來源：虎嗅 
虎嗅注：本文作者是香港科技大學電子與計算機工程學系教授、大疆創新科技有限公司董事長、松山湖機器人產業基地創始人兼董事長李澤湘教授。對于很多人來說，其更為知名的是他是大疆創始人汪滔的導師。今年7月2日，師徒二人一起榮獲了2019IEEE機器人與自動化大獎（IEEE Robotics and Automation Award）。 本文的核心是，李澤湘教授針對我國在創新創業人才培養和科技轉化機制等方面的不足，通過深入分析工程教育的幾次重要改革的經驗及當前新工科教育改革的若干著名案例，總結提出了新工科教育實踐的定位、措施與評估標準，并結合粵港機器人學院的具體實踐，提出了一套新工科教育背景下機器人學院創新創業人才培養體系的具有重要參考價值的初步建設方案。 全文共1.7萬字，幾乎可以當作一個學術論文來研讀了，由李澤湘教授授權虎嗅獨家首發，原標題為《粵港機器人學院——新工科教育創新人才培養探索》。以下是全文。 一、新工科教育與創新體系建設 改革開放四十年、中國經濟與社會發生了翻天覆地的變化。國家 GDP 從 1978 年的 3000 億人民幣、人均 60 美元增加到 2017 年的 82 萬億人民幣、人均 8650 美元。從 2010 年 起，中國已超越美國成為世界第大制造大國，2017 年中國制造業占 GDP 比例達到 30%（美國 15%，英國 5%）。中國生產了世界 75% 的智能手機，80% 的電腦，30% 的汽車，50%的鋼鐵和 40%的船舶產品。中國的高鐵和高速公路運營哩數以及電力、能源等基礎設施建設規模也傲視全球、枝獨秀。中國用 40 年的時間走完了西方國家幾百年的工業發展歷程[1]。
圖1 中國經濟過去40年發展軌跡及主要產品占比 中國經濟的巨大成就歸功于中央政府在不同階段所制定并推動實施的一系列正確的經濟政策、各級地方政府根據各自特點不遺余力的發展地方經濟尤其是鄉鎮經濟的重要舉措、中國充足和連續不斷的廉價勞動力、土地和其它生產資源，以及中國企業家尤其是鄉鎮和民營企業家的勤奮及對新技術和現代企業管理技能的快速學習能力等因素。 隨著二戰后電子和信息技術的迅猛發展，以及美、日、德、亞洲四小龍和其它西方發達國家產業轉型升級的需求，玩具、家電、計算機、汽車和移動通訊等勞動密集型制造產業被陸續轉移到中國。中國也抓住這歷史機遇，經過近四十年努力，在獨資和合資模式之外，迅速布局和崛起了大批民營、國營和混合制模式企業。這些企業的創辦者大都具有在外資/合資企業工作的經歷并熟悉生產或產品研發過程，或代理過外資產品并熟悉市場和產品渠道。通過不斷摸索和快速試錯的學習方法，他們逐步在市場競爭中站立起來，其中相當部分也取得了不錯的規模效應。隨著需求的不斷擴大和產品制造工藝的不斷演變，些本土的零部件和裝備公司也迅速發展起來，局部或部分替代進口，提升了中國制造業的競爭力。 這段時期中國企業和產業的創新從根本上講還是跟隨型和模仿學習型的。大都從低端或中低端的產品替代起步，以價格、規模和本地化服務為核心競爭力。隨著技術差距的不斷縮小，中西方產業格局的不斷被改變(很多改變又是西方國家不愿意看到的)，西方國家對我們技術封鎖越來越明顯，些國外科技公司也通過把制造業轉移到成本更低的東南亞國家去來達到切斷中國技術源泉箭雙雕的目的。 跟隨模仿式的創新能否讓我們產業突破最后公里，同時又能守住已有陣地？更為重要的是它能否讓我們取得系列的技術突破從而使我們的企業進入一個又一個新的產品和產業領域？ 美國硅谷過去 60 年的產業發展為我們提供了很好的借鑒經驗。一個包括大學（Stanford，Berkeley，San Jose State 等），風投資本和創業文化的不斷完善和迭代進步的創新生態體系使得硅谷能抓住新的技術突破，占領一個又一個產業制高點（從電子儀器到芯片、計算機、互聯網、移動互聯網、生物科技等等）。硅谷的大學尤其是 Stanford 和 Berkeley 與時俱進，為硅谷的科創產業源源不斷地提供核心技術、工程師和創業者。由這兩所大學師生創辦的科技公司有如群星閃爍，在世界科技產業史上留下段段佳話。 Stanford 大學師生創辦的著名公司有 HP， SUN、Cisco、Yahoo、Google 等兩萬五千多家，而 Berkeley 畢業生幾乎主導了全球所有著名的半導體公司，包括 Intel、Cadence、Qualcomm、Synposis、Marvell、臺積電、中芯國際等。 而以七所大學為核心的以色列科技創新體系在自然資源匱乏，缺少本土市場且四面受敵的情況下創造了一個又一個奇跡。以色列擁有美國本土之外納斯達克最大的上市群體，超過歐盟總和。包括 Intel 和 Google 在內的世界科技巨頭紛紛把最重要的研發中心設立在以色列，其根本的考慮是以色列大學優秀的大學畢業生和工程師資源。 相比美國硅谷和以色列這些知名的科技創新體系，我們的短板體現在創新人才培養和科技轉化機制等方面。最近幾年，在國家大眾創新、萬眾創業的政策推動下，創業的條件如孵化平臺、風投資本等有了很大的進步，從社會和企業走出的所謂“草根派”創業群體無論是規模還是質量都有極大提升。但是，在產業進入深水區或無人區的今天，我們更迫切的需要以技術尤其是原創技術為主的“學院派”創業者。除了早期的北大王選和科大訊飛等少數案例，“學院派”創業在中國幾乎消聲滅跡，遠滯后于“草根派”創業。這根本的原因就是“錢學森之問”[2]提到的創新人才培養問題。 創新創業人才培養不只是工程教育改革的關鍵也是創新機制建設的核心，新工科教育的最終目的就是要打造從創新創業人才培養到創業孵化平臺建設再到新經濟培育這么一個相輔相成的全生態系統。 二、工程教育的幾次重要改革 眾所周知，學科建設是高等教育的項重要的戰略任務，也是高校建設的核心內容。高校設置一個學科需要考慮三個核心問題： 1）學科定位：學科培養的畢業生在之后的 40 年如何去影響和改變社會？ 2）學生應該具備什么樣的素質和能力才能去實現學科定位？ 3）怎樣建設一個（課內和課外）科學的培養體系使得學生能具備期待的素質和能力？用什么樣的反饋信息或核心指標去評估、持續改進和優化學科建設？ 很顯然，這是一個大滯后的多變量系統，要獲得系統的最優解需要克服巨大的挑戰。同時，學科建設過程中還不得不考慮學生的現狀以及學生背后的家庭和社會情況、政府對學科的期待和政策支持、辦學主體對學科的期望和相應資源、學校所處的產業環境以及認知科學的進步等等，這些都構成辦學的邊界條件。 為厘清新工科建設的邊界條件，讓我們首先回顧下工程教育的幾次重要改革。 1. 工業革命時代的工程教育 雖然第次和第二次工業革命在第次世界大戰前（1915 年）已經完成，這個階段的些重要工程發明仍主要依靠少數有豐富經驗的發明家在作坊或工廠通過大量的試錯和實驗取得的，著名的案例為愛迪生于 1878 年經過無數次嘗試（百分之九十九的勤奮加百分之的靈感）后發明了可實用的電燈，此外還有達芬奇、瓦特、福特、特斯拉、貝爾等。 工業革命時代大學里的工科教育主要以培養機器操作工為主。比如 1902 年從物理系分出來的 MIT 電機系直到 1930 年依然如此，西點軍校也主要以培養武器（另類機器）操作工為主。
圖2 愛迪生發明實驗室及西點軍校早期武器操作手培養 2. 科學時代的工程教育 MIT 的物理學家 K. Compton 教授于 1930 年擔任 MIT 校長。在他的推動下，物理學和科學領域的研究文化被推廣到 MIT 的工科院系。1932 年，MIT 著名的電機工程師、企業家和科技領導者 Vanevar Bush 教授擔任 MIT 工學院院長和副校長。在與 MIT 數學系著名教授、控制論發明者 N. Wiener 合作研制模擬計算機的過程中，他認識到科學訓練對工程學生的重要性。 他認為，“工程研究不能超出支撐它的數學基礎范疇”（Engineering can proceed no faster than mathematical analysis on which it is based）。在他的呼吁下，羅斯福總統于 1940 年成立了美國國防科技研究委員會（NDRC）并任命 Bush 為首任主任。 NDRC的主要職責是協調民間科技力量為即將到來的戰爭做武器技術研究，其著名項目包括曼哈頓原子彈工程和在 MIT 設立的雷達研究實驗室 （MIT Radiation Lab）等。這些研究項目的特點是利用科學原理來研制之前沒有的新技術和新產品（進入了無人區，以往的經驗沒有太大的借鑒作用）。在這個過程中，項目的組織者，包括 Bush 和他的幾個著名弟子，如伺服技術發明者 H. Hazen 教授及信息論創始人 C. Shannon 和被譽為“硅谷之父”的 Stanford 工學院院長 Terman 等都成長為在工程領域非常有建樹的科學家。
圖 3 MIT 工程教育 的 Karl Compton (校長 1930-1948)和 V . Bush 教授 Bush 的另一位弟子、數控機床的發明者，MIT 伺服機構實驗室(Servomechanism Lab, AILab 和 Lincon Lab 前身)的創始人 G. Brown 教授注意到哈佛大學物理和數學畢業的學生遠比 MIT 工科畢業的學生突出。雖然哈佛學生沒有工程訓練，開始時動手能力差些，但經過一段時間的工作后迅速成長起來，利用他們扎實的理論基礎脫穎而出。1950 年，由 G. Brown 教授主導的一個工程教育改革委員會經過大量的調研后給學校提出了一個被后來稱為 Brown Report 的報告。報告認為之前的培養機器操作工的工程教育模式雖然在動手能力培養方面有其可取之處，但不能培養真正的科技創新工程師。該報告對未來的工程教育改革提出了兩點重要的建議： 1. 科學主導工程(Science dominates engineering. The modern engineers should be educated as a scientist)，強調教學中數學和科學的地位 2. 實驗與課堂教學緊密結合(Laboratory instruction will coordinate closely with classroom instruction as an integral part of the subject)
圖 4 G. Brown 教授 與此同時，美國工程教育助進學會 (SPEE， Society For Promotion of Engineering Education) 也發表了份報告，強調人文和社會科學 (Humanity and Social Sciences, HSS)在工程教育中的重要性。1952 年 G. Brown 擔任 MIT 電機系系主任， 1959 年擔任工學院院長。在他的推動下，新的工科課程體系在 MIT 電機系、工學院以及美國其他主流大學逐步施展開來。 表 1 以電機系為例展示了科學主導工程教育改革后新的課程體系。先從數學/物理/化學課程開始，再到專業基礎課程和專業課程（部分專業基礎或專業課程會配有相應的實驗環節以加深學生對理論的理解）。最后年有門畢業設計課程（英文叫 Capstone Project ）讓學生把之前所有學到的知識整合起來。人文與社會科學課程不少于 8 門。這個課程體系的最大挑戰是學生要有耐心按班就序的學好學完前面的科學、專業基礎和專業課程知識，最后通過畢業設計來實現集大成的功能。就好比學少林武功，一步步把挑水、劈柴、站樁等基本功練好，最后才能學武功招式。毅力之外，學生還需具備對這個課程體系的信心。當然，這對于從戰場回來的二戰老兵或者經歷過文革后的大學生們這都不成問題。這套扎實的課程體系為當時的美國企業和大學培養了批批優秀的工程師和研究人員，同時支撐了美國工程教育和美國科技產業 50-90 年代的高速持續發展（IBM，Bell Lab, Silicon Valley, Boston 128 等），在此基礎上，Berkeley 微電子 program 的建立，更催生了美國芯片產業 50 年的長盛不衰。
表1 電機工程專業在科學主導工程教育改革后通用的四年課程體系框架圖 3. 信息時代的工程教育 隨著 80 年代芯片、計算機和互聯網產業的迅速崛起，人類進入信息時代。依據摩爾定律規律，信息時代新的知識和技術不斷涌現和快速發展，與之相應的工科教育也受到不少沖擊。新的課程和新的知識點被不斷引入到已經很豐滿的課程體系中去。光計算機語言就有匯編、Fortran、C++、JAVA、Python 等需要考慮。打補似，要修的課程越來越多。老師和家長也相信，學生要不學好掌握日新月異的知識，將面臨很大的就業風險。 從 1995 年到 2000 年， CMU 電機系對過去畢業的學生進行了次全面系統的跟蹤調查。他們的研究結果讓人大吃驚。 “課程上的越多的同學以后取得的成就越小”。他們還發現，現在的學生已經不像二戰后的學生樣，能按部就班的步步走完全過程。如果看不到應用前景，學生不會有耐心去深入學習這門課程。如果數理基礎不扎實，以后學習新知識將面臨巨大的困難與挑戰。技術的快速發展，使得很多課堂知識沒幾年就過時了，工科教育陷入一個疲于奔命的怪圈。 正因如此， CMU 推動了第三次工程教育改革：首先，把課程數目從 40 門減到 32 門（每學期平均四門， MIT 甚至容許學生 30 門課程畢業）。其次，在大學年級（甚至第一學期）引進了門項目課程，通過動手實踐，輔以少量的理論教學，讓學生對后面的課程內容有一個感性、直接的了解，激發他們對數理課程和專業基礎的學習興趣。 4. 智能時代的工程教育 近年來，新輪科技變革和產業創新進入拐點期，機器人和人工智能技術浪潮風起云涌、席卷全球，人類發展已經進入智能時代，美國、歐盟、英國、日本、俄羅斯等紛紛制定人工智能國家發展計劃，我國也先后出臺《中國制造2025》《“互聯網+”人工智能三年行動實施方案》和《新代人工智能發展規劃》，加速發展機器人和人工智能、搶占國際產業的制高點，已成為世界各國的共識與行動。 隨著機器人和人工智能開始重構人類的生產生活、學習和思維的方式，智能教育與人才培育已然成為新時代課題，它給人類帶來的影響，或許會遠遠超過過去幾十年計算機和互聯網對世界的改變[3]。智能科學與技術，不但是工科門下新的級學科,而且會向工科的所有學科和專業滲透，滲透也許不是驚天動地，而是潤物無聲，這種無聲的柔軟同樣可成為催生和推動“新工科”建設的核心驅動力。 智能時代高等教育的價值進步提高，新工科建設應與智能級學科的設置相呼應，新工科應有新的專業，智能科學與技術的核心課程應成為理工科為主體的本科生通識教育課程，這說明，目前，新工科教育改革已勢在必行。 三、新工科教育改革的重點案例介紹 1）MIT Media Lab 上世紀九十年代為應對互聯網技術的快速發展、MIT 建筑學院設立了一個以研究生教育為主的交叉學科（他們稱作為反學科，anti-disciplinary）實驗室。其目的是用設計思維去發現和定義問題，然后通過融合藝術、科學與工程去找到解決問題的新方法[4]。學生來自理、工、藝術和文科等多種背景。有共同興趣的學生組成項目組，圍繞某個問題開展跨學科研究，以研制出款能演示的原型機為最終目的。Media Lab 的企業合作伙伴不止為實驗室提供項目費用，也負責把實驗室技術產業化。實驗室的口號是 Design & Demo。
圖5 兩組MediaLab的學生項目 2011 年，MIT Media Lab 迎來了它第二任主任 Joi Ito. 日裔，兩次大學都未能畢業，卻成為世界著名的 Media Lab 實驗室主任，這在學界引起了不小的震動。但 Ito 對教育的觀點通過幾次 TED 演講迅速被社會所理解和認同。2014 年， Ito 訪問了被譽為世界制造之都的深圳，參觀了富士康和大疆創新等公司，回去后即把 MIT Media Lab 的口號從 Design & Demo (Demo or Die) 改成了 Design & Deploy (Deploy or Die)。他認為，Media Lab 在過去 30 年雖然取得了不少原創性的研究成果，但透過第三方（企業）去將其產業化的效果并不佳。好比自己生的小孩要讓別人抱養樣。互聯網、硬件、3D 打印等技術的快速進步使得產業化的難度和成本都大大降低。學生完全有可能通過創業自己去將自己的技術產業化。
圖6 MediaLab第二任主任JoiIto（伊藤穰一） 2）新加坡設計科技大學（SUTD） SUTD 是 2012 年由新加坡政府設立的所集設計與創新于研究和工程中的公立大學。MIT 前工學院院長 T. Magnanti 擔任第任校長，設有工藝與可持續設計、工程產品開發、工程系統與設計以及信息系統技術與設計四個系。以社會對產品、過程、系統和服務的需求為出發點，融合技術與設計去培養能滿足社會需求的產業領導為其定位。 四年的大學課程分為 1~2 年級和 3~4 年級兩部分：1~2 年級部分學生在數理人文課程之外，分成項目組參與設計和動手課程訓練。3~4 年級部分，學生開始所選領域課程學習。最后在 4 年級完成一個跨領域的畢業設計課程。 3）Olin College Olin College是1997年成立于美國Boston地區的四年制私立學院。其課程體系以動手學習項目和設計項目課程為主（24 門理工科課程有 21 門是項目課程）[ 5]。 Olin 的創始人始終認為優秀工程師就像外科醫生樣必須接受大量的實戰訓練。學校開設了很多極有創意的課程讓學生去深入社會、了解需求。再通過動手實踐，設計、制作、調試和迭代優化可能的設計方案。學生的畢業設計般由企業出題并提供項目經費（或學生通過市場調研自選）。企業高管和工程師全程參與學生項目評估(Project Review)。通過系列項目課程訓練，學生能真正掌握優秀產品工程師的技能。雖然辦學時間不長，Olin 的畢業生受到企業的熱捧，平均薪酬高出 MIT 畢業生很多。2013 年，Olin 學院因其在創新人才培養的大膽舉措和卓越成就榮獲美國工程院頒發的 Bernard Gordon 教育獎。
圖 7 Olin 學院 4）Stanford D.School 這是一個為該校師生服務、訓練學生設計思維，團隊合作、解決真實需求問題的創新 課程體系。學生來自不同專業背景，通過深度走訪硅谷的科技公司了解產業需求和產業資 源，并在此基礎上，通過系列的項目課程，找到解決問題的創新方法。 利用硅谷豐富的企業資源， D.School 的很多課程由具有豐富實踐經驗的企業（比如蘋果、谷歌等）工程師開設。學生也能接觸線的產業知識。英國帝國理工的 Dyson School of Design Engineering 與 D.School 很相像，充分利用 Dyson 公司的企業資源來培養學生。 5）香港科技大學電子與計算機工程系 (ECE) 香港科技大學創辦于 1991 年。其宗旨是為香港打造所全新的研究型大學（之前香港的大學都是教學型的）[6]。電子與計算機工程系(ECE)創辦之初， ECE 的課程體系基本上是照搬美國主流大學（主要參考 Berkeley 和 UIUC）的傳統模式，經典課程包括信號與系統 (Signals and Systems)、反饋控制(Feedback Control)、機器人學(Robotics)等，這些課程需要學生具備很好的數學基礎。課程以課堂教學為主，配以習題討論和部分實驗。 多年下來，我們發現一個共同現象：除了極少數學生外，大部分學生的數學基礎都不夠，也缺少興趣與耐心去補齊之前的不足，開學時來上課百人，期中階段就剩下半不到，而到了期末階段也就四分之了。 2003年，香港電視臺為組織亞太機器人大賽(Robocon)來學校招募學生團隊。借此機會，我給學校寫了份報告，希望專門開設門課程，讓學生動手設計、制作和調試多臺機器人。學生來自電子、機械、計算機和物理等相關專業，1 年級到 3 年級（當時采用英國的三年制）都有。前面幾屆不太好招人，大部分內地學生要申請去美國讀研，認為花太多時間在這類課程上會影響成績，降低美國名校錄取的機會。第屆和第二屆的隊長是汪滔和馬墨，兩位從內地來科大且喜歡動手的同學。為了取得好成績，快速迭代是關鍵。汪滔和馬墨家住深圳，利用這個便利，他們去華強北買電子零部件，深圳工廠做 PCB 和機加工。通過這門課程，他們不但學會了系統設計、制作與調試，還學會了項目管理、團隊合作等技能。Robocon 的學生先后創辦了大疆、云洲、逸動等多家科技公司。一個有趣的現象就是這門課的學生會主動的花很多時間在課程上，最后一個月，學生會沒日沒夜的撲在實驗室調試機器。 2013 年，科大本科由三年改成四年。借此機會，我們系成立了一個委員會來規劃和設計新的課程體系。在全面調研了 CMU， Stanford 和 MIT 等高校有益實踐的基礎上，我們重新設計了 ECE 的課程體系。通過提煉和簡化 Robocon 這門課的內容，我們為大學年級學生開設了門以實驗為主的導論課， Elec 1100 Introduction to Electro-Robot Design. 每個項目組（通常 2 個人）利用分離元器件搭建電源系統、電機驅動系統、光電傳感器和控制系統等系列機器人模塊，最后把這些模塊集成起來，做成一個機器人小車并完成尋跡比賽。這個過程中，老師給學生講授所需的電路、模擬電路、數字電路、電機、邏輯電路、反饋控制等基礎理論知識、學生立馬把這些知識應用到項目中去。動手實踐、理論學習、項目討論和高競爭性的比賽極大的調動了學生學習的積極性。重要的是學生能深刻體會和牢牢掌握所學知識。而不像以前被動學習、沒多久就把所學知識還給了老師。這門課經過多位老師多年的迭代，已經成為科大的品牌課程。每年有大約 400 多學生上這門課。 圖 8 展示了 ECE 新的 4 年課程體系。課程結構則如圖 9 所示，總學分 117 分，課程數目不少于 31 門，其中數理基礎課程占比 20%，項目課程 12%（不包括專業課程的實驗部分）。
圖8 港科大ECE系新的4年課程體系
圖9 港科大ECE系新的4年課程結構 以上是目前些世界知名大學在工程教育領域所做的些改革探索工作，他們的共同點是均瞄準市場和產業的實際需求來進行人才培養，同時縮減精化課程體系，開設多學科交叉融合的特色課程，校企聯合，注重創新實踐能力的培養等，這些寶貴的實踐經驗為工程領域的教育改革提供了非常有價值的參考。 四、新工科教育實踐：定位、措施與評估 A. 定位與人才標準 新工科教育既要服務現有產業，更要面向未來產業。新工科畢業生既要成為推動現有產業轉型升級的重要力量更要成為催生新興產業的主力軍，因此準確預判現有產業的發展方向和未來產業的落地點對新工科建設至關重要。2017 年中國 GDP 大約是 12 萬億美元（美國 18.8 萬億美元），中國制造業增加值占 GDP 比例大約是 30%。如果中國經濟發展能保持對美國四個百分點的優勢，平均每年 6.5%左右， 十年后將迎來歷史的重要轉折點，中國將趕上美國成為世界第大經濟體。如果作為實體經濟主體的制造業能保持健康發展，十年后其占 GDP 比例還能有 25%。制造業增加值將達 6 萬億美元（超過現有 GDP的大半）。我們看到無論是美國、中國還是其他主要經濟體其市值最大的十大公司在過去二十年甚至十年都發生了巨大的變化。傳統的資源型、壟斷型巨頭不斷被不起眼的新興科技公司所取代。很多 10 年前甚至 5 年前沒見過的產品，比如無人機、新能源車、水域機器人、家庭機器人等正快速成為我們的生活必需品。如果要簡單概括未來產業新形態，那就是智能時代新經濟。從制造業角度看，這包括智能芯片與傳感器、智能裝備與智能制造、大數據與人工智能、生命科學以及這些技術在各領域的應用和融合所產生的新經濟（見圖 10）。
圖 10 智能時代的新經濟領域 新工科教育就是要培養推動和引領新經濟發展的領袖，包括新興科技公司的創新創業者和推動傳統產業轉型升級的領導者。一個創業者（無論是科技公司創業者還是公司內部創業者，比如新產品、新部門的領導者）應該具備什么樣的能力與素質才能完成其使命？新工科教育又是如何給學生賦以這樣的能力？ 高通公司的主席 Paul Jacobs 博士曾有段很難忘的經歷。早期，該公司憑其在移動通信領域的專利壟斷和眾多的客戶如 Nokia 和 Ericsson 等公司的專利費，躺在床上也能數錢。突然，冒出家原來與移動通信毫不相關的公司--喬布斯的蘋果把高通的客戶打得一塌糊涂。Jacobs 博士在美國知名的加州大學伯克利分校讀完本科、研究生和博士。蘋果事件后，Jacobs 博士深刻反省了大學教育，認為在“全球化的創新經濟時代、以前那種只滿足于教給學生單科知識的模式已經不行了。學生需要學會如何在跨學科團隊工作、如何快速迭代從設計到制造的全過程、如何融合藝術與工程、如何理解全球市場不同的需求”。為改變伯克利分校的本科教育，他于 2015 年捐贈設立了 Jacobs 設計創新學院。該學院充分利用企業和伯克利豐富的學科資源，為學生開設了系列提升學生動手能力和系統設計能力的課程。學生的創業氛圍也取得了空前的改善和提升。
圖11 Jacobs設計創新學院 美國家研究機構 CB insights 利用大數據研究了百多家公司后列出了創業失敗的主要因素。居第位的是產品不是市場要的(42%)，也即我們說的偽需求；其次是資源耗盡了(29%)， 第三是沒有一個好的團隊(23%)：第四是遇上了更強大的競爭對手(19%)；第五是價格和成本因素(16%)，也即我們所說的性價比。這些導致失敗的因素教科書里也能找到，關鍵是如何才能最大可能的減少失敗的因素、提升成功的因素。書店里充斥了各種成功企業和成功人物的傳記和報道，似乎把這些書讀熟了也就找到了成功之路。現實世界是殘酷的，行業、公司、團隊和時間地點的不樣也就意味著每個公司的成功之路是完全不樣的。世界上沒有“成功學”這門課。硅谷著名的創業家和作者 Eric Ries 寫了本很有參考價值的書，叫 The Lean Startup （精益創業），其思路與豐田公司的精益制造 (Lean Production)有相似之處，即以最低的成本最快的速度完成從創意，到樣機再到市場的多次迭代。科技創業尤其是硬科技創業沒有什么捷徑，必需經歷從創意到樣機再到市場的多次迭代，而每次迭代又包含多個階段性的樣機試制。一個成功的科技產品必須經過千錘百煉才能殺出來。
圖12 創業失敗的主要因素總結及TheLeanStartup的創業成功原則
圖13 成功的產品的迭代過程 在信息技術高度發達的今天，一個科技創業公司成功的關鍵就在于迭代的速度與成本控制（Jacobs 博士的觀察）。如何產生好的創意？如何研制出代又代的樣機？如何從市場的反饋去提取下步努力的信息？什么樣的人才標準和相應的人才培養方案、包括課程體系，能夠讓學生成為優秀的科技創業者(entrepreneurs and intrepreneurs)？ 美國工科認證委員會 (ABET 2000) 對工科學生應該具備的能力有個非常系統和科學的陳述，一共 11 條（簡稱“人才標準 A-K”），可概括為如圖所示的三大部分：分析能力 (Analytic Skill)、動手能力(Hands-on Skill )和生活能力(Life Skill)，具體如圖 14 所示。
圖 14 ABET 2000 工程領域的完整人才標準 很多知名學科（系）的人才培養標準，雖然表達形式略有不同、但其本質與以上幾條相差無幾。分析能力的第條強調的是把數理和工程理論知識應用到實際問題中去，而不是上了多少門課或者考試成績如何。我們常把那些能上課能考試的學生稱為“學霸”而膜拜，這就不定合適了。 動手能力的第層次是基本功。每個工科學生都應該具備。達到第二層次才能成為合格的工程師。如果能夠達到第三層次，即通過觀察市場需求去尋找痛點問題，并能找到解決該問題的工程方法，也就具備了科技創業者最重要的能力了。工程問題往往都不是單打獨斗能解決的，它需要團隊合作。而有效的溝通和表達自己想法的能力對于打造一個優秀的創業團隊也就變得至關重要。在技術快速發展的今天，課堂上學的很多東西很快就過時了。而創業過程中又會碰到很多之前沒見過的新東西。學會如何學習、終身學習，始終保持好奇心才是最根本的。 B. 新工科教育實踐：粵港機器人學院 確立新工科教育的定位與目標后，人才培養方案可根據學校、學生和周邊環境的特點來合理設計。以下我們將重點介紹松山湖機器人產業基地與廣東工業大學合作創辦的粵港機器人學院案例。該項目合作方還包括香港科技大學機器人研究所和東莞理工學院。 創辦于 2015 年的松山湖機器人產業基地是一個以機器人和智能硬件為主的新型孵化基地。目前在孵的團隊和企業有近三十多家。創業者以年輕的大學生或研究生為主。業務范圍從核心部件到機器人再到系統集成。設計、芯片、機器人、機電體化、智能制造、物聯網、大數據和人工智能等技術滲透到各團隊和公司的產品與運營中。 廣東工業大學是所以工為主、工理經管文法藝結合的、多科性協調發展的省屬重點大學，是廣東省高水平大學重點建設高校，學校共設有 19 個學院、4 個省攀峰重點學科級學科、31 個二級學科博士學位授權點，現有在校學生 45000 人。 2014 年，有感于東莞產業轉型升級的需求，我向松山湖和東莞市政府提出了建立松山湖機器人產業基地的設想。利用東莞被譽為“世界工廠”的產業鏈資源和我在過去十多年深圳東莞創業孵化的經驗，把香港、內地和國外有志于機器人領域創業的年輕人吸引到松山湖，幫助他們實現他們的創業夢想，也為松山湖和東莞培育批新型科技公司。機器人基地的建設需要大量的有創新創業能力的工程師。而這恰是東莞的短板。經過與廣東工業大學陳新校長的深入溝通，我們決定聯手建立所新型的人才培養機構--粵港機器人學院。為松山湖機器人產業基地提供有雙創能力的工程師的同時，也為廣工的工科教育改革提供有益的經驗。 改革前狀況：以機電工程學院為例，之前學生先報考該學院的某個二級學科專業，如機械設計與自動化（該院共 5 個二級學科），再按照該專業的培養方案完成四年的大學課程學習。學生通常要完成至少 184 學分（大約 74 門課程）。因考研或者找工作等原因很多學生會選擇用前面三年時間修完所有的課程（之前清華自控學生三年 73 門課，中科大自控 63 門課）。每學期至少 9 門課程意味著學生從早到晚都處于一個填鴨式的學習狀態中。深度的研究后更發現學生無論是上數理課還是實驗課基本都在走形式。 四句話形象的概括現有培養方式：專業細分化、基礎形式化、實踐虛擬化、知識碎片化。如此培養的學生是難以擔當大任的。 機器人學院的改革從以下幾個維度切入： 1）跨學科培養：學生來自設計、機械、自動化、信息工程、計算機和數學六個學院的相關專業。因廣工校園緊鄰黃埔軍校舊址，我們把第期 80 多位同學簡稱為黃埔期學員。圖 15 為廣東工業大學粵港機器人學院組織架構和學緣結構示意圖。學生從某專業進來，畢業時還拿該專業學位。學生除了本專業的課程外，還參與系列跨專業項目課程學習。這些課程以問題為導向。在老師的協助下，跨專業的項目組要完成系統的設計、分析、制造與調試。通過項目討論與評估，學生不止學會理論與實際的結合以及工程工具的靈活應用，還掌握了項目管理、溝通和團隊合作等技能。最重要的是也參與和了解機械同學的機械設計與制造、電機同學的電路設計與制造、軟件同學的軟件設計等等。通過比賽和項目評估與展示，學生從被動學習變為主動學習，把(同行與競賽)壓力轉化為學習動力、激發了學習熱情并提升了自學能力。
圖 15 廣東工業大學粵港機器人學院組織架構和學緣結構示意圖 2）專業課程改革：在增加項目課程和數理基礎課程的同時，總學時和總課程數大幅度的減少。是裁剪些沒必要的課程，二是整合些相關的專業課程。通過引入實驗環節來協助學生理解和融會貫通相關專業知識。比如，機電專業的電路與模擬電子技術兩門課被整合成電子與電路學門課（4 學分），理論力學、材料力學、熱力學與流體力學四門課被整合成工程力學（4 學分）門課，控制工程、機電傳動與控制和工程測試技術三門課被整合成傳動與控制（4 學分）門課。最后，機電專業的總學分為 156.5 學分（減少 15%），課程數目在 35 門課左右（減少 50%）。 3）綜合性項目課程：從大學第學年到第二學年（廣工校園階段），學生每個學期都有門機器人項目課程 (I~ IV)， 共 13 學分。機器人項目課程 I （5 學分）從港科大Elec 1100: Introduction to Electro-Robot Design 演變而來。通過本課程學習，學生能掌握電氣工程（包括電路、模擬電子技術及數字電子技術、電機控制）的基本知識和基本原理、同時具備用分離元器件設計機器人及其部件的能力。課程結束時，學生需要完成一個具備特定要求功能的尋跡機器人小車。機器人項目課程 II 以再現上年的 Robocon（或者Robomaster）比賽為課題，而機器人項目課程 III 和 IV 以參加當年的 Robocon（或者Robomaster）比賽為主題。第三、四年學生到松山湖機器人產業基地學習。第三年要完成產品設計項目課程 I 和 II（共 21 學分）。 在這之前，學生通過寒暑假會有系列的企業和展會參觀。尤其是與基地創業公司的互動，他們對產品的定義和研發過程已有定了解。產品設計項目課程前，學生會接受產品定位與設計培訓。同時還要掌握些基本的設計工具的使用。之后，學生要開展深度的市場和客戶調研，并提出份詳細的項目計劃書。基地會組織基地工程師對團隊的方案進行評估并提供反饋意見。論證成功后、項目組利用基地設施和周邊的供應鏈制作樣機，驗證設計方案的可行性。很多情況下，學生要經歷幾次樣機的迭代。 第四年是學生的畢業設計（12 學分）。一個好的畢業設計將是學生跨入創業征程的第個臺階。首先，課題的選擇由課題組在充分論證的基礎上產生。有的甚至在前年的項目設計課程中已經迭代多次和升級；其次，課題組已經磨合過、知根知底。再者，課題組對產品設計、制造和測試已具備相當的經驗、潛在用戶能夠理解樣機的功能和定位。 機器人學院總學分 156.5，總課程數 35 門左右。其中 7 門綜合性項目課程學分累加為 46 分，占總學分 30%。具體課程結構與學分分布如圖 16 所示。
圖16 機器人學院課程結構與學分分布 4）寒暑假項目課程：寒暑假項目課程由系列短課程組成（不計學分）。主要偏重于核心工業技術和前沿研究技術的學習與應用。授課老師來自于領軍企業的工程師和國際知名學者，是基礎課程和綜合性項目課程重要的補充。例： ◆ 機器人項目課程 I+ 在機器人項目課程 I 的基礎上，TI 的工程師在寒假用兩個星期時間完成這門課程的單片機升級版。綜合運用之前所學習的各個模塊，用 MSP 430 單片機讀入紅外傳感器數據、控制電機和完成循跡控制。之前的單片機課程要化整整一個學期的時間。因為沒有合適場景和實驗平臺，學生對單片機的理解也非常粗淺。
圖 17 機器人項目課程 I+ ◆ Model-based Design Workshop（基于模型的設計課程）： 由美國 Mathwork 工程師給學生介紹基于模型的設計理論，并且用移動小車跟蹤網球為對象，學習如何用 Mathwork 軟件來設計和調試小車的控制算法。課程時間三天。全班 60 個學生，每個組 4 人。最后都能完成實驗。掌握了機電控制領域最重要的工具的使用。 ◆ Design Definition Tools & Constructing Design Solutions Workshop： 課程由香港理工大學設計學院教授開設，為期兩周。通過與基地創業公司和團隊的合作，也積累了很多機器人設計案例（包括常犯錯誤）。通過這些案例，學生了解了產品創意，設計、制造到使用的全過程。從不同的角度去理解產品定義（功能）與使用、適用以及客戶滿意度的關系。工程師跳出工程師思維至關重要。
圖18 產品定義與設計課程 此外，一年級寒假，學生會利用基地的木工坊制作自己喜歡的東西，比如復原達芬奇的設計。 同時，各年級學生還積極參加機器人領域國際知名學術會議（見表 2），增長見識，了解前沿基礎研究。
表2 各年級學生參加機器人領域國際知名學術會議統計列表 5）數理基礎課程：扎實的數理基礎是一個優秀的機器人工程師所必備條件。機器人三大核心技術：感知(Sensing)，認知 (Perception) 和控制 (Action)離不開數理基礎的支撐。通過數學和物理等科學知識的學習，學生能掌握和應用數理方法去建立機器人和相關系統的數學模型，并能夠分析和驗證這些模型的特證、設計出合理的機器人規劃和控制策略。即使在數據科學和機器學習技術迅猛發展的今天，扎實的數理基礎更能讓我們深刻理解機器人的規律。工科領域數理基礎訓練最扎實的首推美國加州理工。從課時角度達到三年數學、兩年物理、年化學/生物的基本原則（六門數學課、四門物理課、兩門化學/生物，數理基礎課程占比 35%以上）。從學習深度物理教材用的是 Richard Feyman的 Lecture Notes on Physics（很多學校是研究生教材），強調物理知識與實際問題的結合。 加州大學伯克利分校電機系有一個不成文的規矩：碩士生的數學水平必須達到數學專業本科的水平，博士生的數學水平必須達到數學專業碩士的水平。而伯克利的數學是世界首屈一指的。 機器人學院的數理課程改革還有很長路要走。內容、教材、學習方式、Matlab等工具的使用、與機器人結合的課程案例等都需要深度的探索。為此，港科大數學系胡繼善教授牽頭組織了一個數理課程改革小組、我們期望能有更多的經驗可以在以后分享。 6）《機器人學》課程改革案例介紹：這門課程起源于 20 多年前我在加州大學伯克利分校讀博時的段經歷。那時的機器人教科書主以 Richard Paul 和 John Craig 的兩本教材為主，對串聯結構為主的工業機器人的運動學、動力學和控制有比較清晰的數學描述。但從上世紀 90 年代起，機器人研究進入快車道，很多新的問題進入機器人研究者的視野，比如靈巧機器手、并聯機器人、移動機器人（大狗、自動駕駛、空間機器人）等。各種不同的數學工具被引入到機器人領域去解釋新現象和新對象（有如當今的機器學習）。這給要進入機器人領域的研究生帶來極大的困惑。他們必須掌握多種不同的數學方法（很多非常不嚴謹）才能窺機器人全貌。這對大多數學生來說是幾乎不可能的。我與伯克利的導師 Shankar Sastry 和師弟 Richard Murray 決定寫本研究生機器人學教科書，利用近代數學的微分流形理論來統不同機器人的建模、分析與控制。 經過近步的演化，這門課也曾在港科大本科生的機器人課程里出現過（前面幾章）。這門課最大的挑戰是用高級數學語言來描述和分析機器人問題，比如剛體運動學、串連（和并聯）機器人的運動學、動力學、軌跡規劃和控制。學生既要學習數學概念（線性代數和數學分析基礎差的學生尤感困難），又要與實際問題相結合（很多學生之前還沒見識過工業機器人）。港科大的幾次嘗試不是特別成功。李群自動化是松山湖機器人產業基地的工業機器人公司，其工程師王紅在哈工大深圳研究生院讀博時上過這門課，也知道要讓大學生掌握這些知識的難度。經過討論我們對這門課進行了以下改革： 1. 理論讓路，實際開頭 前面四周，我們為學生提供了一個開放式的工業機器人系統。讓學生通過操作對機器人系統的各個組成部分有個直觀的了解。隨后，給學生布置了兩個任務：Pick & Place （工件抓放）和機器人與視覺系統的配合。 學生在充分理解任務要求的基礎上，利用各種手段（討論，試錯、網上學習、請教老師等）去試圖完成這些任務。學生經歷一個認知過程：機器人如何動，怎么動？機器人與視覺和傳送帶如何配合？
圖19 《機器人學》課程課前實踐 2. 講用并行、重在理解 隨后，老師開始講授機器人基礎理論并安排相應的實驗環節，把所學知識立馬應用到前面的問題中去。同時還安排些硬件實驗，讓學生設計工業機器人的些關鍵模塊如電機控制等。學生還學會如何應用 Matlab, Simulink 和 MBD 等工具，最后取得了很好的教學效果。
圖20 《機器人學》課程理論與實驗交替進行 7）其他工程課程改革：還有幾門核心課程的改革正在進行中，比如反饋控制、傳動與運動控制、計算機視覺、無人機技術、機器人導航、機器學習等課程。我們也在充分利用 Mooc 資源和大量的企業資源為學生提供系列優質課程和學習體驗。 8）學生選拔：機器人學院的學習方式與傳統模式有很大差異。不是每個學生都適合。傳統的學生選拔方式不能選出適合機器人學院的學生。有些學生經過段時間學習后也意識到他/她并不適合這種學習模式。我們采取學生自愿、雙向選擇的方式。在選人方面還有很多探索的空間。表 3 列出了前面三期學生的動態變化情況。
表3 前面三屆機器人學院學生變化情況 以上是我們目前依托粵港機器人學院在新工科教育方面所做的些探索和實踐工作，通過這些改革措施，我們積累了定的改革經驗，同時也在不斷的糾錯迭代，今后，機器人學院的新工科教育改革和探索工作會持續進行下去。 五、結論 創新創業人才的培養是國家創新機制建設的核心內容。智能時代的機器人技術既是先進制造業的關鍵支撐，也是改善人類生活方式的重要切入點，其研發及產業化應用是衡量一個國家科技創新、高端制造發展水平的重要標志。集數理、設計、機械、電子、計算機和其它學科于體的機器人技術是新工科建設最具代表性的前沿交叉學科，也是新工科建設最重要的突破口，只要通過科學的頂層設計，配合深刻的課程改革，再利用創新創業實踐來持續改進和優化系統設計，機器人學院即有望成為高等院校建設新工科，實現創新人才培養突破的制高點。與此同時，借助國家“校企聯合，產學合作”的助推政策，打造高效的創新人才培養體系和全生態的創業孵化平臺，必將為所在地區新經濟發展提供極其重要的助推引擎，從而推動機器人產業化進程的迅速發展。 鳴謝：真誠感謝粵港機器人學院各參與方對該項目的長期投入和支持。廣東工業大學陳新校長為該項目從頂層設計到最后落地付出了大量心血。章云副校長、教務處何漢武和陳鴻志處長、六所參與學院領導和老師以及常務副院長陳瑋教授等為機器人學院的課程設計和改革以及學院管理等作了大量細致的工作。機器人學院學生尤其是黃埔 1 期同學既是改革的參與者也是改革的推動者。松山湖機器人基地的同事尤其是研究部的丁老師和董老師以創業者心態全面參與了機器人學院的建設。東莞理工學院、松山湖管委會和參與公司固高、大疆、李群、逸動等的同事從不同維度為機器人學院的創辦提供了積極有益的幫助。 參考文獻： [1] 文.偉大的中國工業革命[M].清華出版社,2017 年 [2] https://baike.sogou.com/v6813346.htm?fromTitle=錢學森之問 [3] 李德毅,馬楠. 智能時代新工科——人工智能推動教育改革的實踐[J].高等工程教育研究,2017 年 05 期 [4] https://www.media.mit.edu/ [5] http://www.olin.edu/ [6] https://www.seng.ust.hk/web/eng/ |
