【论文选刊】刘怀兰 李世壮 王兴 唐以志：应用工程师培养路径构建——以工业机器人产业为例

作者简介：刘怀兰，华中科技大学机械科学与工程学院副教授，工学博士；李世壮，华中科技大学机械科学与工程学院硕士研究生；王兴，中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院讲师；唐以志，教育部职业教育发展中心研究员。通讯作者：王兴。

基金项目：教育部职业教育发展中心“基于技术成熟度模型的职业本科人才培养定位研究”（ZG202305）；教育部教学改革项目“高等学历继续教育‘四个融通’专业建设研究”

原文刊载于《高等工程教育研究》2024年第五期43-50页。

一、工业机器人产业应用工程师培养路径问题探究

1.研究背景

当今，新技术迅猛发展形成了一批新兴产业，顶尖人才推动产业从产生阶段进入发展阶段后需要大量应用工程师。机器人产业是我国近些年发展最迅猛的新兴产业之一，是国家“十四五”规划的重中之重，工业机器人更是制造强国的重要智能装备。^[1] 与急剧增长的工业机器人应用型人才需求相比，工业机器人相关专业人才培养还处于相对滞后状态。^[2] 目前我国多所“双一流”建设高校以研究所或研究中心方式培养机器人领域高层次人才，取得了一定进展，但是应用型本科和职业本科院校面向工业机器人的相关专业教育起步相对较晚，缺乏成熟的专业人才培养体系。李德毅^[3]提出：“培养懂得集成、维修、管理机器人的人才，跨界渗透和跨界创新诞生的智能机器人教育，是我国教育改革抓住时代机遇的一个亮点。”综上，工业机器人产业应用工程师培养是一个亟需解决的问题。

2.研究现状

我国高等教育人才培养结构性矛盾明显，过度追求研究型教育，开设课程也以研究型知识为主，导致各类高素质应用型人才短缺，刘敬爱等^[4]针对该问题提出了新型应用型本科院校人才培养模式的构建路径，提出在课程设置的时候要确保学科链与产业链的对接，从产业需求中明确人才培养目标。宋士华等^[5]认为地方应用型高校应根据应用型人才培养要求构建相适应的产教融合人才培养模式，搭建校企资源共享与协同创新平台，加强“双师双能型”师资队伍建设，提高教师实践教学能力，构建完善的产教融合管理机制。任志涛等^[6]认为应用型人才是地方高校人才培养的目标。明确地方高校教育定位和内涵建设，凝练地方高校应用型人才培养的学与研、产与学、产与研三个阶段性产学研一体化路径，构建产学研一体化路径的“四个平台”，构建应用型人才培养模式，产学研一体化互动演化运行，对接经济社会发展与教育。综上所述，我国应用型本科院校已认识到按照学科体系培养应用型人才存在的劣势，并有学者^[7,8]开始结合产业需求进行相关研究，但目前仍处于初步阶段，未清晰提出从产业需求出发构建人才培养路径的方法。

3.工业机器人产业应用工程师培养问题探究

经走访调研多所院校和重庆智能机器人研究院、佛山华数机器人有限公司等机器人产业链企业发现，目前我国应用型本科院校相关专业针对该产业应用工程师的培养，多是以学科定位的专业培养体系完成，缺乏对产业中企业岗位群能力需求的精准把脉和课程体系的系统构建，且学科体系培养使得专业课程理论知识占比较高、难度较大、学生缺乏学习兴趣，毕业生多缺乏实践经验，院校多存在师资条件及实训设备条件不足的情况，因而很难满足工业机器人产业的复合应用型人才需求。本文从产业需求出发，明确人才培养目标，利用岗位大数据分析与LDA聚类方法进行人才画像及岗位能力矩阵构建，依据OBE理念，基于岗位群的典型工业项目解构与教学项目重构完成项目式一体化课程体系构建及实践体系构建。

二、工业机器人产业应用工程师岗位能力分析

1.岗位数据采集与预处理

企业岗位招聘数据可反映当前人才需求现状，通过招聘数据的解读可以分析产业人才缺口的具体要求，准确识别企业岗位对人才的能力需求，为院校培养人才提供重要参考。本文以“工业机器人”“自动化”“机器人工程”为关键词，使用Python网络爬虫工具在前程无忧、智联招聘等招聘网站对2023年7-9月工业机器人产业上中下游企业发布的招聘数据进行逐条采集，共采集到34546条数据。对其中的岗位名称、企业名称等字段进行统一化处理，同时去除了岗位描述中的重复值、广告字段等无效数据以及机器人教育培训类和销售类岗位数据。经过上述数据清洗后共获得有效岗位数据22140条。

2.岗位需求分析

企业招聘对岗位学历与工作经验的要求在一定程度上反映岗位的层次及工作任务技术难度。对清洗后的岗位数据进行分析，得出工业机器人产业对人才工作经验和学历要求如图1所示。其中，3-4年工作经验的招聘需求发布量最高（33.60%），说明产业缺乏有经验的专业技术人才；1年经验要求占14.08%，应届生及无经验要求的岗位占15.81%，说明当前工业机器人产业正处于快速发展阶段，需要大量新鲜血液加入，同时也体现出我国工业机器人产业人才培养对于社会培训与继续教育的需求。工业机器人产业对于本科层次（45.02%）与高职层次（40.29%）人才的需求量最为明显，中职学历需求占9.09%，硕士学历需求占5.14%，博士学历需求占0.45%。工业机器人产业相关岗位学历要求主要集中在高职与本科，也表明高职与应用型本科院校培养的应用型人才是工业机器人产业的主要人才需求，同时需要少量比例的中职院校培养的技能人才以及研究型本科院校、硕博研究生培养的研发设计人才。对岗位需求数据进一步筛选与分析，各学历层次需求量前二十岗位占总体岗位需求量73.46%，前二十的岗位如图2所示。

图 2  各学历层次需求量前二十岗位

注：加粗岗位名称为工业机器人产业应用工程师岗位。

在研究生学历层次，需求岗位种类多，但每个岗位需求量较少，岗位类型多为机器人相关应用场景的算法研发、软件开发等技术研发型岗位。本科学历层次中，研究型本科可以支持部分研究生学历层次的岗位，主要从事机器人相关技术开发与设计工作；应用型本科层次的岗位主要从事机器人相关产品的助理设计与系统集成等工作。高职学历层次的岗位与应用型本科和中职学历层次的部分岗位重合，主要从事机器人相关产品的助理设计、设备集成、测试调试、设备运维等工作。中职学历层次主要为技能操作型岗位。从各学历层次中的岗位交叉重复，可看出部分岗位的未来成长路径。在图2中各学历层次需求量前二十岗位中，应用工程师岗位需求数量占岗位数据样本总量的69%，技能人才占比10%，研发人才占比21%。由此可见，工业机器人产业的发展除了需要卓越的研发人才，同时还需要大量懂工艺有技术的应用工程师。

3.工业机器人产业应用工程师岗位范围界定

工业机器人产业应用工程师是在工业机器人领域从事本体零部件设计与选型、测试与调试、机器人自动化单元设计、系统集成与运维的专业技术人员，主要来自机械类或自动化类等专业。本文将工业机器人产业划分为机器人本体制造企业、系统集成企业及生产应用企业三类，根据图2分析结果，将每类企业应用工程师典型岗位归类如图3所示。应用工程师岗位需求量最大的是机器人系统集成企业，机器人本体制造企业需求量与之接近，机器人生产应用企业对于应用工程师岗位需求量最少；电气设计工程师、机器人调试工程师、PLC工程师等岗位在三类企业中需求量均较高，机器人应用工程师、机器人焊接工程师等岗位主要集中在机器人系统集成企业与生产应用企业中。

图 3  工业机器人产业应用工程师典型岗位

注：椭圆内部岗位表示现场工程师相关岗位，图示大小与该岗位需求量成正比，三类企业重复岗位结尾以*标注。

工业机器人产业应用工程师包含机械助理设计工程师、电气设计工程师、应用研发工程师、自动化工程师、工艺工程师、现场工程师等。如图3所示，现场工程师占据应用工程师近一半的岗位种类，包括机器人调试工程师、售后工程师、运维工程师等。现场工程师是指在生产、工程、管理、服务等一线岗位，能够解决工作现场工程问题的应用型、复合型技术技能人才。产业升级需要大量现场工程师，存在巨大的人才缺口。教育部办公厅等五部门于2022年10月发布《关于实施职业教育现场工程师专项培养计划的通知》，以加快培养现场工程师。^[9] 现场工程师已成为一个国家重视的人才培养方向。随着专业能力与知识水平的提升，现场工程师可成长为助理设计研发类工程师或项目管理者。应用型本科和职业本科院校毕业生在职业成长初期，也可在现场工程师岗位上培养锻炼，积累工业现场经验与专业知识，结合本科专业理论知识，成长为助理设计与应用研发类工程师。因此，院校在应用工程师岗位群的培养方案中应注重未来职业发展，加强专业技术基础教育，并增加创新实践类与项目管理类课程。

4.岗位能力矩阵构建

LDA（Latent Dieichlet Allocation）模型^[10]是一种对离散数据建模的概率主题模型，可以通过其抽取出主题关键词进而用来挖掘文本信息中的主题信息。本文利用LDA模型对分词后的应用工程师岗位数据进行岗位能力聚类分析。LDA聚类分析结果显示：在2-7个主题下，主题数为3时的困惑度平均值（56.573）最低。对聚类结果中3个主题强度排名前10的关键词（如表1）进行分析提炼得到如下三类岗位群。

表 1  岗位能力聚类分析结果

T1机器人机械本体：从事机器人本体零部件设计与选型、非标自动化机械设计、生产与装配工艺设计等工作。该类岗位要求熟悉数字化设计与制造、零部件设计、机械加工工具与方法等方面知识，能使用计算机辅助软件完成机械零部件设计以及生产工艺、装配工艺的方案制定与优化等工作，能指导或独立进行机器人机械装调与测试工作。典型岗位包括机械助理设计工程师、非标自动化设计工程师、工艺工程师、机电工程师、机器人测试工程师等岗位。

T2机器人电气控制：从事机器人电气系统的设计与设备选型、电气系统的装配与调试、电气维护与故障排除等工作。该类岗位需要具备电气系统设计的能力，包括电路图绘制、元器件选择和布线规划，熟悉可编程逻辑控制器和其他工控系统，能够编写、调试和优化控制程序，熟悉机器人编程语言和软件。典型岗位包括电气设计工程师、PLC工程师等。

T3机器人系统集成：从事机器人系统集成开发、仿真、测试与调试以及视觉应用等工作内容。该类岗位要求具备机器人、智能制造等领域背景，熟悉机器人编程的基本知识，包括控制算法和编程语言，掌握常见仿真工具与图像处理工具，理解机器人单元和自动化控制系统的原理和操作，能根据企业需求进行机器人单元应用开发与测试。典型岗位包括自动化工程师、机器人调试工程师、视觉应用工程师、机器人仿真工程师等。

岗位能力矩阵可体现产业与企业对毕业生的能力要求，是确定培养目标的外部需求。^[11] 本文通过构建岗位能力矩阵定位专业人才能力目标，并作为确定学生最终学习成果的依据之一。由表1能力关键词重要度排序，可转化出岗位能力矩阵的能力要求项，矩阵中的岗位名称选取图2中典型应用工程师岗位，去除了管理类型岗位。依据TF-IDF词频分析及专家知识交互对各岗位与专业能力项进行打分关联，其具体流程为：根据单个岗位数据通过TF-IDF计算前文LDA聚类分析出的能力体系中出现能力单项的强度值，对强度值进行归一化（能力项未出现；强度值：0-0.25、0.26-0.5、0.51-0.75、0.76-1；部分岗位个性化差异的补充能力项）产出初版岗位能力矩阵，并通过专家交互共同作用得出终版工业机器人产业应用工程师岗位能力矩阵，见图4。应用工程师不同岗位对于大多数能力均有一定需求，多岗位之间存在能力需求交叉。其中，所有岗位对集成应用、仿真软件、计算机绘图三项能力均有需求，对于嵌入式开发能力主要为自动化工程师、机电工程师、PLC工程师能力需求项。应用工程师作为复合型人才，其岗位能力为多学科交叉，按学科体系培养难以满足要求，故需从产业需求出发构建其培养路径。

图 4  工业机器人产业应用工程师岗位能力矩阵

三、工业机器人产业应用工程师培养路径

1.基于岗位群典型工业项目解构与教学项目重构

成果导向教育^[12]（OBE，也称能力导向教育）理念以最终目标（最终学习成果或顶峰成果）为起点，反向进行课程设计，开展教学活动。基于该理念，本文从产业需求出发，结合学校办学定位等自身情况（即培养目标依据的内外需求），将学生毕业3~5年所能从事岗位的能力目标与岗位任务作为最终学习成果，进而确定培养目标与毕业要求，并依据毕业要求构建课程体系。本文主要进行专业课程体系与实践体系构建，暂未考虑通识教育课程与学科基础课程。

据此，本文提出一种基于岗位群典型工业项目解构与教学项目重构的项目式一体化专业课程体系与实践体系构建方法。首先，通过深入分析产业链企业相应岗位数据，得出岗位对专业人才能力的要求，构建岗位能力矩阵，定位专业人才能力目标。其次，根据岗位群典型岗位任务，匹配选择一定数量的典型工业项目，单个项目可体现该岗位群部分能力要求，选择三至五个相对独立的典型工业项目融合可基本覆盖一个岗位群的能力培养目标。再次，将工业项目解构为子项目与任务，基于子项目与任务按教学规律重构教学项目集，并提炼工业子项目与任务所需要的知识点，依据知识逻辑关系和工程逻辑关系，将项目知识点聚类为专业课程。同时，提出对专业基础课程的需求，按学科要求确定专业基础课程边界，并通过评估课程知识及项目能力目标与岗位群能力目标的符合度来完善课程内容和实践项目。最后，解构的工业项目与重构的教学项目构成实践体系项目集。

2.项目式一体化课程体系构建

以应用型本科与职业本科院校面向工业机器人产业的机械类或自动化类专业群为例，针对三类目标岗位群，依次进行三类典型岗位及工作任务识别，匹配对应工业项目，并对项目进行解构得到子项目与任务，匹配构建专业课程体系，根据知识要求及学科要求推导专业课程边界，完成项目式一体化课程体系构建，构建示例见图5。

图 5  项目式一体化课程体系构建示例

基于以上构建示例，院校可根据自身优势专业，结合本身产教融合资源及所在地区岗位需求，选取其中两类岗位群作为人才培养目标。例如：机械类优势专业院校可选取T1与T3类岗位群作为培养目标，自动化类优势专业院校可选取T2与T3类岗位群作为培养目标。

本文以机械类专业群为例，选取T1与T3作为专业培养方向，进行课程体系构建。通过课程聚类与专家交互得出以下课程，见图6。

图 6  机器人工程专业“T1+T3”课程体系方案

经专家交互，专业课程体系中专业基础课程包含“机械设计基础”“电工电子技术”“工程制图与计算机绘图”“自动控制原理”4门课程；专业核心课程包含“工业机器人技术基础”“机器人机械系统设计”“机电传动与控制”“机器人夹具设计开发与应用”“机器人视觉识别技术”“工业机器人离线编程与仿真”“工业机器人应用系统集成”“Python与工业机器人二次开发”“机器人创新设计方法与实践”9门课程；在专业核心课程学时过量的情况下，第8门与第9门课程可以作为机器人集成应用和机器人机械本体设计开发两个方向的课程，学生任选其中一个方向课程即可，并选择对应方向毕业设计课题，以加强学生就业时该方向岗位群的能力培养。

3.项目式实践体系构建

实训实践教学作为应用型本科与职业本科院校专业教学中的重要组成。周济指出“工程教育必须面向工程实际，回归工程，崇尚实践。”本文提出一种项目式实践体系构建方法，将实践体系分为“工程认知”“专业实践”“课程设计”“综合实践”“毕业设计”五个层次，由实践项目支撑实践体系。实践项目主要来源为典型工业项目解构重构的教学项目，具有真实性、系统性，与工业典型应用关联紧密，同时可以考虑科研项目作为补充。实践体系构建流程见图7，将典型工业项目依次解构为工业子项目、子任务，其中子任务根据复杂程度分为基础、中等、复杂三个层次。实践体系中的基础项目来源于工业项目解构的基础任务或者中等任务的教学重构；进阶项目来源于工业项目解构的中等任务或者复杂任务的教学重构；高阶项目来源于工业项目解构的复杂任务或工业子项目的教学重构。

图 7  项目式实践体系构建示意图

在完成不同岗位群的工业项目解构重构后，可得到专业实践课程项目集，见图8。基础实践项目匹配工程认知教学环节；进阶实践项目匹配专业实践与课程设计环节；高阶实践项目匹配综合实践与毕业设计环节。院校实践课程教学可根据岗位群培养目标情况，在项目集中选取合适项目构建专业实践体系，以工程实践为主体，开展项目式教学，坚持工程实践四年不间断，提升学生工程能力。以应用型本科与职业本科院校机械类和自动化类专业群为例，院校确定该专业培养目标岗位群方向后，以真实工业场景与工作情境为背景，以产品工作过程为主线，在校内外进行实训实践课程项目。同时，可安排学生到学校产教融合企业进行培养，完成毕业设计或顶岗实习，借助企业工业项目培养强化院校培养目标方向的能力，并拓展学习其他方向的知识与能力。

图 8  机器人工程专业实践体系项目集示例

四、总结与展望

本文针对产业发展过程中应用工程师的人才缺口问题，面向应用型本科与职业本科院校，依据OBE理念提出了基于岗位群典型工业项目解构及教学项目重构的项目式一体化课程体系与实践体系构建方法，以工业机器人产业应用工程师为例进行培养路径构建探究，通过岗位大数据分析与LDA聚类分析构建应用工程师需求画像与岗位能力矩阵，其次，进行岗位群典型工业项目解构与教学项目重构，建立专业课程体系与实践体系，完成工业机器人产业应用工程师的培养路径构建。本文从产业需求出发进行应用工程师培养路径构建探究，旨在为应用型本科与职业本科院校在应用工程师培养路径构建过程中的培养目标定位、专业课程体系及实践体系构建提供方法指导与实践参考。对于应用型本科与职业本科院校人才培养的共性与区别将作为本团队今后研究内容。

责任编辑：黄小青

‍‍‍‍‍‍‍

更多精彩，敬请期待！