地方应用型本科院校机器人工程专业课程体系建设初探

刘源 解芳 周宏胭 范礼鸿 褚慧慧

摘 要：机器人产业发展机遇空前巨大，行业人才需求激增，但与之不匹配的是机器人工程专业为新开设专业，发展尚不成熟，这给地方应用型本科高校培养方案的制订带来了挑战。本文针对课程体系的构建，基于OBE理念，从建设思路、人才培养定位、专业特色凝练等方面分析了制订培养方案时应考虑的问题，并以南阳理工学院为例，对理论课程体系和实践课程体系的构建进行了探讨。

关键词：应用型本科；机器人工程专业；课程体系

随着新一轮产业变革和科技革命，新一代信息技术、新材料、新能源等与机器人深度融合，机器人产业也迎来了跨越式发展。机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造和应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志［1］。近年来，我国机器人产业快速发展，据工信部等三部门联合发布的《制造业人才发展规划指南》预测，到2025年我国高档数控机床和机器人领域人才缺口将达到450万。

面对机器人领域人才的巨大缺口，机器人工程专业应运而生。2016年，国内第一个本科专业在东南大学诞生。截至2022年，国内共有323所高校相继开设机器人工程专业。由于机器人工程专业建设起步较晚，目前尚未有明确的专业建设规范和课程体系。机器人工程专业作为“新工科专业”，最重要的特征是多学科的交叉融合，涵盖机械设计、自动化控制、电子电气、软件编程等。这给专业建设和课程体系设计带来了巨大的挑战。

由于研究型高校和应用型高校的人才培养目标存在客观差异，机器人工程专业的培养方案和课程体系也应该有所区别。研究型高校更加注重培养高端人才的研发能力，课程体系更侧重理论基础和完整的理论构架。而应用型本科高校则侧重培养应用型工程师，强调动手能力，学生需要能综合应用控制工程、机械、电气和软件编程等知识去解决实际工程问题。因此，对于侧重培养学生实践能力的应用型本科院校，如何设计课程体系是整个专业建设的重中之重，因为课程体系是培养人才的重要载体，是实现培养目标的重要抓手。

南阳理工学院于2017年在自动化专业设置工业机器人方向，2019年向教育部提交申请，2020年获批开设机器人工程专业并于同年开始首届招生，目前机器人工程专业处于探索阶段。本文将对南阳理工学院机器人工程专业在前期的探索实践思路进行介绍，并着重阐述基于培养目标的课程体系的建设。

一、总体建设思路

（一）基于OBE理念的反向设计

OBE理念，即成果导向教育或者目标导向教育，是目前主流的教育改革理念。我国于2013年被接纳为《华盛顿协议》签约成员，2016年正式加入《华盛顿协议》，这意味着我国通过认证的工程专业本科学位将得到该协议所有正式成员的承认。OBE理念是工程教育专业认证的三大核心理念之一，专业认证提倡将OBE理念贯穿于整个人才培养的全过程［2］。基于OBE理念的课程体系设计，是提升人才培养质量的重要途径。

OBE理念从需求出发开始进行反向设计，需求是起点，从行业对人才能力的需求出发确定培养目标，根据培养目标确定毕业要求，再由毕业要求确定课程体系，课程体系决定课程目标和教学内容，最后需要教學评价来判定培养目标和“需求”是否达到，最终又回到了“需求”。这样的反向设计的思路给培养目标的最终实现给予了保证。

南阳理工学院机器人工程专业虽然是一个新专业，目前还没有足够的积累去参加专业认证，但是从专业建设初期，就要坚决贯彻OBE理念，提高人才培养质量，向专业认证看齐，为后续进行专业认证打下坚实基础。

（二）广泛深入的市场调研

“需求”是专业全流程建设的起点和终点，如果需求不明晰的话，那么整个专业建设的流程都将出现偏差，所以在制订培养方案之前，必须要经过大量深入的调研，要到机器人产业第一线去深入调研，真正了解行业对于人才的需求，不仅要到技术先进的龙头企业去调研，也要到一些还没有形成规模的初创公司去调查。除了实地调研，还需通过互联网去查找国家对产业的规划政策、措施，以及最新的行业发展报告。另外，开设机器人工程专业的兄弟院校也可以提供有价值的参考经验。当前开设机器人工程专业的高校主要有三类：一是高职院校，该类院校主要侧重于对工业机器人操作和编程能力的培养，而对于基础理论知识没有足够的重视，培养的人才多从事工业机器人的调试、维护保养和编程；二是较早设置机器人方向的研究型高校，比如东南大学、哈尔滨工业大学、浙江大学等。该类院校注重机器人设计开发能力的培养，理论课程体系涵盖机器人学基础知识、控制理论和系统设计理论；三是大部分地方高校最近几年才开设机器人专业，因为成立时间较短，在培养模式和课程体系方面没有相应的积累，处于起步和探索阶段，开设的许多课程尚未形成科学的培养体系，更像是机械、电气、自动化、计算机等学科课程的简单混合。对于这三类院校都要进行调研，结合自身实际情况构建课程体系，取长补短。

（三）永不停歇地持续改进

“持续改进”是专业认证的三大核心理念之一。对于机器人工程专业更要重视持续改进，原因有两点：第一，国内机器人工程专业起步较晚，并没有太多现成的经验可以参考，所以在专业建设的初始阶段，课程体系的建设难免要经历试错的步骤，这个过程中需要根据人才需求和实际培养效果之间的偏差，经过不断的反馈、调整和优化，最终构建较为理想的课程体系。第二，机器人技术本身也处于一个高速发展的阶段，随着人工智能、新能源、新材料等的日新月异，机器人技术也会随之更新。这给机器人工程专业的课程体系建设带来了巨大的挑战，注定部分课程会有较短的生命周期，很可能开上两三年就要进行更新。比如，机器人操作系统ROS，作为开发机器人使用最广的开源工具，当有些院校开始设置ROS 1.0的课程时，ROS 2.0就已经被广泛使用，就需要对课程进行及时更新，这会给任课教师带来不小的压力。基于机器人工程专业的特点，持续改进需要贯穿在课程体系建设的全周期。持续改进，永远在路上。

二、人才培养定位

（一）机器人领域人才需求

行业和用人单位的微观需求，是制定专业人才培养目标的主要依据［3］。机器人可以分为工业机器人、服务机器人和特种机器人三种，根据中国电子学会发布的《中国机器人产业发展报告（2021年）》，2021年全球机器人市场规模达到335.8亿美元，工业机器人、服务机器人、特种机器人市场占比如图1所示。

从图1可以看出，在全球市场中工业机器人市场占比最大，作为智能制造的终端设备，工业机器人扮演着重要的角色。通过对机器人上、中、下游产业链的调研发现，相比于工业机器人上游零部件供应企业和中游本体设计制造企业，下游产业链工业机器人系统集成企业对人才有着更为旺盛的需求。下游系统集成也是机器人商业化、大规模普及的关键［4］。机器人本体产品技術壁垒相对较高，对人才有更高的要求，地方应用型本科院校培养的应届毕业生通常不具备与之匹配的能力。而系统集成的技术壁垒则相对较低，但其市场规模要远远大于本体市场［5］，对人才的能力要求也相对较低，对地方应用型本科高校毕业生来说压力较小。因此，基于上述调研分析，南阳理工学院机器人工程专业将工业机器人系统集成与开发作为人才培养的核心方向。

另外，值得注意的是，服务机器人的全球市场占比逐年提高，2018年为21%，2019年25%，2021年上升到37%。随着无人配送、无人零售、智能接待等需求持续增加，为服务机器人带来了新的发展机遇。服务机器人市场不断扩大，对人才的需求也与日俱增，所以南阳理工学院将服务机器人作为次要培育方向。

综上所述，经过市场调研并结合院校实际情况，南阳理工学院将工业机器人系统集成与开发作为人才培养的核心方向，服务机器人开发作为第二方向。

（二）人才培养层次

人才培养层次的定位也是制定培养目标和构建课程体系的重要因素。需要考虑学校定位和生源层次，来确定人才培养的层次。南阳理工学院定位为应用型本科院校，植根南阳、服务河南、面向全国，以培养高素质应用型人才为己任。对于机器人工程专业而言，所培养人才层次要与传统高职高专院校有所区别。高职高专院校在培养工业机器人使用、操作、编程以及维护上都有一定的积累，有较好的办学基础［6］。作为服务地方的应用型本科院校，不能照搬此类院校的课程体系设置，要提升人才培养的层次。所培养学生不仅要具备操作机器人的技能，还要具备机器人集成开发的能力，要有一定的应用研究能力。

（三）人才培养目标

基于机器人领域人才需求和我校应用型本科的办学定位，专业人才培养目标如下：

围绕工业机器人应用与开发，主要面向工业机器人系统的系统集成、工程设计、开发及应用，培养具有优良品德和执着信念，具备良好的沟通协作、跨专业认知融合和终身学习能力，拥有创新精神、良好的科学素养和高度的社会责任感，具备机器人理论基础、较强机器人工程实践能力，能从事现代机器人相关的工程设计与开发、系统运行与维护，并具有一定管理能力的应用型工程技术人才。

本专业毕业生在毕业5年后，达到以下职业能力：

（1）能够运用多学科知识解决机器人在系统集成中的复杂工程问题，具备在机器人相关领域的组织与管理能力，能成为企业技术或管理骨干。（会做事）

（2）能够和团队进行有效沟通交流，具有团队合作能力。（会共处）

（3）能够跟踪机器人行业国内外发展动态，具有自主学习和终身学习的意识和能力。（会学习）

（4）能够遵守机器人行业的道德规范，履行社会责任。（会做人）

三、课程体系构建

结合目前机器人发展现状、行业人才需求、我院智能制造大背景，以及我院实际师资和生源情况，将课程体系聚焦于以工业机器人系统集成与开发。工业机器人作为智能制造的重要一环，地位重要，但不能孤立存在，而应该作为智能制造的核心单元之一，要和周边的机械系统、传感系统、控制系统、控制软件、电气系统紧密配合，相辅相成，为智能制造服务。因此，机器人工程专业应当瞄准工业机器人在实际使用场景中的集成与开发技术，放在智能制造大背景下进行发展，培养出能在智能制造行业中完成工业机器人系统集成、开发和设计的应用型人才。课程体系分为理论和实践两部分：

（一）理论教学体系

理论课程体系包括通识教育课、数理知识课、专业平台课、专业方向必修课、专业方向选修课等五部分组成，如图2所示。

1.通识教育课

通识教育课包括必修课程和选修课程，必修课包括思想道德与法制、国家安全教育、形势与政策、中国近现代史纲要、马克思主义基本原理、创新创业教育基础、毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论、劳动教育、党史、工程与社会。选修课包括公共艺术教育（美育类）课程、公共选修课程和社会实践活动。选修课程学分须达到10学分。选修课课程是培养学生综合能力、德智体美全面发展的重要手段，为后续为人做事、学习工作提供支撑。

2.数理知识课

数理知识课主要为培养学生基本的科学素养服务，为后续对机器人集成与开发的原理分析能力打下基础，数理分析课也是应用型本科院校区别于高职高专的主要特征。主要包括高等数学、线性代数、大学物理、复变函数与积分变换、概率论与数理统计。

3.专业平台必修课

专业平台必修课包括专业导论与职业发展规划、工程制图、电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、机器人技术基础、工业机器人技术及应用、机械工程基础、智能传感检测技术。学生通过此类课程的学习，掌握机器人的基础知识和基本素质，为后续专业课学习和工程实践提供支撑。

4.专业方向必修课

专业方向必修课包括电机及电力拖动基础、可编程序控制器、机器人视觉技术、工业机器人离线编程与仿真、伺服运动控制技术、PCB电路板设计、ARM微处理器技术、ROS机器人程序设计。经过此类课程的学习，掌握从事工业机器人系统集成与开发所需的专业知识。

5.专业方向选修课

专业方向选修课包括智能制造导论、Python程序设计基础、工业控制网络、先进控制理论、电气控制设计基础、EPLAN电气设计技术、数字信号处理、最优化算法、模式识别与机器学习、高级语言监控技术。专业方向选修课最少修够6学分。

（二）实践课程体系

机器人工程专业作为新工科专业，最大的特点就是多学科交叉融合，培养应用型工程师，强调学生动手能力。因此，实践课必须要给予足够的重视。实践类课程如图3所示。

初步认知阶段的课程是认知实习和工程训练，机器人工程专业的新生通过一周的认知实习对机器人的应用技术有了一个初步的了解，并通过工程训练建立兴趣并培养初步的动手能力，建立工程的概念。基础训练主要是课程实验和基础工程训练，包括电子技术实训、大学物理实验、工程制图实训、模拟电子技术实验和数字电子技术实验，通过基础训练掌握基础的工程技能，为专业训练打下基础。专业实践训练与专业课程同步进行，边学边练，提高学习效率。最后通过综合性的课程设计和学科竞赛对学生的工程实践能力进行强化训练，培养学生解决工程问题的能力，树立自主学习和终身学习的意识，掌握自主学习的方法。

（三）特色课程凝练思考

调研发现，目前大部分院校开设机器人工程专业特色并不明显，因为本专业是学科交叉性很强的专业，有的院校把专业放在机械学院就偏向机械设计，放在自动化学院就偏自动化控制，放在计算机学院就偏向软件［7］。专业特色不能仅凭就近原则，而应该综合考虑人才市场需求和学院实际情况。专业特色依靠特色课程来支撑，特色课程的选择和设置可以从以下两方面来考虑：第一，依托行业背景，如果专业能找到较好的工业背景支持，那么直接与相关优秀企业进行深层次的合作。校企融合、培养方案和课程体系由校企共同建设，专业自然就可能有特色。第二，在机器人产业中寻找被较少关注但又不可或缺的点进行深耕。比如，在工业机器人系统集成中，末端执行器是不可或缺的部分，但调研发现，目前开设机器人末端执行器相关课程的院校相对较少。因此，南阳理工学院机器人工程专业拟将机器人末端执行器作为特色课程来建设。

结语

对于应用型本科高校，培养目标能否实现，能否培养出合格的机器人工程师，最终还是要落实到一门门具体的课程上。因此，课程体系建设至关重要，机器人工程专业开设时间较短，可借鉴经验不多，同时行业技术发展又日新月异，课程体系建设将会是一项长期而艰巨的任务，需要付出巨大的努力。因此，必须坚持OBE理念，以學生为中心，建立反馈机制，持续改进。

参考文献：

［1］十五部门关于印发《“十四五”机器人产业发展规划》的通知.工信部联规〔2021〕206号.http：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/202112/28/content_5664988.htm.

［2］施晓秋.遵循专业认证OBE理念的课程教学设计与实施［J］.高等工程教育研究，2018（5）：154160.

［3］李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念［J］.中国高等教育，2014（17）：710.

［4］宗光华.中国机器人热的反思与前瞻（二）：我国机器人产业前瞻［J］.机器人技术与应用，2019（2）：1419.

［5］朱银龙，马晨波，杨青，等.新工科背景下机器人工程专业人才培养体系建设思考［J］.高教学刊，2021，7（14）：2528+32.

［6］温宏愿，孙松丽，瞿志俊，等.新工科和专业集群视角下机器人工程专业建设研究［J］.职业技术教育，2020，41（14）：3034.

［7］龙迎春，韩竺秦，曾祥锋，等.新工科背景下机器人工程专业人才培养课程体系构建的探索［J］.高教学刊，2021，30（14）：147150+155.

基金项目：智能制造背景下融合OBE理念的研究性教学模式探索与实践（项目编号：2022SYJXLX113）；“机器人工程2021培养方案修订”（项目批准号：470005）

作者简介：刘源（1985— ），男，汉族，河南邓州人，博士研究生，讲师，机器人工程教研室主任，研究方向：机器人控制、多智能体协调控制等。