思维导图在创新型本科人才培养中的探索与应用

王少力 谭季秋 刘军安 陈国强

摘要：以“中国制造2025”、“工业4.0”为工程背景的机器人、智能制造、云计算等新工科专业飞速发展，社会对高校高端复合人才的培养与技能认证，提出了更高的要求。针对国家和尖端高科技企业对人才认证的培养需求，创新实践了“政、产、学、研、用”办学模式，就机器人工程专业高端人才培养采用融入思政的思维导图方法，创新设计并优化了机器人工程专业人才培养计划、专业课程群、知识能力矩阵和核心课程的建设;采用“教育链、人才链、产业链、创新链”四链融通的校内与校外教学与督学双循环思维导图保证机器人工程人才培养达成度;实践表明，思维导图在机器人工程专业人才培养过程的实施取得了较好的效果，对提高机器人工程专业复合型人才的综合能力，推动高等教育实践教学改革具有重要的指导作用。

关键词：思维导图;机器人工程专业;人才培养计划;创新型人才

湖南工程学院实施工程教育近70年，在地方高校中率先确立“应用型本科”办学定位。近10年办学方针始终强化卓越工程师应用型人才培养之核心定位。2017年以来，学校已全面展开新工科2.0版办学模式，来践行国家新工科高端人才培养理念。而伴随着中国制造业的转型升级，工业物联网、工业互联网及其知识和技术能力的跨界融合，以“中国制造2025”、而伴随着中国制造业的转型升级，工业网、工业互联网及其知识和技术能力的跨界融合，以“中国制造2025”、“工业4.0”为工程背景的大数据、智能制造、机器人工程等新工科专业飞速发展，社会尖端高科技企业对高校复合型高端人才的培养，提出了更高的要求。为增强适应高科技企业对优质人才培养需求，高校也必须有对应的创新型人才培养计划，来促进优质人才的教育、孵化、助产和产出。

针对以上国家和尖端高科技企业的需求，我校目前正积极创新实践“政、产、学、研、用”办学模式，把地方政府、行业部门、科研院所、国家企业多方优势资源汇聚起来，完善科教结合、产学融合、校企合作的协同育人模式，构建集教育、培训、研发一体的共享型协同育人新工科实践平台;积极把“教育链、人才链、产业链、创新链”四链融通，强化岗位实训，以实现校企双赢，来解决理工科高端复合型技术人才培养难的问题，来开拓解除和破解机器人工程专业人才培养难的问题。

一、构建“四链融通”新工科机器人工程专业人才培养机制

2019年以来，湖南工程学院获批机器人工程、人工智能等5个新工科专业，同时也在积极改造和升级机械电子工程专业、机械设计制造及其自动化等传统工科专业6个，并成功申报省级和国家级双一流专业。从人才深度创新型培养角度，已充分激活了产学研深度融合的教育资源，并主动将人才链和教育链对接产业链和创新链，构建四链融通新工科人才培养良性循环体系。

为办好机器人工程专业，具体实施路线如下：

（1）结合办学定位，优化人才培养方案

机器人工程专业是融合自动化、机械工程、微电子科技、控制工程、计算机科学与技术、人工智能、高等数学与尖端物理等学科的前沿交叉学科。本科教学的人才培养方案，不仅是高等教育的知识技术树的科学思维导图，也是技术能力矩阵的思维导图，更是促进社会科学发展的工程技术思维导图。根据机器人工程专业发展的背景需求和时代技术要求，参照国际教育工程师认证方式，借鉴人才培养的华盛顿协议国际标准，技能教育的认证体系和结果可被国际认可并采信，以国家卓越人才培养试点专业验收条件，机器人工程专业的工程师国际流动打基础，为工科学生走向世界提供“通行证”

为目标，优化和明确出来：①培养目标与毕业要求的对应矩阵;②毕业要求与课程设置的对应矩阵，③知识素质能力与课程的对应矩阵。根据这三个矩阵，以反向设计和正向施工方式，拟订我校机器人工程专业的技能导图培养计划和实施过程。工程师认证体系能力矩阵，见图1：

（2）根据人才培养方案，优化课程群建设

目前，我国的机器人工程专业的本科教育，正处于全面起步阶段。在“互联网+”的背景下，大数据、云计算等高科技信息技术已经与高等教育过程深度融合，在教育部和出版社及前沿企业技术通力合作下，除了教育资源的数字化取得了长足发展，同时如我国的神舟飞船、太空空间站、高铁与盾构机等科学技术的本体产出，更是日新月异日进万里。作为才从高中毕业进入本科进行专业技能学习的青春少年来说，爱国心和爱国情怀已初步具备，但是对专业技术能力的认知和实践、报效祖国的精神与技术能力则极为欠缺;如何让这些青春少年全心全意学习好专业技能进而以精益求精的高级工匠方式来报效祖国服务社会，这个任务就转移到大学高等教育来完成。

机器人工程专业人才培养机制和培养模式研究，目的是培养大学生掌握高精尖科学技术必须具备的高等知识和专业技能。这就需要高校的人才培养计划和课程群引入思政融通，不停锻炼其思维方式与学习方法，来养成不断学习积极进取的心态，锻炼其创新学习与技能适应能力。机械工程学院充分发挥我校工程学科群的多学科交叉优势，以“5+3”的人才模式践行人才培养;具体措施为：前5个学期，紧密结合机器人学科方向进行多学科融合教学改革，夯实专业基础;后3个学期，根据每一位学生的发展目标制定个性化培养方案，培养创新能力。建立多学科交叉融合的导师团队与创新创业工作坊，制定贯穿整个大学期间的实践教学体系，设计迭代升级的实践教学环节和创新创业项目等实践教学启发学生创新思维课程。“团队式”课程教学（完善的课程团队组织、多学科交叉）;“模块化”教学内容（理论与实践的优化、新工科导向）;“迭代式”建设方式（机器人工程专业课程的积累、公共课的启动）。按“新工科”要求创新制定机器人工程专业创新人才培养方案，具体措施见图2。

（3）根据课程群建设，优化建设核心课程

机器人工程专业总课程目标是通过四年本科高等人才培养，让学生能熟练掌握自主设计机器人机构、制造、调试具备预定目标功能的智能机器人，并演示阐述其作品的应用场景、设计理念、设计方法、制作工艺、控制规则等。理论教学环节主要内容有：机器人发展史、机器人机体体系架构、机器人群组通讯机制、机器人群组坐标系的描述和转换、任务调度与装机实现、运动规划及其实现、智能机器人系统开发、服务智能机器人设计、工业机器人设计、智能机器人控制算法、智能机器人軟件平台、机器人综合实验、智能机器展望等。0D7580B0-082A-459E-BA3F-2639E52B3270

思维导图，是以实物、图文和多媒体动画内容为教学题材的多角度并茂的信息教学方式，以综合一体化方式来展开表达根系集成式发散思维的极为有效的图形与多媒体教学和思维引导的教学工具。以思维导图的方式，在实践教学过程环节内，通过根系知识体系方式充分激发学生的知识与信息技能关联性，以思维导图方式进行专业技能的高等教育，可有效帮助人才在动脑解题过程中，找到有效的学习途径和工程驱动的解题思路。另外，教师在教学设计中，也要把一些有难度和极为抽象的机器人机体的机构问题，在课前要先将之以思维导图方式进行细化和分解，兼顾考虑到大学生思维活泼、积极上进的主动学习特点，以保证学生能最大化地吸收和消化课堂内容。同时，积极巩固提升《机器人原理与机构设计》、《机器人感知与学习》、《机器人驱动与控制》、《智能机器人系统》、《机器人工程物理》、《机器人工程设计》这6门核心课程的建设成效。

这需要任课教师能根据机器人工程知识树体系特点，充分进行学情分析优质完成备课与教学。学情分析，即可以具体到学期学情分析，也可以细化到每节课的学情分析，也可以具体到每个单元教学的学情分析。根据学情分析前后对比，根据教育部制定的教学大纲，完成教学目标的分解、教学难点和重点的调控、教学反思的调整，来完成反复备课过程设计与项目驱动的迭代式教学。与传统的逻辑思维法教学相比，思维导图教学模式，更具时空结构性和多维信息的象形性与生动活泼性。

机器人产品设计过程中，最能体现原始创新能力的阶段在于机构设计阶段;机构创新设计决定了产品的创新性。机构创新设计过程，一般包括前期阶段的功能设计、原理设计及结构方案设计，以及后期阶段的运动学设计及动力学设计（如有必要）两个设计阶段。前期设计阶段属于形象思维阶段，最需创造性，设计难度也最大，相当部分的设计工作是非数据性、非计算性的，必须依靠知识、经验的积累和创新思维方法，并且创新的火花往往产生于这一阶段。后期设计阶段多属于逻辑思维阶段，着重改善机构的运动性能与动力性能。创新设计将贯穿于机器人机体的机构设计全过程。在实际的机构创新设计教学与项目实例中，需要学生能熟练掌握和学会：①设计原理与设计准则;②构型综合与优选;③运动学分析与建模;④尺寸综合与优化;⑤力学特性分析;⑥样机构筑与实验验证;⑦改进设计或重新设计。这个思维技能导图的过程循环与迭代。根据思维导图模式，对机器人机构教学过程和内容给予优化，如图3所示。

在具体反向设计中，又要求学生和老师积极协调配合，完成如图4的机器人工程专业的相关科学技术的融合。

面对一般工科专业开设的《机械原理》与《机械设计》基础课，内容繁多而缺乏针对性，部分内容与本专业关联度小;而机器人工程专业必须掌握的一些基础知识，该课程又未提供;教材中的应用示例往往简单而远离最新科技前沿，对学生吸引力不够;课程教学模式中，教学手段相对单一，对培养机器人工程专业高端人才的目标不利。

通过技能思维导图模式，改造传统《机械原理》与《机械设计》教学中存在的问题，增强机器人工程专业技术特色教学。为适应本专业的人才培养要求，有必要在《机械原理》与《机械设计》教学内容、教学方法以及考核方式等方面进行系统改革，以达成以下课程改革目标：①在课程设计中力求与机器人专业的需求相结合，突出专业特色;②在课程教学过程理论联系实际，重点培养学生解决专业问题的能力与动手能力;③用多目标、多形式考核代替单一课程考试，注重学习过程和效果，培养高素质、创新型人才。

二、人才培养方案要体现“五度”达成

新时代工程师六个维度的能力：硬技能、软技能、工程伦理能力、智能化应用能力、跨学科协调能力、工程创业能力。教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果。①想让学生取得的学习成果是什么？这是教学目标。②为什么让学生取得这样学习成果？这是教学需求。③如何帮助学生取得这些学习成果？这是教学过程。④如何知道学生取得这些学习成果？这是教学评价。⑤如何保障学生取得这些学习成果？这是教学改进。根据机器人工程专业人才培养模式，拟订督学流程五度达成图，见图5：

为保证我校机器人工程专业人才尽早具备：硬技能、软技能、工程伦理能力、智能化应用能力、跨学科协调能力、工程创业能力，六个维度的能力。学校制定了详尽的教学管理文件和督学奖励机制，深度融入思政教学规范化大国工匠教学特色，保证和促进机器人工程专业深化改革，根据学历终身和终生学历理念，制定了如图6和图7的“教育链、人才链、产业链、创新链”四链融通校内与校外教学与督学双循环思维导图机制。

针对校内与校外教学与督学双循环思维导图机制，在实际的机器人工程专业教学设计与实践中，积极发挥政、校、企多维主体的协同作用，引导其建立优势互补、利益共享、协同高效、风险共担的运行保障机制，形成凝心聚力、资源优化、协同创新的发展合力，学校组建了课题组做了很多积极有益的尝试，积极取得企业的助力。校企合作的协同育人模式，构建了集教育、培训、研发一体的共享型协同育人新工科实践平台，把“教育链、人才链、产业链、创新链”四链融通，以实现校企双赢，岗位实训、解决复合型人才培养难的问题，为增强高端机电复合型人才培养优质培养。具体措施是：

（1）高新企业、高新行业密切合作。机器人工程专业的人才培养，已完善构建出以“教学科研新工科协同关系”为内核的实践环节教学体系，来对接产业与行业需求。为强化本专业发展，学院管理部门、专业教研室与吉利汽车、广州粤嵌、大疆、山河智能、上海数造等多家企业制定切实有效的教育实训、就业服务合同，为企业发展量身定制人才。

（2）强化、优化人才质量。以学生成为行业栋梁之材为本、坚持创新性能力产出为导向，对接工业机器人、特种机器人和智能制造企业，由企业专家对学生进行项目专业培训，项目前百分之十优秀学员发放优秀学员证书。根据企业需要进行为期1个月左右的专业方向免费义务培训，培训中不会增加学生经济负担，经过培训的学生实习期满月收入在0.8万-1.5万以上，企业、学生签订双向选择协议，达成了学生的就业目标后学生再支付微量的专业培训费用。培训效果明显，既提高了学生就业率和工資收入，也为企业培养了急需的高质量人才。0D7580B0-082A-459E-BA3F-2639E52B3270

（3）学生积极参与课题项目的联合攻关。从大一学生的专业认知实习开始，向学生发起科学实践总动员，成立兴趣小组，开放所有机电实验室;进行实验器材培训，学生参与实验室管理，免费提供部分实验器材;通过以上举措，使学生的动手能力，科研兴趣、科研水平大大提高。效果体现在学生与导师一起发表的科研论文、一起申报的专利数大大提高。

通过以上措施，积极完成和满足我校机器人工程专业高端人才培养的“五度”达成。

参考文献：

[1]习近平.让工程科技造福人类、创造未来—在2014年国际工程科技大会上的主旨演讲[J].科技管理研究，2014，34（13）：1-3.

[2]谭季秋，彭小敏，陈小异.成人高等教育机械专业机电液综合能力培养的研究与实践[J].教育教学论坛，2014，（36）.

[3]陈岳堂.湖南工程学院：构建“四链融通”的新工科人才培养模式[P].光明日报.2020年10月27日，16版.

https：//epaper.gmw.cn/gmrb/html/2020-10/27/nw.D110000gmrb_20201027_3-16.htm.

[4]陈岳堂.湖南工程学院“新工科”：探索产教融合机制路径[P].中国教育报.2020年11月23日，10版.

http：//paper.jyb.cn/zgjyb/html/2020-11/23/content_587145.htm.

[5]巴赞，李斯.思维导图：放射性思维[M].北京：作家出版社，1999.

[6]魏航信周莹.基于工程教育认证的机械电子工程专业教学改革[J].河南教育（高教），2019，07：86-88.

[7]王琨陈海卫蒋毅宁萌等.机械电子工程专业本科教学改革的创新与实践[J].教育教学论坛，2020.第28期：179-180.

[8]张军，李妍.新工科背景下的“产教融合、校企联合”创新型人才培养机制建设——以河北工业大學人工智能与数据科学学院为例[J].教育现代化，2019年11月89期.

[9]于雷.基于产教融合的机械电子工程专业应用型人才培养改革与实践[J].长春工程学院（社会科学版），2018.

*本文系2018年湖南省教育教改项目[湘教通（2018）164号]重点课题“新工科背景下机械电子工程专业人才培养改革与实践”的研究成果。

作者简介：

1.王少力（1981-），男，湖南工程学院机械工程学院，博士，讲师，机电与机器人系主任;研究方向：机器人技术、静压轴承技术、工学高等教育研究。

2.谭季秋（1964-），女，湖南工程学院机械工程学院，硕士，教授;研究方向：智能机电传动与控制，智能加工与信号检测，工学高等教育研究。

3.刘军安（1972-），男，湖南工程学院机械工程学院，硕士，副教授;研究方向：智能设计与制造、智能机电系统集成、工学高等教育研究。

4.陈国强（1979-），男，湖南工程学院机械工程学院，博士，副教授，院长;研究方向：大型机电液系统状态监测与故障诊断、密封系统失效机理及可靠性设计、工学高等教育研究。0D7580B0-082A-459E-BA3F-2639E52B3270