)計基礎(chǔ)”和“機器人程序設(shè)計”主要學(xué)習(xí)底層控制的C/C++語言和上層智能控制的Python語言的程序編寫思路和方法；“自動控制原理”“電機拖動與運動控制”等主要學(xué)習(xí)如何讓機器人穩(wěn)定可靠運行，對于機器人運動控制至關(guān)重要；“現(xiàn)代傳感與檢測技術(shù)”則主要學(xué)習(xí)傳感器的相關(guān)知識，是實現(xiàn)機器人自主運動的基礎(chǔ)。

上述這些課程屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，對于絕大部分高校都是專業(yè)必修課，高校之間的差異較小。

2.3 專業(yè)方向課程

如果說上述機器人工程專業(yè)基礎(chǔ)課程使學(xué)生基本了解機器人相關(guān)知識的話，那么機器人工程專業(yè)課程則是以就業(yè)為導(dǎo)向的分類人才培養(yǎng)體系[9]，不同高校就會結(jié)合自身的學(xué)科優(yōu)勢進(jìn)行設(shè)置了。總的來說，機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方向可以分為四個，即機器人控制、機器人運維、機器人制造和機器人研發(fā)等，如圖2所示。其中機器人控制方向以（工業(yè)）機器人系統(tǒng)操作員為培養(yǎng)目標(biāo)，主要從事機器人裝配、編程、調(diào)試、工藝參數(shù)更改、工裝夾具更換及其他輔助作業(yè)；機器人運維方向以（工業(yè)）機器人系統(tǒng)運維員為培養(yǎng)目標(biāo)，主要從事數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、故障分析與診斷、維修及預(yù)防性維護(hù)與保養(yǎng)作業(yè)；機器人制造方向以機器人高級工程師為培養(yǎng)目標(biāo)，包括機器人機械工程師、機器人硬件工程師、機器人嵌入式軟件工程師等，主要從事機器人制造、研制等工作；機器人研發(fā)方向以研究生等更高學(xué)歷的進(jìn)一步深造為培養(yǎng)目標(biāo)，主要從事機器人相關(guān)的研發(fā)工作。

對于機器人工程專業(yè)課程可以采用“基礎(chǔ)—專業(yè)—實踐”三級課程體系，比如機器人控制方向，“PLC原理與應(yīng)用”為基礎(chǔ)課程，“機器人控制系統(tǒng)”“機器人視覺與傳感技術(shù)”“機器人仿真與編程”為專業(yè)課程，“機器人控制綜合實踐”為實踐課程，其他方向支撐課程如圖2所示，此處不再一一贅述。培養(yǎng)方向不同，培養(yǎng)目標(biāo)不同，其支撐課程也不同，因此不同院校應(yīng)根據(jù)學(xué)校自身的學(xué)科優(yōu)勢和專業(yè)定位設(shè)置合適的人才培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建相應(yīng)的支撐課程體系，即“特色專業(yè)課程”設(shè)置思路。

3 機器人工程專業(yè)課程建設(shè)愿景

機器人工程屬于新工科專業(yè)中的新生工科專業(yè)，多學(xué)科交叉融合是其最典型的特征。作為人才培養(yǎng)的主要載體和專業(yè)知識內(nèi)涵的主要體現(xiàn)，專業(yè)建設(shè)關(guān)系到人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)和專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的落實。為了打造融理論教學(xué)、工程實踐、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為一體的新工科人才培養(yǎng)體系，我們認(rèn)為機器人工程專業(yè)課程建設(shè)思路大致可以概括為以下三點：

3.1 突破學(xué)科壁壘，構(gòu)建交叉課程體系

機器人工程專業(yè)是具有典型交叉融合特點的新工科專業(yè)，與控制、機械、電子、計算機等學(xué)科都具有緊密的聯(lián)系。而機器人工程專業(yè)成立較晚，各高校對于其核心課程體系的構(gòu)建還處于探索階段，摸著石頭過河，因此如何在短期內(nèi)構(gòu)建機器人工程課程體系也是各個高校急需解決的問題。機器人工程專業(yè)課程體系構(gòu)建中應(yīng)破除不同學(xué)科門類之間的壁壘，根據(jù)不同層次學(xué)校自身的特點，構(gòu)建適合自身學(xué)科特色的交叉課程體系，也更符合新工科專業(yè)的定位。

3.2 緊跟產(chǎn)業(yè)需求，深度融合教學(xué)產(chǎn)研

符合社會發(fā)展和產(chǎn)業(yè)需求是一個專業(yè)存在的前提和基礎(chǔ)，作為新工科專業(yè)的機器人工程專業(yè)也不例外。因此在課程體系構(gòu)建時，更應(yīng)主動對接并積極迎合機器人產(chǎn)業(yè)對人才多樣化、個性化和動態(tài)化的需求，逐步完善核心課程體系。以教學(xué)為抓手、以學(xué)生為中心、以產(chǎn)業(yè)為導(dǎo)向、以科研為催化劑，將教學(xué)產(chǎn)研深度融合，打造能夠服務(wù)國家戰(zhàn)略需求以及新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展、具有較強工程能力的新工科專業(yè)人才。

3.3 結(jié)合數(shù)字技術(shù)，優(yōu)化創(chuàng)新實踐體系

新工科專業(yè)對人才的工程實踐能力提出了更高的要求，而作為工程實踐的核心設(shè)備，機器人價格昂貴、教學(xué)設(shè)備維護(hù)成本且危險系數(shù)高，數(shù)量也難以滿足教學(xué)需求。因此，在課程體系構(gòu)建時應(yīng)該更多地結(jié)合數(shù)字技術(shù)，通過數(shù)字技術(shù)的引入來解決高校資金短缺、教學(xué)資源分配不均的窘狀，讓每個學(xué)生都能控制與真實機器人無差的虛擬機器人，并避免學(xué)生因誤操作而損壞昂貴的設(shè)備。以虛擬仿真練習(xí)為主、結(jié)合少量真實設(shè)備實踐強化是將來一段時間內(nèi)機器人工程專業(yè)的主流趨勢。因此在機器人工程課程體系構(gòu)建時應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，優(yōu)化創(chuàng)新實踐體系。

4 結(jié)論

機器人工程作為新工科中的新興工科專業(yè)[10]，其課程體系的構(gòu)建還存在很大的研究和探索空間。本文提出了“統(tǒng)一基礎(chǔ)課程輔以特色專業(yè)課程”的設(shè)置思路。即在機器人工程專業(yè)所需知識元素基礎(chǔ)上構(gòu)建機器人工程專業(yè)基礎(chǔ)課程體系，然后根據(jù)高校自身的學(xué)科優(yōu)勢和專業(yè)定位設(shè)置專業(yè)課程體系，以培養(yǎng)出適應(yīng)社會不同需求的專業(yè)技術(shù)人才，實現(xiàn)分層次、分工種、分技能的培養(yǎng)愿景。但機器人工程專業(yè)課程體系構(gòu)建目前還需要更長時間的探索與實踐。上述觀點僅僅是個人的一些拙見，希望能夠引起更多同行的思考。