思維導(dǎo)圖在創(chuàng)新型本科人才培養(yǎng)中的探索與應(yīng)用

王少力 譚季秋 劉軍安 陳國強

摘要：以“中國制造2025”、“工業(yè)4.0”為工程背景的機器人、智能制造、云計算等新工科專業(yè)飛速發(fā)展，社會對高校高端復(fù)合人才的培養(yǎng)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(yè)對人才認證的培養(yǎng)需求，創(chuàng)新實踐了“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”辦學(xué)模式，就機器人工程專業(yè)高端人才培養(yǎng)采用融入思政的思維導(dǎo)圖方法，創(chuàng)新設(shè)計并優(yōu)化了機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)計劃、專業(yè)課程群、知識能力矩陣和核心課程的建設(shè);采用“教育鏈、人才鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈”四鏈融通的校內(nèi)與校外教學(xué)與督學(xué)雙循環(huán)思維導(dǎo)圖保證機器人工程人才培養(yǎng)達成度;實踐表明，思維導(dǎo)圖在機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程的實施取得了較好的效果，對提高機器人工程專業(yè)復(fù)合型人才的綜合能力，推動高等教育實踐教學(xué)改革具有重要的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：思維導(dǎo)圖;機器人工程專業(yè);人才培養(yǎng)計劃;創(chuàng)新型人才

湖南工程學(xué)院實施工程教育近70年，在地方高校中率先確立“應(yīng)用型本科”辦學(xué)定位。近10年辦學(xué)方針始終強化卓越工程師應(yīng)用型人才培養(yǎng)之核心定位。2017年以來，學(xué)校已全面展開新工科2.0版辦學(xué)模式，來踐行國家新工科高端人才培養(yǎng)理念。而伴隨著中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及其知識和技術(shù)能力的跨界融合，以“中國制造2025”、而伴隨著中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及其知識和技術(shù)能力的跨界融合，以“中國制造2025”、“工業(yè)4.0”為工程背景的大數(shù)據(jù)、智能制造、機器人工程等新工科專業(yè)飛速發(fā)展，社會尖端高科技企業(yè)對高校復(fù)合型高端人才的培養(yǎng)，提出了更高的要求。為增強適應(yīng)高科技企業(yè)對優(yōu)質(zhì)人才培養(yǎng)需求，高校也必須有對應(yīng)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)計劃，來促進優(yōu)質(zhì)人才的教育、孵化、助產(chǎn)和產(chǎn)出。

針對以上國家和尖端高科技企業(yè)的需求，我校目前正積極創(chuàng)新實踐“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”辦學(xué)模式，把地方政府、行業(yè)部門、科研院所、國家企業(yè)多方優(yōu)勢資源匯聚起來，完善科教結(jié)合、產(chǎn)學(xué)融合、校企合作的協(xié)同育人模式，構(gòu)建集教育、培訓(xùn)、研發(fā)一體的共享型協(xié)同育人新工科實踐平臺;積極把“教育鏈、人才鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈”四鏈融通，強化崗位實訓(xùn)，以實現(xiàn)校企雙贏，來解決理工科高端復(fù)合型技術(shù)人才培養(yǎng)難的問題，來開拓解除和破解機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)難的問題。

一、構(gòu)建“四鏈融通”新工科機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)機制

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

為辦好機器人工程專業(yè)，具體實施路線如下：

（1）結(jié)合辦學(xué)定位，優(yōu)化人才培養(yǎng)方案

機器人工程專業(yè)是融合自動化、機械工程、微電子科技、控制工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、人工智能、高等數(shù)學(xué)與尖端物理等學(xué)科的前沿交叉學(xué)科。本科教學(xué)的人才培養(yǎng)方案，不僅是高等教育的知識技術(shù)樹的科學(xué)思維導(dǎo)圖，也是技術(shù)能力矩陣的思維導(dǎo)圖，更是促進社會科學(xué)發(fā)展的工程技術(shù)思維導(dǎo)圖。根據(jù)機器人工程專業(yè)發(fā)展的背景需求和時代技術(shù)要求，參照國際教育工程師認證方式，借鑒人才培養(yǎng)的華盛頓協(xié)議國際標準，技能教育的認證體系和結(jié)果可被國際認可并采信，以國家卓越人才培養(yǎng)試點專業(yè)驗收條件，機器人工程專業(yè)的工程師國際流動打基礎(chǔ)，為工科學(xué)生走向世界提供“通行證”

為目標，優(yōu)化和明確出來：①培養(yǎng)目標與畢業(yè)要求的對應(yīng)矩陣;②畢業(yè)要求與課程設(shè)置的對應(yīng)矩陣，③知識素質(zhì)能力與課程的對應(yīng)矩陣。根據(jù)這三個矩陣，以反向設(shè)計和正向施工方式，擬訂我校機器人工程專業(yè)的技能導(dǎo)圖培養(yǎng)計劃和實施過程。工程師認證體系能力矩陣，見圖1：

（2）根據(jù)人才培養(yǎng)方案，優(yōu)化課程群建設(shè)

目前，我國的機器人工程專業(yè)的本科教育，正處于全面起步階段。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，大數(shù)據(jù)、云計算等高科技信息技術(shù)已經(jīng)與高等教育過程深度融合，在教育部和出版社及前沿企業(yè)技術(shù)通力合作下，除了教育資源的數(shù)字化取得了長足發(fā)展，同時如我國的神舟飛船、太空空間站、高鐵與盾構(gòu)機等科學(xué)技術(shù)的本體產(chǎn)出，更是日新月異日進萬里。作為才從高中畢業(yè)進入本科進行專業(yè)技能學(xué)習(xí)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(yè)技術(shù)能力的認知和實踐、報效祖國的精神與技術(shù)能力則極為欠缺;如何讓這些青春少年全心全意學(xué)習(xí)好專業(yè)技能進而以精益求精的高級工匠方式來報效祖國服務(wù)社會，這個任務(wù)就轉(zhuǎn)移到大學(xué)高等教育來完成。

機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)機制和培養(yǎng)模式研究，目的是培養(yǎng)大學(xué)生掌握高精尖科學(xué)技術(shù)必須具備的高等知識和專業(yè)技能。這就需要高校的人才培養(yǎng)計劃和課程群引入思政融通，不停鍛煉其思維方式與學(xué)習(xí)方法，來養(yǎng)成不斷學(xué)習(xí)積極進取的心態(tài)，鍛煉其創(chuàng)新學(xué)習(xí)與技能適應(yīng)能力。機械工程學(xué)院充分發(fā)揮我校工程學(xué)科群的多學(xué)科交叉優(yōu)勢，以“5+3”的人才模式踐行人才培養(yǎng);具體措施為：前5個學(xué)期，緊密結(jié)合機器人學(xué)科方向進行多學(xué)科融合教學(xué)改革，夯實專業(yè)基礎(chǔ);后3個學(xué)期，根據(jù)每一位學(xué)生的發(fā)展目標制定個性化培養(yǎng)方案，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。建立多學(xué)科交叉融合的導(dǎo)師團隊與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作坊，制定貫穿整個大學(xué)期間的實踐教學(xué)體系，設(shè)計迭代升級的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等實踐教學(xué)啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維課程?！皥F隊式”課程教學(xué)（完善的課程團隊組織、多學(xué)科交叉）;“模塊化”教學(xué)內(nèi)容（理論與實踐的優(yōu)化、新工科導(dǎo)向）;“迭代式”建設(shè)方式（機器人工程專業(yè)課程的積累、公共課的啟動）。按“新工科”要求創(chuàng)新制定機器人工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案，具體措施見圖2。

（3）根據(jù)課程群建設(shè)，優(yōu)化建設(shè)核心課程

機器人工程專業(yè)總課程目標是通過四年本科高等人才培養(yǎng)，讓學(xué)生能熟練掌握自主設(shè)計機器人機構(gòu)、制造、調(diào)試具備預(yù)定目標功能的智能機器人，并演示闡述其作品的應(yīng)用場景、設(shè)計理念、設(shè)計方法、制作工藝、控制規(guī)則等。理論教學(xué)環(huán)節(jié)主要內(nèi)容有：機器人發(fā)展史、機器人機體體系架構(gòu)、機器人群組通訊機制、機器人群組坐標系的描述和轉(zhuǎn)換、任務(wù)調(diào)度與裝機實現(xiàn)、運動規(guī)劃及其實現(xiàn)、智能機器人系統(tǒng)開發(fā)、服務(wù)智能機器人設(shè)計、工業(yè)機器人設(shè)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(dǎo)圖，是以實物、圖文和多媒體動畫內(nèi)容為教學(xué)題材的多角度并茂的信息教學(xué)方式，以綜合一體化方式來展開表達根系集成式發(fā)散思維的極為有效的圖形與多媒體教學(xué)和思維引導(dǎo)的教學(xué)工具。以思維導(dǎo)圖的方式，在實踐教學(xué)過程環(huán)節(jié)內(nèi)，通過根系知識體系方式充分激發(fā)學(xué)生的知識與信息技能關(guān)聯(lián)性，以思維導(dǎo)圖方式進行專業(yè)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(xué)習(xí)途徑和工程驅(qū)動的解題思路。另外，教師在教學(xué)設(shè)計中，也要把一些有難度和極為抽象的機器人機體的機構(gòu)問題，在課前要先將之以思維導(dǎo)圖方式進行細化和分解，兼顧考慮到大學(xué)生思維活潑、積極上進的主動學(xué)習(xí)特點，以保證學(xué)生能最大化地吸收和消化課堂內(nèi)容。同時，積極鞏固提升《機器人原理與機構(gòu)設(shè)計》、《機器人感知與學(xué)習(xí)》、《機器人驅(qū)動與控制》、《智能機器人系統(tǒng)》、《機器人工程物理》、《機器人工程設(shè)計》這6門核心課程的建設(shè)成效。

這需要任課教師能根據(jù)機器人工程知識樹體系特點，充分進行學(xué)情分析優(yōu)質(zhì)完成備課與教學(xué)。學(xué)情分析，即可以具體到學(xué)期學(xué)情分析，也可以細化到每節(jié)課的學(xué)情分析，也可以具體到每個單元教學(xué)的學(xué)情分析。根據(jù)學(xué)情分析前后對比，根據(jù)教育部制定的教學(xué)大綱，完成教學(xué)目標的分解、教學(xué)難點和重點的調(diào)控、教學(xué)反思的調(diào)整，來完成反復(fù)備課過程設(shè)計與項目驅(qū)動的迭代式教學(xué)。與傳統(tǒng)的邏輯思維法教學(xué)相比，思維導(dǎo)圖教學(xué)模式，更具時空結(jié)構(gòu)性和多維信息的象形性與生動活潑性。

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

在具體反向設(shè)計中，又要求學(xué)生和老師積極協(xié)調(diào)配合，完成如圖4的機器人工程專業(yè)的相關(guān)科學(xué)技術(shù)的融合。

面對一般工科專業(yè)開設(shè)的《機械原理》與《機械設(shè)計》基礎(chǔ)課，內(nèi)容繁多而缺乏針對性，部分內(nèi)容與本專業(yè)關(guān)聯(lián)度小;而機器人工程專業(yè)必須掌握的一些基礎(chǔ)知識，該課程又未提供;教材中的應(yīng)用示例往往簡單而遠離最新科技前沿，對學(xué)生吸引力不夠;課程教學(xué)模式中，教學(xué)手段相對單一，對培養(yǎng)機器人工程專業(yè)高端人才的目標不利。

通過技能思維導(dǎo)圖模式，改造傳統(tǒng)《機械原理》與《機械設(shè)計》教學(xué)中存在的問題，增強機器人工程專業(yè)技術(shù)特色教學(xué)。為適應(yīng)本專業(yè)的人才培養(yǎng)要求，有必要在《機械原理》與《機械設(shè)計》教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核方式等方面進行系統(tǒng)改革，以達成以下課程改革目標：①在課程設(shè)計中力求與機器人專業(yè)的需求相結(jié)合，突出專業(yè)特色;②在課程教學(xué)過程理論聯(lián)系實際，重點培養(yǎng)學(xué)生解決專業(yè)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(xué)習(xí)過程和效果，培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才。

二、人才培養(yǎng)方案要體現(xiàn)“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(yīng)用能力、跨學(xué)科協(xié)調(diào)能力、工程創(chuàng)業(yè)能力。教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標是學(xué)生通過教育過程最后所取得的學(xué)習(xí)成果。①想讓學(xué)生取得的學(xué)習(xí)成果是什么？這是教學(xué)目標。②為什么讓學(xué)生取得這樣學(xué)習(xí)成果？這是教學(xué)需求。③如何幫助學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果？這是教學(xué)過程。④如何知道學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果？這是教學(xué)評價。⑤如何保障學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果？這是教學(xué)改進。根據(jù)機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式，擬訂督學(xué)流程五度達成圖，見圖5：

為保證我校機器人工程專業(yè)人才盡早具備：硬技能、軟技能、工程倫理能力、智能化應(yīng)用能力、跨學(xué)科協(xié)調(diào)能力、工程創(chuàng)業(yè)能力，六個維度的能力。學(xué)校制定了詳盡的教學(xué)管理文件和督學(xué)獎勵機制，深度融入思政教學(xué)規(guī)范化大國工匠教學(xué)特色，保證和促進機器人工程專業(yè)深化改革，根據(jù)學(xué)歷終身和終生學(xué)歷理念，制定了如圖6和圖7的“教育鏈、人才鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈”四鏈融通校內(nèi)與校外教學(xué)與督學(xué)雙循環(huán)思維導(dǎo)圖機制。

針對校內(nèi)與校外教學(xué)與督學(xué)雙循環(huán)思維導(dǎo)圖機制，在實際的機器人工程專業(yè)教學(xué)設(shè)計與實踐中，積極發(fā)揮政、校、企多維主體的協(xié)同作用，引導(dǎo)其建立優(yōu)勢互補、利益共享、協(xié)同高效、風(fēng)險共擔(dān)的運行保障機制，形成凝心聚力、資源優(yōu)化、協(xié)同創(chuàng)新的發(fā)展合力，學(xué)校組建了課題組做了很多積極有益的嘗試，積極取得企業(yè)的助力。校企合作的協(xié)同育人模式，構(gòu)建了集教育、培訓(xùn)、研發(fā)一體的共享型協(xié)同育人新工科實踐平臺，把“教育鏈、人才鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈”四鏈融通，以實現(xiàn)校企雙贏，崗位實訓(xùn)、解決復(fù)合型人才培養(yǎng)難的問題，為增強高端機電復(fù)合型人才培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)培養(yǎng)。具體措施是：

（1）高新企業(yè)、高新行業(yè)密切合作。機器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)，已完善構(gòu)建出以“教學(xué)科研新工科協(xié)同關(guān)系”為內(nèi)核的實踐環(huán)節(jié)教學(xué)體系，來對接產(chǎn)業(yè)與行業(yè)需求。為強化本專業(yè)發(fā)展，學(xué)院管理部門、專業(yè)教研室與吉利汽車、廣州粵嵌、大疆、山河智能、上海數(shù)造等多家企業(yè)制定切實有效的教育實訓(xùn)、就業(yè)服務(wù)合同，為企業(yè)發(fā)展量身定制人才。

（2）強化、優(yōu)化人才質(zhì)量。以學(xué)生成為行業(yè)棟梁之材為本、堅持創(chuàng)新性能力產(chǎn)出為導(dǎo)向，對接工業(yè)機器人、特種機器人和智能制造企業(yè)，由企業(yè)專家對學(xué)生進行項目專業(yè)培訓(xùn)，項目前百分之十優(yōu)秀學(xué)員發(fā)放優(yōu)秀學(xué)員證書。根據(jù)企業(yè)需要進行為期1個月左右的專業(yè)方向免費義務(wù)培訓(xùn)，培訓(xùn)中不會增加學(xué)生經(jīng)濟負擔(dān)，經(jīng)過培訓(xùn)的學(xué)生實習(xí)期滿月收入在0.8萬-1.5萬以上，企業(yè)、學(xué)生簽訂雙向選擇協(xié)議，達成了學(xué)生的就業(yè)目標后學(xué)生再支付微量的專業(yè)培訓(xùn)費用。培訓(xùn)效果明顯，既提高了學(xué)生就業(yè)率和工資收入，也為企業(yè)培養(yǎng)了急需的高質(zhì)量人才。0D7580B0-082A-459E-BA3F-2639E52B3270

（3）學(xué)生積極參與課題項目的聯(lián)合攻關(guān)。從大一學(xué)生的專業(yè)認知實習(xí)開始，向?qū)W生發(fā)起科學(xué)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(xùn)，學(xué)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(xué)生的動手能力，科研興趣、科研水平大大提高。效果體現(xiàn)在學(xué)生與導(dǎo)師一起發(fā)表的科研論文、一起申報的專利數(shù)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(yè)高端人才培養(yǎng)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(yè)人才培養(yǎng)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(xué)院機械工程學(xué)院，博士，講師，機電與機器人系主任;研究方向：機器人技術(shù)、靜壓軸承技術(shù)、工學(xué)高等教育研究。

2.譚季秋（1964-），女，湖南工程學(xué)院機械工程學(xué)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(xué)高等教育研究。

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

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