“線上線下，虛實結合”的工業機器人實踐教學模式設計與實現

馮凌云，王彩芳，郭燦彬

（廣東機電職業技術學院 電氣技術學院，廣東 廣州 510515）

目前，工業機器人在自動化、智能化、定制化生產制造領域的應用日益廣泛，是實施制造強國戰略《中國制造 2025》、推動制造業轉型升級的強力技術手段[1]。據2019年9月18日國際機器人聯合會發布的《全球機器人2019》報告顯示，中國工業機器人市場年銷量連續第六年位居世界首位，總裝機量占全球市場的 36%，超過歐洲和美洲裝機量之和[2]。為了滿足社會發展需求，許多高職院校開設了工業機器人相關課程，教育教學工作者通過探索與實踐對該類課程的實驗實踐教學提出了許多行之有效的建議：依托工業機器人實體訓練設備設計實驗任務，注重學生“實操能力”的培養[3-5]；采用工業機器人虛擬仿真設備或軟件開展實踐教學，解決了學生數量多而實訓設備不足的矛盾，具有性價比高與安全性好的特點[6-9]。筆者認為，工業機器人技術實用性很強，如果不動手操作實際設備，一切都是紙上談兵，但其自帶的高度信息化特點，決定了教師應該同時將信息化技術和仿真技術充分融入實踐教學過程，達到以更便利的方式和更豐富的內容培養人才的目的。

本文針對高職院校工業機器人課程實踐教學現狀及存在問題，將傳統教學模式與信息化教學模式有機結合，提出“線上線下，虛實結合”的工業機器人實踐教學模式，旨在拓展實踐教學內容的廣度和深度，延伸實踐教學的時間和空間，提升實踐教學的質量和水平[10]。

1 高職院校工業機器人實踐教學存在的問題

1）實踐條件不足，教學效率不高。

工業機器人是一門實踐性和應用性很強的課程，該課程的有效學習離不開在實際設備上的操作和編程。高職院校因經費、場地等原因，普遍難以購置足夠數量的工業機器人實驗實訓設備，實踐教學條件受到限制。課堂上每位學生獨立操作的時間非常有限，學生如果對設備和操作步驟不熟練，很難完成實驗任務，降低了課堂教學效率，不利于教學計劃的正常推進。

2）課前預習不到位，課后延伸難落實。

工業機器人技術綜合性強，實驗任務通常涉及程序設計、運動軌跡規劃、示教、I/O配置、與外部設備通信、編程等較多知識內容，采取傳統實踐課“原理講授、教師示范、學生模仿、鞏固提高”的環節進行教學時，教學時間非常緊湊，需要師生共同在課下做好充足準備。但是高職學生學習的積極性和主動性較之本科生有一定差距，大多數學生沒有課前預習和課后復習與拓展的習慣，在課上師生難以默契配合，教學效果不理想。

3）學習過程管理粗放，考核評價方式單一。

考核評價是實踐課的重要環節，也是學生關注的焦點。目前工業機器人實踐教學評價方式較為單一，大多以實操考試或實踐任務達成度等終結性評價作為學生的考核成績。雖然也會將出勤、課堂表現等列入平時成績作為參考，但總體上還是缺乏對學習過程的有效管理和科學評價，不利于激發學生自主學習的積極性。

2 “線上線下，虛實結合”混合式實踐教學模式的構建

針對目前工業機器人實踐教學中存在問題，結合課題組近幾年的實踐教學經驗，提出“線上線下，虛實結合”的混合式實踐教學模式。即在實踐教學過程中，將虛擬仿真實驗與實體實驗有機結合，通過將實驗任務在線上和線下的合理分解與分配，形成以“學生為主體，教師為主導”的高效課堂。該教學模式框架如圖 1所示，主要包括 PDCA循環閉環與翻轉課堂。

圖1 “線上線下，虛實結合”教學模式流程圖

2.1 PDCA循環閉環

PDCA循環又叫質量環，是管理學通用模型，20世紀50年代被成功運用于持續改善產品質量過程[11]。其核心思想是通過計劃（plan）、執行（do）、檢查（check）、處理（act）四個階段的周而復始、不斷循環，實現質量的持續改進。PDCA雖然是企業管理中用來提高產品質量的一種方法，但其工作思路和方法同樣適用于教育教學和人才培養。在工業機器人實踐教學中引入 PDCA理念，將教學過程分為四個階段，以促進教學質量和水平的持續提高，如圖1外圈所示。

1）計劃階段（教學準備）。

教學準備是整個教學活動的第一階段，即PDCA的計劃階段。本階段的主要工作，一是進行教學內容設計，一份優秀的教學設計就是教學成功的一半；二是準備各類數字化教學資源，包括講解/演示/案例視頻、PPT課件、實驗指導書、測試/測驗題庫、擴展閱讀等；三是挑選合適的網絡教學平臺，一般應具備課程創建、課程建設、任務發布、互動答疑、作業/考試、督學督導等功能，為工業機器人線上線下實踐教學的順利開展提供技術支持；四是選擇一款工業機器人離線編程軟件，支持實驗/實訓室中實體機器人設備仿真，便于學生在個人電腦上進行離線編程和仿真實驗。

2）執行階段（教學實施）。

教學實施是教師根據教學設計之計劃組織開展教學活動，使教學目標得以實現的關鍵環節，即 PDCA的執行階段。采用翻轉課堂教學法，分課前、課中、課后三個環節實施教學。其中在課前和課后，教師引導學生在線上自主學習并進行虛擬仿真實驗，同時利用碎片化時間進行答疑；在課中，教師組織學生在線下課堂集中學習并進行實體實驗，如圖1中的虛線框內所示。

3）檢查階段（教學評價）。

教學評價是判斷教學目標是否達成的重要環節，即PDCA的檢查階段。依托網絡教學平臺豐富的應用功能可以有效開展教學評價工作，包括對學生的評價和對教師的評價[12]。合理有效的教學評價體系有助于發現教學過程中存在的問題和影響因素，并及時改進，從而促進師生共同發展和提高。

4）處理階段（教學反思）。

教學反思在教學中具有重要的調節作用，即PDCA的處理階段。本階段的主要任務是對檢查階段發現的問題進行研究，總結成功的經驗和失敗的教訓，據此對教學方法、教學重難點等作出合理的改進或調整，進一步完善實踐教學。隨后再次進入教學準備階段，開始第二輪PDCA循環，以此類推，形成一個階梯式上升的實踐教學PDCA循環。

2.2 翻轉課堂

翻轉課堂譯自英語“flipped classroom”，也可譯為“顛倒課堂”。其基本思路是，重新調整課堂內外的時間分配，通過使學生先行在課外自主學習基礎知識，使課堂內的更多寶貴時間能夠留作師生互動和深度學習，從而達到更好的教學效果[13]。得益于信息技術的飛速發展，互聯網與虛擬仿真教學資源日趨豐富完善，為教師實施翻轉課堂提供了良好條件。依托線上線下平臺，在工業機器人實踐教學中引入翻轉課堂理念，將整個教學實施過程分為課前自學演練、課中鞏固實操、課后拓展提高三個階段。

1）課前自學演練。

教師在課前完成教學準備工作，并借助網絡教學平臺發布各類數字化教學資源。以任務為驅動，以案例為載體，激發學生學習興趣，引導學生帶著問題預習。學生通過客戶端在線自主學習，熟悉與本次實驗相關的理論知識，完成相應的測試，并通過工業機器人離線編程軟件進行仿真實驗，以虛擬設備代替真實設備進行演練，從而對實驗目的、方法、步驟和注意事項更加明確。

2）課中鞏固實操。

課堂上教師通過多媒體手段將企業真實案例作為任務導入，構建實踐教學情境，并根據學生線上學習情況，重點對學生普遍反饋的疑難問題和實驗中的關鍵步驟進行講解。之后學生以小組為單位協同開展實驗，教師巡回指導、點評。由于學生在課前完成了虛擬仿真實驗，編制好了工業機器人離線程序，只需將程序做少量調整便可在實體設備上運行驗證，因此大大減少了現場編程時間。即便實訓設備數量不足也能順利完成教學任務，而且還能留有練習時間，讓學生鞏固操作、編程、調試等技能。

3）課后拓展提高。

在完成基本實驗的基礎上，教師對實驗項目做進一步延伸，發布更具綜合性、創新性的任務目標，引發學生更深層次的思考。學有余力的學生，可在課后使用工業機器人離線仿真軟件完成拓展任務，促進知識、技能遷移能力的進一步提高。

3 “線上線下，虛實結合”混合式實踐教學模式的具體實現

產品分揀是工業自動化生產中的一個重要生產環節，采用工業機器人進行分揀作業能夠顯著提高分揀的速度和質量[14]。本文以“工業機器人分揀”實驗項目為例，闡述“線上線下，虛實結合”混合式實踐教學模式的具體實現。

3.1 教學準備

圖2所示為我校與廣東雅達電子股份有限公司合作開發的 ABB機器人教學實驗平臺。實驗任務是：工業機器人初始化后處于等待狀態，當檢測到傳送帶末端視覺檢測區有物料到達時，使用吸盤工具將金色/紅色/藍色的圓形物料塊分別分揀至對應倉位，模擬休閑食品生產企業使用工業機器人將不同顏色的糖果從輸送線分揀到對應包裝盒中。

為便于實踐教學的開展，按照課前、課中、課后三個環節設計實驗內容，任務目標分解和分配情況如表1所示。線上教學使用超星網絡教學平臺，依托平臺準備各類數字化教學資源。選用 ABB公司的工業機器人離線編程仿真軟件 Robotstudio開發虛擬實驗工作站，籍此開展仿真實驗。

3.2 教學實施

圖2 ABB機器人教學實驗平臺

學生課前使用超星學習通APP自主學習，熟悉項目背景和理論知識，完成仿真實驗任務，課中把寶貴的時間用來實操和互動討論，完成實體實驗任務，課后完成拓展任務，實現線上線下課堂相互配合銜接，虛擬實體實驗相互結合補充。

表1 工業機器人工件分揀實驗內容設計

3.2.1 仿真實驗

學生自行從學習通下載與實體設備高度一致的虛擬實驗工作站文件，使用Robotstudio軟件打開后進行仿真實驗。具體實驗步驟包括設計分揀程序流程圖、構建程序結構、設計抓取及放置點計算方案、規劃分揀搬運運動軌跡、示教關鍵點、編寫離線程序、最后觀察并上傳虛擬仿真運行結果，如圖3所示。

3.2.2 實體實驗

線下課堂上，將課前編好的離線程序導入真實工業機器人中，再結合實驗設備的實際情況完成系列實驗步驟，包括：創建吸盤工具的工具坐標數據和物料塊底盤的工件坐標系、配置I/O信號、示教關鍵點（如工作原點、物料抓取基準點、物料放置基準點等），以及調試機器人與相機的socket通信程序、根據設備實際尺寸修改抓取及放置點計算程序等，最后形成可完成工件分揀任務的工業機器人程序，程序結構及流程如圖4所示。

圖3 仿真實驗效果

圖4 工業機器人分揀程序結構及流程圖

課后，教師在本次實驗基礎上布置的拓展任務是，將不同顏色的方形物料塊分揀至對應的倉位中。與圓形物料分揀任務相比，不僅要考慮物料顏色和位置偏移的因素，還要考慮物料塊旋轉角度的影響，學有余力的學生可在學習通上使用仿真軟件完成拓展任務。

3.3 教學評價

借助超星網絡教學平臺“成績管理”和“問卷調查”系統靈活便捷的自定義功能，可以建立多維度的教學評價與反饋體系，如表2所示。對學生的評價采用線上與線下相結合、過程性評價與終結性評價并重的多元化評價體系[15]。通過配置成績管理系統內各項指標的權重，實現對學生學習過程的有效管理和科學評價。利用問卷調查功能可以即時收集學生關于教學的反饋和建議，所獲得的反饋結果是后續課程教學過程改進的重要依據。

表2 教學評價體系

3.4 教學反思

采用“線上線下，虛實結合”混合式實踐教學模式的我校工業機器人技術專業1815、1816班，與采用傳統實踐教學模式的1715、1716班相比，課堂實體實驗的達成度有了明顯提升，學生課前/課后學習情況也從無據可查變為有據可依，部分實驗任務的完成情況如表3所示。統計數據表明線上任務完成情況普遍較好，課后拓展任務滿足了部分學有余力學生的求知欲望，激發了他們的探索精神、創新精神。新教學模式激發了學生的學習積極性，達到了良好的教學效果。

表3 實驗任務達成度對比

學生問卷調查反映的意見與建議，一是建議操作演示視頻能根據實驗步驟分段錄制；二是建議將線上平臺的部分文檔內容配以視頻資源加以說明，這與表 3 中視頻任務較閱讀任務完成度高的結果基本吻合。說明短小精悍的教學視頻更易于被高職學生接受，這是在今后的實驗課教學準備過程中擬改進和完善的方面。

4 教學效果

經過兩個學期的教學實踐，我校2018級工業機器人技術專業學生對“工業機器人技術基礎”和“工業機器人編程與應用”兩門專業核心課程實驗教學的認可度高達 100%，課程平均成績比往屆也有較大幅度提升，87.6%學生認為自己獲得了公正的評分，前述的工業機器人實踐教學存在的三方面問題均得到有效解決。由部分學生組建的兩支代表隊，在2019年廣東省職業院校技能大賽工業機器人技術應用賽項中，均獲省賽一等獎，其中一支代表隊晉級國賽并獲得三等獎。教學團隊在“線上線下，虛實結合”混合式實踐教學模式的探索與實踐過程中，教科研能力也得到提升，團隊成員的2個項目獲得2019年度廣東省普通高校科研立項，以本文所述教學方法為核心內容參加2019年廣東省職業院校教學能力比賽，獲得全省一等獎。

5 結語

“線上線下，虛實結合”工業機器人實踐教學模式的構建，基于PDCA循環理念，并結合翻轉課堂形式，使教師的主導作用和學生的主體地位在教學過程中都得到了良好的體現。依托線上平臺和線下課堂開展實踐教學，發揮了仿真實驗和實體實驗各自優勢和長處，突破了傳統實踐教學的時空限制，有效解決了高職院校工業機器人實踐教學中實踐條件不足、學生課下學習積極性不高、學習過程監管困難等問題。當然，工業機器人實踐教學改革是一個長期積累的過程，要運用PDCA循環理念進行不斷改進和完善，從而促進教學水平和教學質量的持續提升。