基于虛擬仿真技術的“ 工業機器人與生產線”智慧課程教學的創新與改革

劉怡君 李靖 董玉春 王歡 李秋生

關鍵詞 智慧課堂 教學創新 工業機器人 虛擬仿真技術

1引言

近年來，隨著信息技術與制造業的深度融合，智慧工廠隨之出現，其提升了企業對相關人才的能力要求，如具備安裝、操作、調試、維修工業機器人等能力。為此，我校開設了“工業機器人與生產線”課程，以填補企業的需求缺口。但傳統的教學方法無法充分實現既定的培養目標。對“工業機器人與生產線”課程進行教學分析，從教學方式、實驗室建設以及考核方式三個方面對該課程進行創新和改革，可以實現培養應用型人才的目標[1] 。

2傳統“ 工業機器人與生產線” 課程教學的痛點分析

“工業機器人與生產線”課程涉及多學科、多專業知識內容，理論知識抽象難理解，且與工程應用聯系緊密，對教學提出了理論與實際同步培養的挑戰。現階段，“工業機器人與生產線”課程在教學的過程中主要存在以下問題。

2.1傳統教學方式

“工業機器人與生產線”課程沿用了傳統的教學方式，以教師講授為主，教學方法單一、內容枯燥、課堂活躍度不高。而該課程又因為其抽象的概念和復雜的算法，進一步降低了學生的學習興趣，教學成果低于預期是常態。同時，相關實踐課程的課時量少且質量不高，很多學生習慣于被動學習，不愿意主動思考，更不會主動提出問題或是和老師討論問題，很難培養出具有創新精神和實踐能力的人才。

2.2實驗室建設

依照傳統教學思路建設的工業機器人實驗室，其設備以工業機器人實物為主，缺點是種類單一、數量有限以及無法滿足企業中各種新型工業機器人產品的操作需求。作為數字化工業產品，工業機器人的更新迭代非常快、單價較高，若一味地追求產品更新還會提高實驗室的建設成本[2] 。

除此之外，為保證教學安全性，要求學生的實操必須全程在教師的監督指導下完成以及定期對實驗室的設備進行檢修，但該方式極大地影響了學生的實訓進度，難以保證每名學生都能在課程中得到充分的實操技能訓練。

2.3考核模式

傳統的學科考核形式多以理論考試為主，由上課出勤、平時作業、期末考試綜合組成，僅以考試成績的好壞評價學生的學習效果，不能準確、有效反饋教學效果。而“工業機器人與生產線”課程注重對學生實踐能力的考核，所以傳統的考核方式難以真正考查到學生學習該課程的真實水平[3] 。

3教學創新改革實施過程

3.1教學理念變革

3.1.1堅持“以人為本”的教學理念

關注學生的進步和發展，要求教師有“對象” 意識，在教學中確立學生的主體地位，充分發揮學生的自主學習性，提升教學過程中學生的參與度。改變老師課堂授課、學生被動吸收的教學現狀，建立“以人為本”的教學理念，以素質教學為根本，培養學生的主動思維能力和創新意識。

3.1.2培養學生理論與實踐的結合能力

目前，教育行業存在“高分低能”現象，“工業機器人與生產線”課程具有很強的實踐性、創新性，開設該課程的目的是加強應用與實踐，所以不能只關注理論考試。在教學的過程中，應結合實際讓學生“從實踐中來，到實踐中去”，在理論教學中穿插實踐，在實踐時滲透進理論，從而提升學生的學習熱情[4] 。

3.1.3對課程思政教育教學改革的探索

由于傳統教學更側重專業技能的訓練，因此學生缺乏良好的職業道德規范和精益求精的工作態度。隨著高校思政教育的開展，應該調整觀念，堅持把立德樹人作為中心環節，用好課堂教學主渠道，與思政理論課形成協同效應，把思政工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人。引導學生踐行“匠人精神”，樹立中國“大國智造”的文化自信和科技自信，從而堅定職業自信心，進而對機器人行業充滿自豪感和認同感。

3.2教學過程變革

3.2.1基于虛擬仿真的實驗課程教學改革

結合虛擬仿真技術，建立虛實結合的工業機器人教學平臺。“虛”主要依賴虛擬仿真可視化軟件得以實現。如圖1 所示，以Robot master 離線編程軟件和宇龍機電控制仿真軟件機器人版為基礎，構建虛擬仿真實操平臺，實現多終端、低延時的數據共享，可為多名學生在虛擬環境中進行集中教學和互動實驗。

“實”則依靠實驗室的現有設備，通過實物講解，更好地讓學生理解虛擬仿真平臺的工業機器人，從而優化實踐課程的教學效果。

3.2.2基于數字化平臺的理論課程教學改革

課前部分，充分利用在線平臺督促學生進行預習。教師則制作相關教學視頻并將其上傳至數字化學習平臺，學生根據具體需求選擇學習對象，遇見問題時可以在線上直接跟教師交流、溝通，以提升預習效果。同時，教師也可通過平臺實時查看每一名學生的學習進度，為課堂教學設計提供數據支撐。

在進行理論知識講解時引入PBL 教學理念，創設任務情境，發放任務書，闡明具體要求，通過角色扮演，親身體驗工作過程，既可以提高學生的學習積極性，促進學生理解對應的理論知識，也可以培養學生的職場技能，從而使人才符合用人單位的需求。

課后，教師可以通過數字化平臺下發課后作業，學生把完成的作業拍成照片做成Word 文檔或拍攝成小視頻按作業要求按時提交，教師會及時對其進行批改。為作業出錯較多的學生提供詳細解析過程（如附圖、附視頻），并進行評論。學生可根據教師提供的解析過程加深對知識點的理解和鞏固，并將此作業成績記為平時成績[5] 。

3.2.3案例化教學改革

以ABB 機器人搬運、碼垛項目為例，圖2 為ABB機器人搬運項目。啟動該項目后，機器人將抓取吸盤工具，通過吸盤工具吸取碼垛倉A 區紅色的工件，搬運碼垛到碼垛倉B 區，吸取C 區的藍色工件，搬運碼垛到碼垛倉D 區。

構建基于工作過程的項目化課程體系，整合教學內容、確定項目、確定任務，可以將每個教學任務對應具體的知識點[6] 。

課前：教師通過數字化平臺提前將相關課程資源以PPT、視頻、Word 文檔的形式上傳給學生，學生可根據課程資源提前查閱自己不會的內容，通過線上和教師交流的方法解決頑固知識點，保證課前預習環節的質量。

課中：教師講解搬運的運動編輯指令后下發項目任務書，學生進行分組討論，以完成項目目標。在該過程中，教師可以針對學生薄弱的地方進行指導，使學生增加對工作站的直觀認識，幫助學生快速地掌握操作步驟、操作技巧，培養實際操作和編程的能力。

課后：在學生實際操作虛擬仿真平臺后，教師引導學生對遇到的問題進行詳細記錄并做最后的總結[7] 。

3.2.4評價方式變革

合理的考核機制既可以為課程的考核提供保障，也能客觀公正地檢驗學生的學習效果，有利于調動學生的學習積極性和主動性，提高學生的綜合素質，改善課程教學質量和效果。

“工業機器人與生產線”課程以培養學生的綜合能力為導向，整合理論知識和實踐環節的兩個部分。

在案例化教學模式下，對該課程的考核不再適合單純依賴平時成績和考試卷面成績兩部分，而應采用多元化的考核形式，將階段性考核成績融入最終成績。同時，增設附加分機制，對突出掌握某環節的學生給予加分獎勵，期末可憑借加分總數兌換獎勵。該考核方式不僅可以考查學生對“工業機器人與生產線”課程理論知識的掌握情況，更可以將學生對工業機器人的綜合使用、實際離線編程能力融入考試范圍，以反映學生的學習效果，從而提高學生的實踐能力和綜合設計能力以及通過加分獎勵機制提高學生的學習興趣[8] 。

4解決問題的情況及效果

在“工業機器人與生產線”課程創新教學的實施過程中，經過團隊成員不斷探索、實踐和完善，取得了一定的成效，主要表現在以下幾個方面。

其一，學生參與度高、學習氛圍濃厚，學生由知識的被動接受者轉為了知識的探索者。

其二，學生的知識、能力和素養得到全方位均衡發展。數字化平臺的建設將無形的知識與實際應用融為一體，虛擬仿真平臺為學生提供了實操練習場所，“以學生為中心”的教學方式和全新的考核方式促使學生全方位提升。學生畢業后就業前景良好，工作滿意度普遍較高。

其三，成功建設虛擬仿真實驗室，后期可將其擴建成虛擬仿真工業生產線、智能制造實驗室等，為學生提供更高級別的技能訓練資源。

其四，將思政教育融入課程設計。培育學生對“大國智造”的科技自信和民族自信心，促進學生從“中國制造”到“中國智造”的思想理念轉變。同時，在實踐教學中培育學生的“匠人精神”，引導學生樹立正確的職業道德觀和價值觀。

5結論

通過探索基于虛擬仿真技術和數字化平臺的“工業機器人與生產線”課程教學新模式，我們設計了融合虛擬仿真技術的“工業機器人與生產線”課程教學內容，提出了“工業機器人與生產線”課程的理論知識和實驗教學研究方法[9] 。虛擬仿真技術、數字化平臺與“工業機器人與生產線”課程的深度融合有利于培養學生的“多元化” 能力，滿足創新學習的需求，實現學生與所學知識之間的交互，完成“以教師為中心”到“以學生為中心”的個性化教學轉變，最終低成本、高效率地提高了學生面向實際工程問題的分析能力和利用工業機器人實現產品制造的工程實踐能力。