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新工科建设下的 机器人 专业本科教学建设方案

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1、新工科 专业建设的实验室建设背景

  世界工 程教育的发展与最新潮流显示:工科人 才培养与业态转型方向以及工业未来的发展趋势保持高度一致,日趋复 杂的工程实景将更紧密地嵌入工程教育过程。与世界 工程教育图景恰相契合,我国也 适时提出新工科方向和计划,并被高 等教育领域广泛称为卓越计划2.0阶段。对于我 国工程教育改革或转型而言,新工科 相关工作已经呈现从理念到行动的转变,我们将 密切关注这一发展趋势,并将讨 论适用于新工科实践行动的若干可行路径。本文主要对CDIO转换平台与新业态、新工科 之间的关联性进行剖析;未来亦将会对CDIO模式在 我国的具体实践,及其对 新工科实践方案的借鉴和启发进行更深入探究;在此基础上,尝试发 现我国工程教育改革动向与世界工程教育前沿之间的共演趋势,从而为 面向更广泛领域和区域的工程教育提供中国方案和人才培养贡献。

一、新业态、新工科与新行动

1.新业态提出新要求

随着人工智能、大数据、云计算 等前沿科技逐步取得技术性的突破,以智能 产业牵引的新一轮科技革命和产业革命如火如荼地进行着,未来5-15年是传 统工业化与新型工业化相互交织、相互交替的转换期,是工业 化与信息化相互交织、深度融合的过渡期,也将是 世界经济版图发生深刻变化、区域经 济实力此消彼长的变化期,“三期叠加”为全球 制造业加快发展和转型升级提供了重要的战略机遇,也给世 界高等工程教育转型提供了新机遇、新挑战。

我国经 济发展正处于结构调整、转型升级的攻坚期,以大数据、云计算、物联网 等为核心的新一轮科技和产业革命蓄势待发,工程的“新业态”已初露端倪。未来这种“新业态”将呈现 出颠覆性的新特征(如图1所示),既在工程变革背景下,颠覆性 转变我们对工程制造过程的一般认知,如技术 形态上的数字化、信息化和物联化,规模形态上的分散化、个性化 和定制化以及产业形态上的宏思维、关联性和平台化等;也正在一种“和”谐共生 的理念及文化背景下,颠覆性 转变我们对生产理念与服务理念的认知,如政治 形态上的多域互动、广泛协 作以及人文形态上的同理心和关爱服务。工程教 育与产业发展联系紧密、互相支撑,新业态 的发展依靠工程教育提供人才支撑,做好工 程教育的主动布局和深化改革,必将对 经济转型升级起到推进作用;反之则 会迟滞产业升级进程。




图1 工程“新业态”SPITH特征

面向未 来技术和产业发展的新趋势和新需求,世界高 等工程教育面临着新机遇、新挑战,我国高 等工程教育的改革发展也已经站在新的历史起点,但就目前来看,我国工 程教育还面临着很多问题,比如工科教育理科化,工程人 才综合实践能力缺乏,工科教 育的核心能力定位不明确,所学知 识技能与社会发展和产业需求不完全契合等,人才培 养瓶颈对我国未来工业的发展和综合国力的提升形成了巨大阻碍[3]。可以预见,在未来二十年里,技术与 产业变革趋势下的工程“新业态”,将给我 国工程科技人才培养带来新要求,我国教 育部恰逢其时地提出了“新工科”计划,这是基 于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、人才全 面能力培养新要求而提出的我国工程教育改革方向。

自2016年以来,基于“新工科”视角的 工程教育讨论逐渐热烈起来。“新工科”倡议是 我国工程教育对“互联网+”、“中国制造2025”、“一带一路”等国家 重大战略的积极响应,主要解 决国家和产业的重大需求与科技的重大需求问题[4]。随着讨论的深入,逐步形成了“复旦共识”、“天大行动”、“北京指南”等纲领性文件,为下一 步的工程教育创新指明了方向,较好地 应对了当前我国工程教育环境的变化。

2.新工科引发新思考

新工科概念产生伊始,其内涵 阐释和范式变革主题首先成为重点关注内容。首先,针对新 工科内涵的探讨:一方面,基于工 科动态发展视角,有学者 提出工程教育一直处于不断发展状态,“新工科”不仅要 关注新技术下的新产业和新专业建设问题,更应该 关注传统产业和老专业的升级转型问题;另一方面,基于人才需求视角,学者们 提出新工科源于新产业、新社会 形态萌发的新需求,未来人 才类型的需求非常广泛,更加强调不同领域、不同层次、不同能力的人才“新工科”应当覆 盖从新兴到传统工业全方面、从大型 跨国集团到中小微企业的生产活动全领域的人才需求。其次,针对新 工科发展范式的探讨:学者们认为,当前工 程教育依然深受科学范式与技术范式的影响,应当回到以实践、设计及 综合为核心的轨道上来,从而体 现工程教育的工程主体性,从学者 们的具体研究来看,虽然表述不同,但可以 发现关键词涉及“融合”、“创新”、“共享”、“融合”]、“集成”、“创新”、“共享”、“智能”等,与新业态、人才培 养能力新要求等研究进行综合分析,我们提出:新工科 内涵要进一步强调“前沿技术引领性”、“学科间交融性”、“知识体系多样性”、“人才培养创新性”等。从技术 进步和产业发展角度分析,市场需 求推动了新工科范式呈现出“适应性强、创新程度高、融合程度深”三项主要特点(如图2所示),这对于 新工科的人才培养和能力框架构建具有重要指导意义。


 

图2 新工科范式特征分析

工程人 才能力框架的建构需要以工程人才培养目标为依据,而人才 培养目标又要以产业和社会需求为导向,培养能够适应、甚至引 领未来工程需求的人才[19]。王巨宏等(2017)提出在 互联网时代的新经济下,产业正在快速融合,需要构 建课内学习和课外实践相结合的体系,以培养 适应产业发展的专业技术型人才,构建以氛围营造、人才孵 化和成就项目为核心的“互联网+”跨界复合型人才,构建以 真实问题为导向的体系来培养引领产业发展的基础研究型人才。对不同 类型的人才培养关键内容是要清晰明确工科人才的能力构成:即“专”与“通”两方面的能力。“专”是指专业方面的能力,由于未 来社会具体产业、技术类型等的不同,对新工 科的人才需求不同,这也要 求为满足未来新经济和新产业发展要求,需要培 养不同专业能力的新工科人才,建立更加个性化、专业化 能力的工程教育培养模式;而“通”是指其 他相关方面的知识和能力,专业能力是敲门砖,但同时 也要求人才能够应对复杂多样的社会环境和实际问题,而这仅 仅拥有专业能力是不足够的,也需要具备多样化、融合性能力。有研究 者指出人才培养的新模式应该着重培养新工科人才工程创新能力和适应变化能力,通过建 立更加多样化和个性化的工程教育培养模式培养学生创新创业和跨界整合能力。

结合已有研究,立足新业态需求,我们提 出应从个人能力、团队能 力和全局意识三个维度重构面向未来的新工科人才能力框架。具体来说,个人能 力指的是个体所具备的知识、技能和素养,包括知 识的学习与应用能力,思维判断与分析能力,工程设计与实践能力,创造创新能力[26][27]等;团队能 力指的是个体在团队中与他人合作工作时所表现出的能力,包括表达与交流能力,团队合作能力,情绪控 制和管理能力等,全局意 识包括跨学科思维能力、跨界整合能力、全球视野、领导力,系统性思考能力等(如图3所示)。

   专业基础

国家示范(骨干)院校建设中,一大批 院校已经在机器人专业建设、课程建设、实训基地建设、社会服 务建设等方面取得了较大成果,但示范 校的建设成果仍存在普适性不强、固化不充分等问题。由于各 区域行业发展状况相似,所以在 区域内专业建设优势学校具有整合、推广其 建设成果价值的义务,建成一个国家水平、满足多 样性需求的开放共享型专业教学资源库,将带动 全国高等院校相关专业教学模式和教学方法改革,提升专业建设水平,全面提 升高校教育人才培养质量和社会服务能力,使专业教师、高等院 校在校生能享受高质量的专业资源并从中受益。

在该项目的建设中,联合固 高科技等知名运动控制、智能控制、工业机器人企业,从实训基地建设、课程开发、实训项目确立和实施、实习管 理模式等共同建设,实现学 校培养人才与企业无缝对接,满足企生产需要,降低企业成本,实现共赢,为院校 发展提供可持续动力。

同时,开设机器人专业、建设机 器人实训基地为适应目前高素质、复合型 人才培养的需要,通过教学、实操训 练可以为企业培养大量自动化高层次人才,避免将 来人才缺乏的问题。同时把实验室建设成实验教学体系合理、开放共享、特色鲜明、培养高 素质人才的重要平台,达到全 国有较高知名度的一流水平机器人实验教学示范中心。

2 、机器人 专业技术实验室建设目标

机器人 实验室项目建设目标是:面向智能机器人。工业机器人、服务机器人、特种机 器人等多领域的不同类型方向的制造企业、系统集成商、应用企 业的技术服务岗位需求,培养身心健康,能够掌 握必备的机器人技术和智能控制技术基础理论,能掌握控制方法、机器人应用知识,锻炼学生动手能力,主要机 器人现场应用技术,机器人 机电元器件认知与选型、 视觉应用、机器人编程操作实训、机器人 设备设计及制造、机器人 故障诊断与维护、机器人 本体认知与零件测绘、机器人安装与调试、工业现场总线、系统联调等技术学习。

将综合 型实验中心打造成为国内领先的面向“新工科建设”的工程 技术技能人才教育合作平台,促进机械类、电气类、自动化类、信息类、机器人 类的多类别专业群的转型升级,带动人 才培养模式改革和教学模式转变、课程体 系优化和师资队伍建设,全面增 强专业服务产业发展的能力;面向全校开放,成为全 校共享的新技术、新创意 聚集地和创新平台,为在校 学生提供一个安全、开放和 先进的工程训练环境,促进多 专业融合的创新型、复合型 技术技能人才培养;面向社会开放,成为具 有国际领先水平、国内示 范作用的工业技术展示、交流、教学、培训中心,面向全 省工程人才培养的标杆性行业公共实训中心,最大化 利用教育教学资源。

3、 开展校企合作

3.1校企合 作共育人才建设

固高科 技将与贵校共同探索校企人才共育运行机制,如图所示,制订《培养实施细则》等文件。调研本 地区企业提供人才需求信息,学院与 相关企业开展订单培养,学院、设备提 供企业和应用企业三方共同制定人才培养方案、开发专业课程、进行教学评价。

3.2校企合作机制

n  合作理念:以学科/专业建设为核心,以师资培养为关键,以培养 学生核心职业能力为目标、以校企合作为纽带,建立紧 密型的互利共赢的校企合作创新模式。

n  合作架构:师资培训基地、建立企业工作站、联合实验室、实训实践基地。

n  具体措施:

O  邀请国 内知名机器人专家至我院进行机器人相关技术交流,举办专 业发展前瞻性讲座;

O  协助学 院制定人才培养方案、课程大纲、教学计划等;

O  以项目为依托,接纳教 师与优秀学生进驻合作公司全程参与产品设计制造过程及培训实践;

O  定期派 教师进驻合作企业进修,优秀学 生企业实习或推荐就业。

机器人 实训中心建设有周期性、阶段性 和持续性等特点,经过教 学过程的实践及反馈,会有一 个完善和调整的阶段,固高科 技愿与院校共同打造整体化的实训中心,将其打 造成全国高等院校工业机器人专业最具先进性和实用性的教学基地。基地的 建设除硬件外还需要注入更多的内涵事件才能体现出特色与亮点,固高科 技愿以学校教学为基础,深度实 施开展校企合作:

1、成立研发中心:固高科 技愿与学校深入合作,成立校 内研发中心和企业研发基地联合开发工业机器人有关教学资源,在学校内设立研究站,将任务 课题与学校老师共同进行开发,并共享产生的成果,双方互挂“校内研发中心”及“校外实习基地”牌匾,以便更 加深入的进行科研及高等教育技术领域的合作。

2、深度开 展校企合作教材开发和师资培训:我公司 持续进行工业机器人及机电一体化教材的开发,研发多套符合教育部“教学做”一体化 的学生工作页及教材,并通过校企合作,进行工 业机器人应用与维护类课程教材开发,将来还 会持续开发综合及创新层面的全国高等院校适用的配套教材。固高科 技愿同学校深度合作,共同编 制工业机器人新专业未开发的教材及学校资料。同时通过“双师”模式进行师资培训。

3、建设创新创业中心::通过校企合作,建设以 某个技术能力综合强的老师或企业专家命名的大师实验实训室,职能如下:

o   管理创新创业中心;

o   带动学 生创新创业成果孵化;

o   带办高 技能人才的专项培训班;

o   承接真 实的企业自动化生产线改造及建设项目;

o   承接市、省、部及课题;

o   承载示 范校典型案例的实施,输出宣传成果;

o   校际间 交流及研讨活动管理;

o    

3.3师资队伍建设

以机器人为平台,落实师资队伍建设, 通过企业实践、项目研发、进修,聘请企 业专业技术人才、能工巧 匠和管理人员担任兼职教师等措施,构建一 支以专业带头人为引领、专业骨干教师为核心、专兼职 教师相结合的双师结构教学团队。

具体培养措施:企业兼职、参与重点项目建设,主持“生产线项目”建设,主持合 作产品及技术研发,参加国内学术研讨,派送进修,主持制 定本专业人才培养方案、规划专业与课程建设。

培养双 师素质骨干教师:通过培养,骨干教 师能够主持专业核心课程建设、主持院级及以上课题,在教育 教学改革中起骨干作用。具体参 加企业新技术培训,参加技师培训,分批进修学习,参与专业建设,承担课程建设、教材的编写、指导毕业设计、对外技术培训任务,参加应用性科研项目、技术服务。



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