智能制造背景下地方高校工业机器人专业的人才培养

胡洪钧

（宁德师范学院 信息与机电工程学院，福建 宁德352100）

目前，世界性的科技革命和产业变革正形成历史性的交汇期，以物联网和智能制造为主导的第四次工业革命已经到来。从1978年到现在，中国制造业已经历了四次转型。随着“中国制造2025”的提出，我国将全面推进实施制造强国战略，其根本目标就是要改变中国制造业“大而不强”的局面。而工业机器人作为最先进的自动化设备，在智能制造领域发挥着无可替代的作用，因此，当今世界对工业机器人的制造和应用提出了全新的要求。

随着人力成本的快速上升和全球产业结构的深度调整，越来越多的企业通过运用像机器人这样的自动化设备来提高产能和降低人力成本［1-2］。中国已成为世界上第一大将工业机器人用于制造业的国家。随着工业机器人产业的快速发展，工业机器人专业人才缺乏的短板已经凸显出来，人才缺口不断扩大，但是国内高校在机器人专业人才的培养方面还没有形成完整的体系［3-5］。因此，在培养工业机器人专业人才方面进行全方位的改革是地方高校应关注的课题。

1 工业机器人专业人才供需与培养现状

1.1 工业机器人专业人才的供需现状

随着传统制造业的改造升级和人工成本的快速上升，工业机器人及智能装备产业正面临着前所未有的发展机遇，工业机器人市场的规模也在日益扩大。工业机器人产业的发展需要大量的技能型人才，但机器人专业的人才储备明显不足［6］。统计结果显示：目前国内工业机器人技能型人才的需求量将近10万，缺口很大。按照工信部的发展规划，到2025年，全国工业机器人的数量将达到1 700万台，这大概需要100多万应用、调试和维护工业机器人的相关从业人员。

由于目前国内高校很少开设有关工业机器人操作应用方面的课程，人才培养相对滞后，从事工业机器人应用的人员大多来自通过一定时期培训的机械电子工程、控制工程等专业的毕业生或产业工人，但这种培训很难达到岗位技能要求。因此，工业机器人的人才需求结构化矛盾异常突出，技能型人才严重短缺（图1）。

图1 工业机器人专业人才需求的矛盾

1.2 工业机器人专业的人才培养现状

诸多因素推动了我国工业机器人产业的快速发展。目前面临的最大挑战是专业人才的培养。工业机器人作为一种高度集成的自动化装备，对专业人才有着多层次的需求，包括机器人制造工程师、机器人应用工程师和机器人调试维护工程师等。目前国内很多高校已建立了机器人实验室或研究中心，例如，哈尔滨工业大学的机器人技术与系统国家重点实验室、北京航空航天大学机械学院的智能技术与机器人联合研究中心、厦门大学嘉庚学院的微柏工业机器人创新实验室。它们尽管在机器人研究方面都有所建树，但还是以培养研究生为主，培养的主要是机器人制造人员或系统设计人员。

企业需要实践能力强、懂得应用和维护机器人的工程师来操作机器人，因此在专业人才需求中，工业机器人应用与维护工程师的需求量最大。虽然有些本科院校依托机械电子类专业培养工业机器人应用人才，并通过设置机器人学和机器人技术等课程来实现教学目标［7-9］，但由于机器人技术发展得很快，机器人学和机器人技术等课程中有的教学内容已不适应当今培养社会急需的工业机器人应用人才的需要。根据我市机械电子行业的发展情况，我院把培养“地方性、应用型、创新型”人才作为办学定位，以加快培养工业机器人专业人才的速度，实现宁德地区制造业的转型升级。

2 以工作岗位为导向设置课程体系

根据宁德地区制造业的特点，我院以服务区域产业转型升级为宗旨设置培养工业机器人专业人才的课程体系。

宁德位于长江三角洲、珠江三角洲、台湾省三大经济区的中间位置，该地区的制造业产业群包括电机电器制造、船舶修造和汽摩配件制造等企业，其中不少企业的生产自动化水平比较低，高科技自动化设备短缺。有些企业虽然有意购买像工业机器人这样的自动化设备来提高产能，但由于缺乏能够操作和应用这些自动化设备的员工而不得不放弃购买自动化设备的计划。

针对这一情况，我院在设置机械设计制造及其自动化专业（机器人方向）的核心课程时，以当地企业职业岗位群为基础，以培养学生综合能力和素质为核心，以行业职业资格标准和专业领域职业能力要求为依据，构建了工作岗位群对应工作岗位、工作岗位对应从业技能、从业技能对应专业核心课程的“三对应”课程体系。

通过对当地企业走访和调查，笔者发现目前工业机器人操作、自动化生产线的安装和调试、编程与维护及应用开发等典型工作岗位急需大量人才。根据工作岗位技能，笔者给出了工作技能与专业课程对应关系（表1）。

表1 工作技能与专业课程对应关系

根据专业人员的反馈意见、企业的调研结果及到国内相关院校的学习和交流，我院确定了以高等数学、机械制图、理论力学、材料力学、C程序设计、电工学和机器人学等课程为机器人专业的基础课程，确定了以机械原理、机械设计、机械设计三维软件、机械控制工程基础、电气控制与PLC、工业机器人操作与编程、工业机器人装配与调试、工业机器人生产线设计与应用等课程为机器人专业的核心课程，构建了如图2所示的培养工业机器人专业人才的课程体系。

图2 工业机器人专业课程体系

3 教学方法改革

工业机器人技术作为机电一体化技术的延伸，专业知识涉及范围广，实践能力要求高。因此，必须改变传统的“填鸭式”教学方法，采取具有创造性、能够激发学生潜能和求知欲望的教学方式，授课规模可以采用小班制，同时增加实践实训教学的课时。

根据不同专业课程的学习目标和学习内容，笔者采用了项目驱动教学法［10］、任务式理实一体化教学法和仿真教学法开展教学活动。例如：在工业机器人操作与编程教学中，笔者采取项目驱动教学法，先把学生分成若干个小组（每组4～5人），然后给每个小组布置不同的任务，让各小组学生为机器人编程，操作机器人画出不同形状的物体；在工业机器人装配与调试教学中，笔者采用任务式理实一体化教学法，把学生分成若干组，先让每个小组观看和分析机器人控制系统的组成和原理，然后调试机器人完成预设功能，同时，指导每个小组各负责一台机器人，在实验平台上拆解机器人机械本体，对各零部件进行测绘，完成机器人组装；在软件及操作教学中，笔者采用仿真教学法，指导学生通过机器人教学仿真软件搭建虚拟仿真平台，学生可以通过仿真平台进行离线编程，将写好的程序导入机器人运行，以实现仿真和操作的无缝连接。

4 师资队伍建设

由于工业机器人技术对学生实践能力要求较高，在教学模式和方法上都对教师提出了更高的要求，教师应具有扎实的专业理论知识和丰富的实践教学经验。因此，师资队伍建设可以从两方面入手，一方面培养和提高校内专职教师的专业技能，一方面聘请企业专家作为兼职教师。

4.1 培训校内专职教师

以校企合作为依托，通过学校自身的实训平台开展不定期的机器人技术培训，促进专职教师的知识更新和技能提升，定期安排专业教师参加企业组织的专业技能培训和每年不少于1个月的企业实践。例如，在2017年寒暑假期间，我院先后选派3名年轻教师到泉州华中科技大学智能制造研究院进修，以此提高他们的机器人专业技能。

4.2 聘请企业兼职教师

工业机器人技术发展迅速、应用领域不断延伸，而专业教师的知识更新比较滞后。为解决这一矛盾，我院聘请了企业高级工程师担任兼职教师，给他们安排一些要求理论掌握比较全面、动手能力比较强的课程。这样可以结合企业的应用，培养更具有针对性的机器人专业人才。

5 实训基地建设

考虑到我院主要是为地方企业培养应用型人才，根据宁德地区工业机器人专业人才的需求状况，我院建立了机器人实训基地，该实训基地包括工业机器人操作与编程实训区和基础教育机器人设计实训区，其作用有两个：一是为学生提供实训场所，帮助学生完成教学期间正常的实训任务。二是定期对学生开放，为学生提供更多的实践训练机会，促进他们不断提高自己的实践能力、创新能力和解决问题的能力。在校内机器人实训基地，教师与学生将实现以下教学目标：

1）通过拆装 HSR-CZ612 机器人本体[图 3（a）]教学，使学生了解工业机器人拆卸及装配工艺等知识，熟悉工业机器人关键零部件及其结构组成，掌握工业机器人装配精度测试和调整方法。

2）通过拆装 SCARA机器人的控制系统[图 3（b）]的教学，使学生了解工业机器人电气接线、电气系统组成、电气控制、系统调试和维修、关键控制部件结构形式等知识。

3）通过HSR-JR605工业机器人视觉工作站[图3（c）]的教学，培养学生操作机器人的能力，掌握离线编程的方法以及机器人与视觉配合的操作技能。

4）通过组装和调试教育机器人系统的教学，使学生了解机器人系统的构造、控制原理、传感技术和编程方法，初步建立包含物质、能量、信息和控制的工程系统模型。

5）通过机器人的各种运动指令、检验示教机器人坐标系以及示教工具点的教学，使学生了解机器人和PC机之间的通信方式以及上位机编程技巧。

图3 工业机器人教学实训平台

另外，我校通过与企业合作，建立了两处校外实训基地，实现了学校与企业的无缝对接，学生可以在真实的企业环境中完成企业的生产任务。

6 结束语

在我国制造业转型升级过程中，工业机器人越来越广泛地被用于工业制造，将会进一步提高产能和效率，同时需要大量的工业机器人技能型人才，因此加强工业机器人技能型人才的培养是至关重要的。为了适应宁德地区产业转型升级对工业机器人应用人才的旺盛需求，笔者对我院机械设计制造及其自动化专业（机器人方向）的课程体系设置、教学方法改革、师资队伍和实训基地建设等方面进行了探索，以此促进工业机器人专业技能型人才的培养。