基于多维支点及目标牵引的机器人工程专业实践能力提升途径研究

摘  要：该文针对机器人工程专业学生的实践能力提升任务以及目前存在的问题，设计形成“三支点一牵引”的学生实践能力提升途径。首先，提出以科创竞赛为支点、以产业实践为支点、以科研案例理论教学为支点，构建机器人工程方向学生实践能力提升途径的下层平台基础。其次，以就业需求为牵引，制定学生能力培养目标，构建机器人工程专业学生实践能力提升途径的上层高度基础，为机器人领域培养应用型人才，提升机器人工程专业学生的综合实践能力，并在未来机器人领域快速发挥高水平能力，同时为其他工科专业提供实践能力提升途径探索经验。

关键词：机器人工程;实践能力;多维支点;目标牵引;人才培养

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）04-0164-05

Abstract： Aiming at improving the ability of applied robot engineering professionals and solving the current problems， "three fulcrum and one traction" approach is designed to improve students' practical ability. First of all， it is proposed that innovation competition， industrial practice， and scientific research case theory teaching as the fulcrums， so as to build the lower platform foundation of the way to improve the practical ability of graduate students in robotics direction. Second， the goal of the ability cultivation driven by employment demand is built as the upper level foundation， which improves the practical ability of students majoring in robotics engineering. Therefore， the cultivate applied talents in the field of robotics is trained， and the comprehensive practical ability of graduate students in the field of robotics is improved. A high-level ability in the field of future robotics is quickly played， which provides the experience for other engineering majors in exploring ways of improving practical ability.

Keywords： robot engineering; practical ability; multi-dimensional fulcrum; target traction; personnel training

机器人具备适应各类复杂工作环境的特殊能力，通过提高工作效率可以进一步降低企业的生产成本，机器人对于推动中国制造业向制造业强国转变具有积极的推动意义，随着机器人技术的不断发展，尤其是智能机器人的出现，其融合了机械装置、电子器件、智能控制、智能传感器、计算机系统和人工智能等先进技术，因此我国对机器人工程专业人才的需求也呈现出迅猛增长的态势。当前机器人工程技术等岗位人才稀缺，机器人行业产业链、价值链正在快速融合，教育部门也在侧重培养综合型人才，鼓励校企联合开展产学合作协同育人项目[1]，自国务院印发《中国制造2025》行动纲领后，机器人技术已成为推进我国制造业强国战略的重要支点。

近些年，很多高校均设立机器人工程专业或类似专业，并且较多学生选择机器人工程专业开展学术研究工作，例如以机械臂控制、机器视觉、移动机器人路径规划、机器人手眼系统感知与控制等，在这个时机下，我们可以在现代教育改革目标的引导下，进一步探索创新的教学发展模式，为机器人工程专业本科生和研究生打造更加适合他们发展的良好机遇，培养学生的专业技能和创新能力[2]。由于新兴机器人工程技术不断涌现，该研究方向新的经验积累并不多，依然存在一些人才培养方面的问题，例如传统专业知识体系和教学内容较为陈旧，机器人工程实践较少或者不够新颖，教师多以理论讲解和公式推导为主，缺少机器人工程专业领域实际应用案例，导致学生缺乏解决科研项目中实际问题的能力。

针对机器人工程领域人才培养目标，美国高校重视基于问题的学习和案例教学研究[3]，对于工科的学习，不是开始于教师讲解基本原理和概念，相反，往往是以具体的实际问题为着眼点，有时候教师开始讲解的问题并未有很好的定义和概念，学生需通过自己或多人组成的团队来查询和整理相关数据资料，进而分析问题并形成问题的解决方案[4]。另外，美国高校在机器人相关专业授课任务中，重视以科研案例为基础的学习，详细来讲就是以一个具体的实际科研问题为出发点，经过数据分析、案例解析及撰写报告，进而获得问题的解决方案，在该过程中开展问题分析工作，最终构建理论分析与现实问题的联系。

同样地，德国在培养实践型人才方面也有独到之处[5]，强调将所学知识应用于问题的分析和解决过程中。在教学过程中，他们引入外部实习案例和行业应用案例，使学生理解具体案例中信息收集、分析、组织和解决问题的过程。在课堂上，鼓励学生进行自由发言和辩论[6]，培养他们独立分析和解决问题的能力，并表达自己的观点和意见。日本是全球机器人教育和推广水平最高的国家之一。在日本，大学不仅提供高水平的机器人研究和教学内容，还每年举办各种不同级别的机器人设计和制作竞赛[7]。这些竞赛培养了大量机器人技术研究和应用人才，使日本的机器人技术居于世界领先地位。全球范围内，为了推动机器人技术的发展和培养学生的创新能力，许多著名大学也纷纷开展以学生发展为目标的机器人实践活动。

目前，世界知名高校在机器人工程专业人才培养方面，很少综合考虑科创竞赛、产业实践、引入科研案例的理论教学、未来就业能力需求等因素[8-10]，本项目将综合考虑以上因素，着重培养机器人工程方向学生应用型实践能力。本文以机器人工程专业人才培养目标为导向，聚焦机器人研究领域，针对机器人工程专业学生应用型能力提升问题，提出“三支点一牵引”机器人工程专业学生实践能力提升途径研究方法，该模式与传统的实践教学进度和内容不同，本文围绕科创竞赛、产业实践、科研案例理论教学3个方面形成支点效应，作为提升机器人工程专业学生实践能力的平台基座，同时针对学生就业需求，从上层构建牵引学生不断进步的目标，以此为机器人工程专业学生实现实践能力质的飞跃的全链条通道。本文通过以上新型学生培养模式，力争为机器人领域应用型人才的培养提供探索途径，同时也为其他工科专业人才培养提供实践能力探索经验。

一  以科创竞赛为支点的实践能力培养方法

（一）  科创竞赛元素融入实践能力培养的难点分析

通过指导学生参加机器人类型科创竞赛，尤其专门针对智能汽车竞赛、水面/水下机器人，组织学生参加竞赛，围绕统一的选题开展竞赛活动，在竞赛过程中积极解决关键技术问题，通过比赛代替理论学习和相关实验活动，从能力侧重方面强化比赛。但是如何将机器人类型科创竞赛中的比赛项目及其关键技术问题转化为相关的模块化教学内容，需要科学的规划和实施，尤其是教学内容与机器人工程专业培养大纲需要保持高度一致，这样才可促进学生对理论知识消化吸收。另外，如何用具体的竞赛案例来实例化理论教学内容，助力机器人工程方向学生应用型能力培养，需要精心设计，形成完整的教学反馈闭环，也是难点之一。

（二）  依托科创竞赛的实践能力提升方案

结合指导学生参加机器人类科创竞赛经验，通过机器人竞赛的要求来设计机器人功能，并以实例教学的方式，帮助学生理解课程内容的意义和在实践中的应用。比如，在讲解机器人动力学方程时，可以使用移动机器人竞赛中的移动小车作为案例进行建模，以便学生更好地运用所学知识。这种教学方法能够降低抽象概念的难度，激发学生的兴趣，并促进他们对机器人技术的深入理解和实践能力的提升。同时，要有针对性地增加学生实际操作环节，如在智能汽车比赛规则条件下，鼓励学生开展部分模块的设计与验证工作，将红绿灯识别、S弯道跟踪等任务布置给学生，促进其融入到科创竞赛的实际过程中。

分层次指导学生参加大学生机器人方向的科创竞赛，教师重点关注本科阶段已确定保研资格以及立志将来攻读研究生的学生，这是参赛学生重要来源之一。另外，研究方向与机器人相关的硕士研究生也是参赛学生的重要来源，将本科生和硕士生组成参赛团队，由本文作者担任指导教师，此做法有两点好处：其一，可避免出现学生仅以参加比赛获奖保研为目的的情况;其二，以由指导教师指导参赛学生、硕士研究生直接带领本科生的方式，形成合理的团队梯度。

利用已有的软硬件平台，搭建多个支撑比赛的移动机器人模型、水面/水下机器人模型、比赛环境模型、视觉系统模型、激光雷达感知模型和SLAM模型等，开发和修改相关模型软件系统，选择C++和Python语言作为主要编程语言，综合训练学生的硬件调试能力和软件编程能力，同时增加案例式教学环节，引入科创竞赛完成比赛内容中的部分典型任务。为了帮助学生更好地理解课程内容的意义和在实践中的应用，我们要求他们掌握机器人功能设计的要求。为了实现这个目标，我们采用实例教学的方式。举个例子，在讲解动力学方程时，可以以移动机器人大赛中的移动小车作为案例进行建模，这样的教学方法可以加深学生对所学知识的运用，并帮助他们更好地掌握机器人技术。通过实际操作和实践，学生将能够更好地应用所学知识，提高其实践能力和理解水平。

二  以科研案例理论教学为支点的模块化教学手段

（一）  科研案例与理论教学相结合的难点分析

机器人工程专业学生所学课程的知识点较多，需要梳理出一条贯穿大部分知识点的主线，并围绕该主线整理科研案例，注重科研案例的典型性，如果科研案例选择不当，不仅影响授课学时，还会影响学生对理论的消化和掌握，为此应解决知识主线和科研案例难点问题。

考虑到机器人工程专业学生未来就业领域实用化特点，结合应用型能力在未来学生就业行业的作用，梳理综合设计实践环节知识点主线，以此为基础整理科研项目研究基础和科研案例，完成主线式科研案例构建工作。同时结合机器人工程专业包含的知识体系构成，按照大类划分原则，设计组建模块化理论体系的研究方案，基于已有的机器人试验平台，构建模块化教学的测试场景，验证模块化教学手段的可行性，并且参考传统的理论授课方式，为学生提供以模块化综合设计实践知识主线为主的教学体系，保证模块化知识主线的覆盖效果。

（二）  依托科研案例理论教学的实践能力提升方案

在准备综合设计实践环节时，鼓励学生进行团队合作，并建立一个课程教学团队，为了更好地组织机器人工程课程，将其按照知识结构分成多个知识点，团队中的教师可以根据各自的专长，在指导学生时负责不同的知识点，这种合作模式可以充分发挥每位教师的优势，提供更全面、有针对性的教学指导，帮助学生更好地掌握机器人工程的知识和技能，每个人负责一部分知识点，保证对各知识点的透彻领悟，共同讨论梳理出围绕该课程的理论知识主线，该主线串联覆盖该课程的全部核心知识点，为后续科研案例梳理奠定知识点基础。

整合本文作者所在团队的资源优势，针对课程主线内容，实现多学科深度融合，围绕教师专长并利用各位教师参与的科研项目，整理与主线相关的科研案例，保证科研案例与各负责教师专业研究方向相契合。在课程主线上，一定会存在没有科研项目背景的科研案例，此种情况下将采用以下两种方式解决：其一，由本文作者开展专门的机器人（移动式、多连杆式等）试验，利用已有实验室条件，设计试验案例，形成覆盖知识主线的有效教学案例;其二，通过校企合作模式，进一步加强产业与教育的融合，与企业展开产学研合作，共同制定实验方案并开发实验项目，同时也联合编写实验指导教材，这样的合作模式可以确保教学内容与实际应用紧密结合，学生可以获得更深入的实践经验。通过与企业合作，可以提供学生与真实工作环境相符合的实习机会，帮助他们更好地掌握所学知识并培养相关技能。