思維導圖在創新型本科人才培養中的探索與應用

王少力 譚季秋 劉軍安 陳國強

摘要：以“中國制造2025”、“工業4.0”為工程背景的機器人、智能制造、云計算等新工科專業飛速發展，社會對高校高端復合人才的培養與技能認證，提出了更高的要求。針對國家和尖端高科技企業對人才認證的培養需求，創新實踐了“政、產、學、研、用”辦學模式，就機器人工程專業高端人才培養采用融入思政的思維導圖方法，創新設計并優化了機器人工程專業人才培養計劃、專業課程群、知識能力矩陣和核心課程的建設;采用“教育鏈、人才鏈、產業鏈、創新鏈”四鏈融通的校內與校外教學與督學雙循環思維導圖保證機器人工程人才培養達成度;實踐表明，思維導圖在機器人工程專業人才培養過程的實施取得了較好的效果，對提高機器人工程專業復合型人才的綜合能力，推動高等教育實踐教學改革具有重要的指導作用。

關鍵詞：思維導圖;機器人工程專業;人才培養計劃;創新型人才

湖南工程學院實施工程教育近70年，在地方高校中率先確立“應用型本科”辦學定位。近10年辦學方針始終強化卓越工程師應用型人才培養之核心定位。2017年以來，學校已全面展開新工科2.0版辦學模式，來踐行國家新工科高端人才培養理念。而伴隨著中國制造業的轉型升級，工業物聯網、工業互聯網及其知識和技術能力的跨界融合，以“中國制造2025”、而伴隨著中國制造業的轉型升級，工業網、工業互聯網及其知識和技術能力的跨界融合，以“中國制造2025”、“工業4.0”為工程背景的大數據、智能制造、機器人工程等新工科專業飛速發展，社會尖端高科技企業對高校復合型高端人才的培養，提出了更高的要求。為增強適應高科技企業對優質人才培養需求，高校也必須有對應的創新型人才培養計劃，來促進優質人才的教育、孵化、助產和產出。

針對以上國家和尖端高科技企業的需求，我校目前正積極創新實踐“政、產、學、研、用”辦學模式，把地方政府、行業部門、科研院所、國家企業多方優勢資源匯聚起來，完善科教結合、產學融合、校企合作的協同育人模式，構建集教育、培訓、研發一體的共享型協同育人新工科實踐平臺;積極把“教育鏈、人才鏈、產業鏈、創新鏈”四鏈融通，強化崗位實訓，以實現校企雙贏，來解決理工科高端復合型技術人才培養難的問題，來開拓解除和破解機器人工程專業人才培養難的問題。

一、構建“四鏈融通”新工科機器人工程專業人才培養機制

2019年以來，湖南工程學院獲批機器人工程、人工智能等5個新工科專業，同時也在積極改造和升級機械電子工程專業、機械設計制造及其自動化等傳統工科專業6個，并成功申報省級和國家級雙一流專業。從人才深度創新型培養角度，已充分激活了產學研深度融合的教育資源，并主動將人才鏈和教育鏈對接產業鏈和創新鏈，構建四鏈融通新工科人才培養良性循環體系。

為辦好機器人工程專業，具體實施路線如下：

（1）結合辦學定位，優化人才培養方案

機器人工程專業是融合自動化、機械工程、微電子科技、控制工程、計算機科學與技術、人工智能、高等數學與尖端物理等學科的前沿交叉學科。本科教學的人才培養方案，不僅是高等教育的知識技術樹的科學思維導圖，也是技術能力矩陣的思維導圖，更是促進社會科學發展的工程技術思維導圖。根據機器人工程專業發展的背景需求和時代技術要求，參照國際教育工程師認證方式，借鑒人才培養的華盛頓協議國際標準，技能教育的認證體系和結果可被國際認可并采信，以國家卓越人才培養試點專業驗收條件，機器人工程專業的工程師國際流動打基礎，為工科學生走向世界提供“通行證”

為目標，優化和明確出來：①培養目標與畢業要求的對應矩陣;②畢業要求與課程設置的對應矩陣，③知識素質能力與課程的對應矩陣。根據這三個矩陣，以反向設計和正向施工方式，擬訂我校機器人工程專業的技能導圖培養計劃和實施過程。工程師認證體系能力矩陣，見圖1：

（2）根據人才培養方案，優化課程群建設

目前，我國的機器人工程專業的本科教育，正處于全面起步階段。在“互聯網+”的背景下，大數據、云計算等高科技信息技術已經與高等教育過程深度融合，在教育部和出版社及前沿企業技術通力合作下，除了教育資源的數字化取得了長足發展，同時如我國的神舟飛船、太空空間站、高鐵與盾構機等科學技術的本體產出，更是日新月異日進萬里。作為才從高中畢業進入本科進行專業技能學習的青春少年來說，愛國心和愛國情懷已初步具備，但是對專業技術能力的認知和實踐、報效祖國的精神與技術能力則極為欠缺;如何讓這些青春少年全心全意學習好專業技能進而以精益求精的高級工匠方式來報效祖國服務社會，這個任務就轉移到大學高等教育來完成。

機器人工程專業人才培養機制和培養模式研究，目的是培養大學生掌握高精尖科學技術必須具備的高等知識和專業技能。這就需要高校的人才培養計劃和課程群引入思政融通，不停鍛煉其思維方式與學習方法，來養成不斷學習積極進取的心態，鍛煉其創新學習與技能適應能力。機械工程學院充分發揮我校工程學科群的多學科交叉優勢，以“5+3”的人才模式踐行人才培養;具體措施為：前5個學期，緊密結合機器人學科方向進行多學科融合教學改革，夯實專業基礎;后3個學期，根據每一位學生的發展目標制定個性化培養方案，培養創新能力。建立多學科交叉融合的導師團隊與創新創業工作坊，制定貫穿整個大學期間的實踐教學體系，設計迭代升級的實踐教學環節和創新創業項目等實踐教學啟發學生創新思維課程。“團隊式”課程教學（完善的課程團隊組織、多學科交叉）;“模塊化”教學內容（理論與實踐的優化、新工科導向）;“迭代式”建設方式（機器人工程專業課程的積累、公共課的啟動）。按“新工科”要求創新制定機器人工程專業創新人才培養方案，具體措施見圖2。

（3）根據課程群建設，優化建設核心課程

機器人工程專業總課程目標是通過四年本科高等人才培養，讓學生能熟練掌握自主設計機器人機構、制造、調試具備預定目標功能的智能機器人，并演示闡述其作品的應用場景、設計理念、設計方法、制作工藝、控制規則等。理論教學環節主要內容有：機器人發展史、機器人機體體系架構、機器人群組通訊機制、機器人群組坐標系的描述和轉換、任務調度與裝機實現、運動規劃及其實現、智能機器人系統開發、服務智能機器人設計、工業機器人設計、智能機器人控制算法、智能機器人軟件平臺、機器人綜合實驗、智能機器展望等。0D7580B0-082A-459E-BA3F-2639E52B3270

思維導圖，是以實物、圖文和多媒體動畫內容為教學題材的多角度并茂的信息教學方式，以綜合一體化方式來展開表達根系集成式發散思維的極為有效的圖形與多媒體教學和思維引導的教學工具。以思維導圖的方式，在實踐教學過程環節內，通過根系知識體系方式充分激發學生的知識與信息技能關聯性，以思維導圖方式進行專業技能的高等教育，可有效幫助人才在動腦解題過程中，找到有效的學習途徑和工程驅動的解題思路。另外，教師在教學設計中，也要把一些有難度和極為抽象的機器人機體的機構問題，在課前要先將之以思維導圖方式進行細化和分解，兼顧考慮到大學生思維活潑、積極上進的主動學習特點，以保證學生能最大化地吸收和消化課堂內容。同時，積極鞏固提升《機器人原理與機構設計》、《機器人感知與學習》、《機器人驅動與控制》、《智能機器人系統》、《機器人工程物理》、《機器人工程設計》這6門核心課程的建設成效。

這需要任課教師能根據機器人工程知識樹體系特點，充分進行學情分析優質完成備課與教學。學情分析，即可以具體到學期學情分析，也可以細化到每節課的學情分析，也可以具體到每個單元教學的學情分析。根據學情分析前后對比，根據教育部制定的教學大綱，完成教學目標的分解、教學難點和重點的調控、教學反思的調整，來完成反復備課過程設計與項目驅動的迭代式教學。與傳統的邏輯思維法教學相比，思維導圖教學模式，更具時空結構性和多維信息的象形性與生動活潑性。

機器人產品設計過程中，最能體現原始創新能力的階段在于機構設計階段;機構創新設計決定了產品的創新性。機構創新設計過程，一般包括前期階段的功能設計、原理設計及結構方案設計，以及后期階段的運動學設計及動力學設計（如有必要）兩個設計階段。前期設計階段屬于形象思維階段，最需創造性，設計難度也最大，相當部分的設計工作是非數據性、非計算性的，必須依靠知識、經驗的積累和創新思維方法，并且創新的火花往往產生于這一階段。后期設計階段多屬于邏輯思維階段，著重改善機構的運動性能與動力性能。創新設計將貫穿于機器人機體的機構設計全過程。在實際的機構創新設計教學與項目實例中，需要學生能熟練掌握和學會：①設計原理與設計準則;②構型綜合與優選;③運動學分析與建模;④尺寸綜合與優化;⑤力學特性分析;⑥樣機構筑與實驗驗證;⑦改進設計或重新設計。這個思維技能導圖的過程循環與迭代。根據思維導圖模式，對機器人機構教學過程和內容給予優化，如圖3所示。

在具體反向設計中，又要求學生和老師積極協調配合，完成如圖4的機器人工程專業的相關科學技術的融合。

面對一般工科專業開設的《機械原理》與《機械設計》基礎課，內容繁多而缺乏針對性，部分內容與本專業關聯度小;而機器人工程專業必須掌握的一些基礎知識，該課程又未提供;教材中的應用示例往往簡單而遠離最新科技前沿，對學生吸引力不夠;課程教學模式中，教學手段相對單一，對培養機器人工程專業高端人才的目標不利。

通過技能思維導圖模式，改造傳統《機械原理》與《機械設計》教學中存在的問題，增強機器人工程專業技術特色教學。為適應本專業的人才培養要求，有必要在《機械原理》與《機械設計》教學內容、教學方法以及考核方式等方面進行系統改革，以達成以下課程改革目標：①在課程設計中力求與機器人專業的需求相結合，突出專業特色;②在課程教學過程理論聯系實際，重點培養學生解決專業問題的能力與動手能力;③用多目標、多形式考核代替單一課程考試，注重學習過程和效果，培養高素質、創新型人才。

二、人才培養方案要體現“五度”達成

新時代工程師六個維度的能力：硬技能、軟技能、工程倫理能力、智能化應用能力、跨學科協調能力、工程創業能力。教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程最后所取得的學習成果。①想讓學生取得的學習成果是什么？這是教學目標。②為什么讓學生取得這樣學習成果？這是教學需求。③如何幫助學生取得這些學習成果？這是教學過程。④如何知道學生取得這些學習成果？這是教學評價。⑤如何保障學生取得這些學習成果？這是教學改進。根據機器人工程專業人才培養模式，擬訂督學流程五度達成圖，見圖5：

為保證我校機器人工程專業人才盡早具備：硬技能、軟技能、工程倫理能力、智能化應用能力、跨學科協調能力、工程創業能力，六個維度的能力。學校制定了詳盡的教學管理文件和督學獎勵機制，深度融入思政教學規范化大國工匠教學特色，保證和促進機器人工程專業深化改革，根據學歷終身和終生學歷理念，制定了如圖6和圖7的“教育鏈、人才鏈、產業鏈、創新鏈”四鏈融通校內與校外教學與督學雙循環思維導圖機制。

針對校內與校外教學與督學雙循環思維導圖機制，在實際的機器人工程專業教學設計與實踐中，積極發揮政、校、企多維主體的協同作用，引導其建立優勢互補、利益共享、協同高效、風險共擔的運行保障機制，形成凝心聚力、資源優化、協同創新的發展合力，學校組建了課題組做了很多積極有益的嘗試，積極取得企業的助力。校企合作的協同育人模式，構建了集教育、培訓、研發一體的共享型協同育人新工科實踐平臺，把“教育鏈、人才鏈、產業鏈、創新鏈”四鏈融通，以實現校企雙贏，崗位實訓、解決復合型人才培養難的問題，為增強高端機電復合型人才培養優質培養。具體措施是：

（1）高新企業、高新行業密切合作。機器人工程專業的人才培養，已完善構建出以“教學科研新工科協同關系”為內核的實踐環節教學體系，來對接產業與行業需求。為強化本專業發展，學院管理部門、專業教研室與吉利汽車、廣州粵嵌、大疆、山河智能、上海數造等多家企業制定切實有效的教育實訓、就業服務合同，為企業發展量身定制人才。

（2）強化、優化人才質量。以學生成為行業棟梁之材為本、堅持創新性能力產出為導向，對接工業機器人、特種機器人和智能制造企業，由企業專家對學生進行項目專業培訓，項目前百分之十優秀學員發放優秀學員證書。根據企業需要進行為期1個月左右的專業方向免費義務培訓，培訓中不會增加學生經濟負擔，經過培訓的學生實習期滿月收入在0.8萬-1.5萬以上，企業、學生簽訂雙向選擇協議，達成了學生的就業目標后學生再支付微量的專業培訓費用。培訓效果明顯，既提高了學生就業率和工資收入，也為企業培養了急需的高質量人才。0D7580B0-082A-459E-BA3F-2639E52B3270

（3）學生積極參與課題項目的聯合攻關。從大一學生的專業認知實習開始，向學生發起科學實踐總動員，成立興趣小組，開放所有機電實驗室;進行實驗器材培訓，學生參與實驗室管理，免費提供部分實驗器材;通過以上舉措，使學生的動手能力，科研興趣、科研水平大大提高。效果體現在學生與導師一起發表的科研論文、一起申報的專利數大大提高。

通過以上措施，積極完成和滿足我校機器人工程專業高端人才培養的“五度”達成。

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*本文系2018年湖南省教育教改項目[湘教通（2018）164號]重點課題“新工科背景下機械電子工程專業人才培養改革與實踐”的研究成果。

作者簡介：

1.王少力（1981-），男，湖南工程學院機械工程學院，博士，講師，機電與機器人系主任;研究方向：機器人技術、靜壓軸承技術、工學高等教育研究。

2.譚季秋（1964-），女，湖南工程學院機械工程學院，碩士，教授;研究方向：智能機電傳動與控制，智能加工與信號檢測，工學高等教育研究。

3.劉軍安（1972-），男，湖南工程學院機械工程學院，碩士，副教授;研究方向：智能設計與制造、智能機電系統集成、工學高等教育研究。

4.陳國強（1979-），男，湖南工程學院機械工程學院，博士，副教授，院長;研究方向：大型機電液系統狀態監測與故障診斷、密封系統失效機理及可靠性設計、工學高等教育研究。0D7580B0-082A-459E-BA3F-2639E52B3270