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        新工科建設下的 機器人專業本科教學建設方案

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        1、新工科專業建設的實驗室建設背景

          世界工程教育的發展與最新潮流顯示:工科人才培養與業態轉型方向以及工業未來的發展趨勢保持高度一致,日趨復雜的工程實景將更緊密地嵌入工程教育過程。與世界工程教育圖景恰相契合,我國也適時提出新工科方向和計劃,并被高等教育領域廣泛稱為卓越計劃2.0階段。對于我國工程教育改革或轉型而言,新工科相關工作已經呈現從理念到行動的轉變,我們將密切關注這一發展趨勢,并將討論適用于新工科實踐行動的若干可行路徑。本文主要對CDIO轉換平臺與新業態、新工科之間的關聯性進行剖析;未來亦將會對CDIO模式在我國的具體實踐,及其對新工科實踐方案的借鑒和啟發進行更深入探究;在此基礎上,嘗試發現我國工程教育改革動向與世界工程教育前沿之間的共演趨勢,從而為面向更廣泛領域和區域的工程教育提供中國方案和人才培養貢獻。

        一、新業態、新工科與新行動

        1.新業態提出新要求

        隨著人工智能、大數據、云計算等前沿科技逐步取得技術性的突破,以智能產業牽引的新一輪科技革命和產業革命如火如荼地進行著,未來5-15年是傳統工業化與新型工業化相互交織、相互交替的轉換期,是工業化與信息化相互交織、深度融合的過渡期,也將是世界經濟版圖發生深刻變化、區域經濟實力此消彼長的變化期,“三期疊加”為全球制造業加快發展和轉型升級提供了重要的戰略機遇,也給世界高等工程教育轉型提供了新機遇、新挑戰。

        我國經濟發展正處于結構調整、轉型升級的攻堅期,以大數據、云計算、物聯網等為核心的新一輪科技和產業革命蓄勢待發,工程的“新業態”已初露端倪。未來這種“新業態”將呈現出顛覆性的新特征(如圖1所示),既在工程變革背景下,顛覆性轉變我們對工程制造過程的一般認知,如技術形態上的數字化、信息化和物聯化,規模形態上的分散化、個性化和定制化以及產業形態上的宏思維、關聯性和平臺化等;也正在一種“和”諧共生的理念及文化背景下,顛覆性轉變我們對生產理念與服務理念的認知,如政治形態上的多域互動、廣泛協作以及人文形態上的同理心和關愛服務。工程教育與產業發展聯系緊密、互相支撐,新業態的發展依靠工程教育提供人才支撐,做好工程教育的主動布局和深化改革,必將對經濟轉型升級起到推進作用;反之則會遲滯產業升級進程。




        圖1 工程“新業態”SPITH特征

        面向未來技術和產業發展的新趨勢和新需求,世界高等工程教育面臨著新機遇、新挑戰,我國高等工程教育的改革發展也已經站在新的歷史起點,但就目前來看,我國工程教育還面臨著很多問題,比如工科教育理科化,工程人才綜合實踐能力缺乏,工科教育的核心能力定位不明確,所學知識技能與社會發展和產業需求不完全契合等,人才培養瓶頸對我國未來工業的發展和綜合國力的提升形成了巨大阻礙[3]??梢灶A見,在未來二十年里,技術與產業變革趨勢下的工程“新業態”,將給我國工程科技人才培養帶來新要求,我國教育部恰逢其時地提出了“新工科”計劃,這是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、人才全面能力培養新要求而提出的我國工程教育改革方向。

        自2016年以來,基于“新工科”視角的工程教育討論逐漸熱烈起來?!靶鹿た啤背h是我國工程教育對“互聯網+”、“中國制造2025”、“一帶一路”等國家重大戰略的積極響應,主要解決國家和產業的重大需求與科技的重大需求問題[4]。隨著討論的深入,逐步形成了“復旦共識”、“天大行動”、“北京指南”等綱領性文件,為下一步的工程教育創新指明了方向,較好地應對了當前我國工程教育環境的變化。

        2.新工科引發新思考

        新工科概念產生伊始,其內涵闡釋和范式變革主題首先成為重點關注內容。首先,針對新工科內涵的探討:一方面,基于工科動態發展視角,有學者提出工程教育一直處于不斷發展狀態,“新工科”不僅要關注新技術下的新產業和新專業建設問題,更應該關注傳統產業和老專業的升級轉型問題;另一方面,基于人才需求視角,學者們提出新工科源于新產業、新社會形態萌發的新需求,未來人才類型的需求非常廣泛,更加強調不同領域、不同層次、不同能力的人才“新工科”應當覆蓋從新興到傳統工業全方面、從大型跨國集團到中小微企業的生產活動全領域的人才需求。其次,針對新工科發展范式的探討:學者們認為,當前工程教育依然深受科學范式與技術范式的影響,應當回到以實踐、設計及綜合為核心的軌道上來,從而體現工程教育的工程主體性,從學者們的具體研究來看,雖然表述不同,但可以發現關鍵詞涉及“融合”、“創新”、“共享”、“融合”]、“集成”、“創新”、“共享”、“智能”等,與新業態、人才培養能力新要求等研究進行綜合分析,我們提出:新工科內涵要進一步強調“前沿技術引領性”、“學科間交融性”、“知識體系多樣性”、“人才培養創新性”等。從技術進步和產業發展角度分析,市場需求推動了新工科范式呈現出“適應性強、創新程度高、融合程度深”三項主要特點(如圖2所示),這對于新工科的人才培養和能力框架構建具有重要指導意義。


         

        圖2 新工科范式特征分析

        工程人才能力框架的建構需要以工程人才培養目標為依據,而人才培養目標又要以產業和社會需求為導向,培養能夠適應、甚至引領未來工程需求的人才[19]。王巨宏等(2017)提出在互聯網時代的新經濟下,產業正在快速融合,需要構建課內學習和課外實踐相結合的體系,以培養適應產業發展的專業技術型人才,構建以氛圍營造、人才孵化和成就項目為核心的“互聯網+”跨界復合型人才,構建以真實問題為導向的體系來培養引領產業發展的基礎研究型人才。對不同類型的人才培養關鍵內容是要清晰明確工科人才的能力構成:即“?!迸c“通”兩方面的能力?!皩!笔侵笇I方面的能力,由于未來社會具體產業、技術類型等的不同,對新工科的人才需求不同,這也要求為滿足未來新經濟和新產業發展要求,需要培養不同專業能力的新工科人才,建立更加個性化、專業化能力的工程教育培養模式;而“通”是指其他相關方面的知識和能力,專業能力是敲門磚,但同時也要求人才能夠應對復雜多樣的社會環境和實際問題,而這僅僅擁有專業能力是不足夠的,也需要具備多樣化、融合性能力。有研究者指出人才培養的新模式應該著重培養新工科人才工程創新能力和適應變化能力,通過建立更加多樣化和個性化的工程教育培養模式培養學生創新創業和跨界整合能力。

        結合已有研究,立足新業態需求,我們提出應從個人能力、團隊能力和全局意識三個維度重構面向未來的新工科人才能力框架。具體來說,個人能力指的是個體所具備的知識、技能和素養,包括知識的學習與應用能力,思維判斷與分析能力,工程設計與實踐能力,創造創新能力[26][27]等;團隊能力指的是個體在團隊中與他人合作工作時所表現出的能力,包括表達與交流能力,團隊合作能力,情緒控制和管理能力等,全局意識包括跨學科思維能力、跨界整合能力、全球視野、領導力,系統性思考能力等(如圖3所示)。

           專業基礎

        國家示范(骨干)院校建設中,一大批院校已經在機器人專業建設、課程建設、實訓基地建設、社會服務建設等方面取得了較大成果,但示范校的建設成果仍存在普適性不強、固化不充分等問題。由于各區域行業發展狀況相似,所以在區域內專業建設優勢學校具有整合、推廣其建設成果價值的義務,建成一個國家水平、滿足多樣性需求的開放共享型專業教學資源庫,將帶動全國高等院校相關專業教學模式和教學方法改革,提升專業建設水平,全面提升高校教育人才培養質量和社會服務能力,使專業教師、高等院校在校生能享受高質量的專業資源并從中受益。

        在該項目的建設中,聯合固高科技等知名運動控制、智能控制、工業機器人企業,從實訓基地建設、課程開發、實訓項目確立和實施、實習管理模式等共同建設,實現學校培養人才與企業無縫對接,滿足企生產需要,降低企業成本,實現共贏,為院校發展提供可持續動力。

        同時,開設機器人專業、建設機器人實訓基地為適應目前高素質、復合型人才培養的需要,通過教學、實操訓練可以為企業培養大量自動化高層次人才,避免將來人才缺乏的問題。同時把實驗室建設成實驗教學體系合理、開放共享、特色鮮明、培養高素質人才的重要平臺,達到全國有較高知名度的一流水平機器人實驗教學示范中心。

        2 、機器人專業技術實驗室建設目標

        機器人實驗室項目建設目標是:面向智能機器人。工業機器人、服務機器人、特種機器人等多領域的不同類型方向的制造企業、系統集成商、應用企業的技術服務崗位需求,培養身心健康,能夠掌握必備的機器人技術和智能控制技術基礎理論,能掌握控制方法、機器人應用知識,鍛煉學生動手能力,主要機器人現場應用技術,機器人機電元器件認知與選型、 視覺應用、機器人編程操作實訓、機器人設備設計及制造、機器人故障診斷與維護、機器人本體認知與零件測繪、機器人安裝與調試、工業現場總線、系統聯調等技術學習。

        將綜合型實驗中心打造成為國內領先的面向“新工科建設”的工程技術技能人才教育合作平臺,促進機械類、電氣類、自動化類、信息類、機器人類的多類別專業群的轉型升級,帶動人才培養模式改革和教學模式轉變、課程體系優化和師資隊伍建設,全面增強專業服務產業發展的能力;面向全校開放,成為全校共享的新技術、新創意聚集地和創新平臺,為在校學生提供一個安全、開放和先進的工程訓練環境,促進多專業融合的創新型、復合型技術技能人才培養;面向社會開放,成為具有國際領先水平、國內示范作用的工業技術展示、交流、教學、培訓中心,面向全省工程人才培養的標桿性行業公共實訓中心,最大化利用教育教學資源。

        3、 開展校企合作

        3.1校企合作共育人才建設

        固高科技將與貴校共同探索校企人才共育運行機制,如圖所示,制訂《培養實施細則》等文件。調研本地區企業提供人才需求信息,學院與相關企業開展訂單培養,學院、設備提供企業和應用企業三方共同制定人才培養方案、開發專業課程、進行教學評價。

        3.2校企合作機制

        n  合作理念:以學科/專業建設為核心,以師資培養為關鍵,以培養學生核心職業能力為目標、以校企合作為紐帶,建立緊密型的互利共贏的校企合作創新模式。

        n  合作架構:師資培訓基地、建立企業工作站、聯合實驗室、實訓實踐基地。

        n  具體措施:

        ?  邀請國內知名機器人專家至我院進行機器人相關技術交流,舉辦專業發展前瞻性講座;

        ?  協助學院制定人才培養方案、課程大綱、教學計劃等;

        ?  以項目為依托,接納教師與優秀學生進駐合作公司全程參與產品設計制造過程及培訓實踐;

        ?  定期派教師進駐合作企業進修,優秀學生企業實習或推薦就業。

        機器人實訓中心建設有周期性、階段性和持續性等特點,經過教學過程的實踐及反饋,會有一個完善和調整的階段,固高科技愿與院校共同打造整體化的實訓中心,將其打造成全國高等院校工業機器人專業最具先進性和實用性的教學基地?;氐慕ㄔO除硬件外還需要注入更多的內涵事件才能體現出特色與亮點,固高科技愿以學校教學為基礎,深度實施開展校企合作:

        1、成立研發中心:固高科技愿與學校深入合作,成立校內研發中心和企業研發基地聯合開發工業機器人有關教學資源,在學校內設立研究站,將任務課題與學校老師共同進行開發,并共享產生的成果,雙方互掛“校內研發中心”及“校外實習基地”牌匾,以便更加深入的進行科研及高等教育技術領域的合作。

        2、深度開展校企合作教材開發和師資培訓:我公司持續進行工業機器人及機電一體化教材的開發,研發多套符合教育部“教學做”一體化的學生工作頁及教材,并通過校企合作,進行工業機器人應用與維護類課程教材開發,將來還會持續開發綜合及創新層面的全國高等院校適用的配套教材。固高科技愿同學校深度合作,共同編制工業機器人新專業未開發的教材及學校資料。同時通過“雙師”模式進行師資培訓。

        3、建設創新創業中心::通過校企合作,建設以某個技術能力綜合強的老師或企業專家命名的大師實驗實訓室,職能如下:

        ?   管理創新創業中心;

        ?   帶動學生創新創業成果孵化;

        ?   帶辦高技能人才的專項培訓班;

        ?   承接真實的企業自動化生產線改造及建設項目;

        ?   承接市、省、部及課題;

        ?   承載示范校典型案例的實施,輸出宣傳成果;

        ?   校際間交流及研討活動管理;

        ?    

        3.3師資隊伍建設

        以機器人為平臺,落實師資隊伍建設, 通過企業實踐、項目研發、進修,聘請企業專業技術人才、能工巧匠和管理人員擔任兼職教師等措施,構建一支以專業帶頭人為引領、專業骨干教師為核心、專兼職教師相結合的雙師結構教學團隊。

        具體培養措施:企業兼職、參與重點項目建設,主持“生產線項目”建設,主持合作產品及技術研發,參加國內學術研討,派送進修,主持制定本專業人才培養方案、規劃專業與課程建設。

        培養雙師素質骨干教師:通過培養,骨干教師能夠主持專業核心課程建設、主持院級及以上課題,在教育教學改革中起骨干作用。具體參加企業新技術培訓,參加技師培訓,分批進修學習,參與專業建設,承擔課程建設、教材的編寫、指導畢業設計、對外技術培訓任務,參加應用性科研項目、技術服務。



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