基于可視化評價系統的桌面式機器人課程的實踐研究

盧慧

摘要：在1+X工業機器人操作與運維實施過程中，存在人均操作時間不足、安全管理難、評價標準模糊、效率低、過程性缺失，反哺教學能力弱等方面的問題，本項目引入桌面式機器人，結合校企聯合開發的可視化評價系統，從改善教學環境著手，利用人工智能技術提高教學效率，以數據作為教學的反哺，大大提高了技能教學的質量和效果。

關鍵詞：可視化;桌面式機器人

一、研究緣起

（一）研究背景

國務院印發《國家職業教育改革實施方案》提出，從2019年開始，將啟動實施“1+X”（學歷證書+職業技能等級證書）制度改革行動。作為1+X工業機器人操作與運維首批試點學校，旨在培養適應浙江企業工業機器人編程和維修需要。要求學生了解工業機器人的組成結構和基本知識，能在實際應用中掌握簡單的操作編程技能。

（二）現狀問題

工業機器人在入門教學過程中會碰到價格昂貴、占地面積大、安全管理難、評價標準模糊、效率低、過程性缺失，反哺教學能力弱等方面的問題，對于中職學生的課堂教學實施有極大的難度。受場地設備限制，學生沒有較多時間操控機械臂，編程思維缺乏鍛煉，自主學習能力又比較差，缺乏一定的綜合分析能力和技能遷移意識。同時目前的技能教學評價存在標準模糊、效率低、過程性缺失;手段落后，主觀性強，可信度低;可視化程度差，反哺教學能力弱等問題。

二、研究設計

為解決教學現狀碰到的問題，選定基于可視化評價系統的桌面式機器人課程作為工業機器人前置課程，通過桌面型服務機器人作為入門設配，以國家工業機器人操作與運維課程標準為依據編制桌面型服務機器人課程標準，為學習工業機器人打下夯實的基礎。

通過選用小型的桌面式機器人作為入門設配：保證人手一臺，讓學生有足夠的實操機會;安全可靠，運動范圍小，有保護機構，不易傷人;功能全面，具備工業機器人的全部功能，還增加網絡通信、互聯控制等功能。

利用可視化評價系統的人工智能技術提高評價效率，以評價數據作為教學的反哺，從而提高技能教學的質量，形成了可視化的技能教學評價體系，通過對可視化技能教學評價體系的運用，大大提高了技能教學評價的精度、信度與效度。

三、研究實施

（一）課程目標

1.掌握機器人基本原理與知識

2.了解并掌握圖形化編程操作

3.熟練掌握自動化編程能力

4.掌握智能生產系統設計與開發

5.能夠獨立完成智能物流系統的設計與開發

（二）學情分析

本課程授課班級為高二年級第一學期電子應用技術專業的學生。學生有基本的計算機操作能力，經過高一的專業學習，對機器人控制有基本的認知，動手能力較強，具備一定的編程能力，對于該課程學習內容的興趣很高，但卻沒有嘗試操控過真正的機械臂，編程思維有待訓練，自主學習能力較差，缺乏一定的綜合分析能力和技能遷移的意識。

（三）內容策略

教學策略：情境式教學、合作式教學、探究式學習。

教法：任務驅動法、情境教學法。

學法：探究學習法、合作學習法。

（四）資源環境

桌面型機器人（圖1）：體積精巧，一體化的設計，人手一機，讓每個人通過實操練習獲得更好的學習體驗;可使用PC端控制、APP控制、Python編程、手勢控制、無線控制等多種操作方式;可靈活搭配滑軌、傳送帶、智能小車、視覺等配件，根據不同需求完成不同實驗項目;豐富的實驗項目，完善的課程體系，為大數據應用、智能工廠、工業4.0等機器人教育的發展建設提供廣闊平臺;相比于一般工業機械臂，具有更高的性價比，也更具有安全性，更加適合于教學使用，而且操作界面更適合剛剛接觸機械臂的學習者與中職學校的常態化教學。

可視化評價系統：教師通過記錄和分析學生特征、學習行為和學習表現數據，及時調整課堂教學結構和方法，增強師生間有效互動，提高課堂教學效率。有利于推進基于智能技術的混合式學習、合作學習、項目學習、分層教學，增強學習的自主性和探究性;指導學生選擇契合的學習方式、優化學習過程，激發學生的學習潛能。可視化評價體系主要功能是在數字化教學資源的基礎上，基于AI人工智能技術，其中還包括圖片識別技術、軟件操作比對技術、常規客觀題自動評價，同時通過平臺實現了學生操作過程的記錄及計時，使得學生操作時間介入到評價維度中，實現了學習效率與學生能力的體現。

（五）教學實施

堅持以學生為中心，以實踐為導向的職業教育思想，采用理實一體的教學方法，利用“可視化”評價系統的實時糾錯和自動評價、教學微視頻、課件和任務書等教學手段，實現做中學，做中教的教學模式，努力打造“三有”課堂。

1.“有趣”——通過現實場景的創設，增加課堂的趣味性。

2.“有用”——設計的課題將機械臂的控制與生活實際相結合。

3.“有效”——利用“可視化”平臺的實時糾錯反饋和自動評價功能，提高課堂效率。

課程實施分為6個部分，以“創-提-析-比-評-拓”的主線進行教學。

創設情境（教學導入）：導入的視頻內容是與生活實際相結合的，將實際問題引入課堂，既能啟發學生思考，又能順利引出項目，作為導入，還可以起到較好的“暖場”作用。

提出任務（任務驅動）：聯系生活實際給學生布置任務，能更好地激發學生的學習興趣，為上好本課做好準備。

分析任務（實踐鋪墊）：通過教師的分析講解，能幫助學生將新學知識和已學知識有效結合，理清思路，有利于提高完成任務的效率。

各組PK（完成任務）：設置的任務要有利于分層教學，通常是設置基礎任務和提升任務。限時、PK的形式可有效集中學生的注意力，并提高完成任務的效率。同時，以3人一組的形式完成任務，能很好地鍛煉學生的團隊協作能力。

你言我語（評價小結）：本環節以學生講為主，這樣不但能鍛煉學生的語言表達能力，也能更好地讓學生互動互學。教師的點評小結，能再一次幫助學生回顧本次課的所學、所做，加深印象。

開拓創新（課堂延伸）：觀看視頻，新課預告，可引發學生的思考，讓他們對下一次課有所期待，為下次課的順利展開做了良好鋪墊。

重難點突破：本課程從機器人控制的基本操作入手，將每一個小知識點以項目的形式呈現，并通過理實一體的方式授課，打好扎實的基礎，最終以兩個綜合項目來提高學生的綜合應用能力。

項目設計的原則是盡可能理論聯系實際，與生活實際相聯系。比如綜合項目一的物料自動分揀就是模擬打包員的日常工作，通過機械臂的使用來替代打包員的工作，進行打包、貼單、搬貨、碼貨;綜合項目二的工藝品制作，模擬生產流水線的加工制造過程，設計利用之前所學3D打印、寫字畫畫和激光雕刻等知識控制機械臂完成扇子吊墜的3D打印、扇面文字的書寫和logo雕刻等設計。

（六）實施成效

項目實施過程中的亮點：可視化教學系統如圖2所示。

學生職業素養提升：本課程堅持立德樹人的根本要求，結合中職學生學習特點，遵循職業教育人才培養規律，落實課程思政要求，例如使用的是國產教學機器人、3D打印國旗、文字書寫“眾志成城、克服困難”，有機融入思想政治教育內容，緊密聯系生活實際，突出應用性和實踐性，注重學生職業能力和可持續發展能力的培養，結合更高層次人才培養需要，在課程內容設計中強調敬業、精益、專注、創新的工匠精神。教師通過可視化評價系統呈現評價結果，分屏對比不規范操作點評，進一步規范職業行為。課后拓展創新任務，在鞏固學生的職業技能的同時，加深了職業行為習慣的養成，加速學生的職業素養的養成。

經過課程實踐，各種數據指標表明，課程效果較為優秀。36人于2020年11月參加了1+X工業機器人操作運維技能考核，除1人獲得80分以外，其余35人均取得90分以上的技能操作高分。

四、診斷反思

（一）特色提煉

通過多功能高精度輕量型智能實驗機械臂，輕松學習工業機器人基礎知識，通過搬運碼放、3D打印、激光雕刻、寫字畫畫等多種功能，模擬現實場景、激發學生興趣、保證人人操作，追求精益求精。通過拓展接口支持二次開發更多的應用場景實現人人創新。

可視化系統主要是包含了操作示范的可視化、操作過程的可視化、技能評價的可視化三個方面，其中操作過程的可視化主要內容是標準化示范、重難點示范、易錯點示范三個方面，是非常重要的教學資源，是學生自主學習參考的教學資源路徑，對學生的技能操作起到一個引導的作用;操作過程的可視化是利用平臺的視頻查看記錄存儲功能，將學生操作過程可視化，為可視化評價提供視頻、圖片、測試測量數據等數據，從時間、空間、操作、成績等維度為學生建立一張立體感、多元化的評價。對學生課堂表現、學習效果進行橫、縱向對比，建立一體化的數字化展示窗口，通過可視化的評價數據所示，可以幫助教師制定精準的教學策略，同時也能激勵學生的課堂學習積極性，從而提高課堂效率，反哺技能教學。

（二）教學診斷與改進

1.課程倡導“交流”“合作”“探究”的教育方式，形成了良好的師生、生生互動的實訓環境。

2.立足課堂，通過實踐教學培養學生良好的職業素養和工匠意識。

3.通過可視化評價，讓評價更簡單、直觀、有效，形成教學閉環，及時查漏補缺，保證教學效果。

4.與企業合作對接緊密度有待提升，本地產業合作不夠，缺乏真實的項目實踐。

參考文獻：

[1]宣琪，陳亞萍.技能操作學習可視化動態評價系統的開發與運用[J].職業教育（下旬刊），2020（11）.