機器人工程專業虛實結合實踐教學模式探索與實踐

李澤彬,孔 敏,張 剛,張金仲,張進思,王傳勝

(皖西學院 電氣與光電工程學院,安徽 六安 237012)

自以“新理念、新結構、新模式、新質量、新體系”為特點的新工科建設提出以來,一輪又一輪的專業建設和改革熱潮被掀起[1]。相應地,國內各高校在機器人工程專業的教學中也越來越強調對學生創新能力和解決復雜工程問題能力的培養[2],同時,也在逐漸改變高等教育人才培養方式單一、知識窄化的局限性,形成以優質資源匯集為基礎,以“知識-能力-素質”多維度綜合為目標的人才培養模式。機器人是“制造業皇冠頂端的明珠”,相應傳統和衍生產業不斷的快速增長使機器人專業化人才缺口變得巨大[3]。為此,作為機器人相關的核心專業——機器人工程專業順勢被設立。2016年至今,國內已有300余所本科高校設立了機器人工程專業[4]。機器人工程專業具有明顯的學科交叉和產業需求特點,然而,相應的人才培養方案沒有統一的標準,而且人才培養效果也需要較長時間的檢驗,這些都直接影響了該專業人才培養的產業適應性。

機器人工程專業是集機器人技術、機械電子、智能控制系統于一體的多學科交叉專業,其實踐性強,對學生的動手能力、創新能力要求高。只有通過硬件的實際操作訓練,才能培養契合企業發展需求的高素質人才。然而,很多實驗設備和實驗場地限制了機器人工程專業學生的實踐訓練[5]。往往出現多名學生共用一套實驗實訓裝置,尤其高損耗、高污染、高危性的設備得不到有效訓練,降低了綜合實踐的教學效果。隨著國家信息化教育戰略和工程教育改革的不斷推進,《教育部高等教育司2022年工作要點》明確表明,實施虛擬仿真實驗教學,能夠促進信息化技術與高等教育教學深度融合[6],同時《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》也表明虛擬仿真實驗教學是提升實驗教學質量和水平的重要舉措[7]。這些都為機器人工程專業實踐教學改革指明了方向[8-9]。因此,在機器人實踐教學過程中,針對機器人硬件實驗成本高、損耗高、操作危險大的實踐活動,開展機器人虛實結合實踐教學,不僅能豐富機器人教學內容,還能提高機器人硬件實驗效果和教學質量。為此,依據工程教育認證理念和新工科建設要求,以培養智能制造系統級創新型人才為目標,構建虛實結合實踐教學平臺。本文初步探索了虛實結合實踐教學模式應用于皖西學院機器人工程專業,提升人才培養質量的可行性。

1 虛實結合教學模式的優勢

1.1 傳統機器人實踐教學的弊端

機器人實踐所涉及的知識面較廣,且具有較強的實踐性和綜合性。從人才培養標準和學生應具備的知識、能力、素質要求出發,培養智能制造領域創新型人才既要注重培養學生自主學習能力、工程實踐能力、資源整合能力和系統思維能力,還要注意培養綜合實踐訓練中的安全意識。因此,這就使傳統機器人實踐教學過程顯現出一些不足。

(1)受傳統教學理念影響,在“工業機器人應用技術”“機器人學”“機器人驅動與控制”等課程的教學中往往存在重理論、輕實踐現象,這勢必會對機器人實踐教學產生較大的影響。

(2)工業機器人在產業中涉及多種工業應用,如搬運、打磨、焊接、打螺絲等,所用到的機器人本體實驗成本較高。而且,實際產業生產中的工藝環節甚多,不可能在實驗室中都進行全部布局,尤其涉及成本高、損耗高、操作危險的實驗項目更少,導致實踐內容與實際產業工藝環節脫節,不利于學生實踐能力的培養。

(3)由于硬件臺套數和實踐課時有限,往往只有少數學生才能獲得實踐操作的機會,大大影響實踐教學效果。

(4)由于機器人應用平臺和實踐條件限制,往往導致實驗項目類型較少,通常驗證性的實驗較多,綜合性和創新性的實驗項目較少,致使學生簡單被動操作過多、主動思考探索不足,嚴重影響了學生自主學習和創新能力的提高。

傳統的機器人實踐教學除了上述不足以外,還存在一些不容忽視的問題,如課前預習不足,教學不能因材施教平衡學生差異;動手能力差異,沒有足夠時間進行足夠實操;教與學互動不足,疑難反饋路徑窄等。

1.2 虛實結合教學模式的優勢

傳統的機器人實踐教學模式改革勢在必行,其中采取虛實結合教學就是一種比較有效的模式。通過虛實結合實踐中的虛擬平臺,不僅可以高逼真仿真實驗,還能嵌入課件、視頻和相關電子資源,輔助硬件實驗。同時,利用虛擬平臺還可以發布預習任務和教學內容,促進學生隨時隨地獲取平臺學習資源,進行線上虛擬仿真操作;還可以通過平臺數據反饋,及時掌握學生的預習情況和虛擬操作情況,有利于因材施教,提高課堂效率與教學質量。尤其對于學時較長的重要的機器人工藝實踐環節,虛擬平臺可以大大提高實踐效率和實驗成功率。另外,通過虛擬情景浸入方式,發布任務、開展自主探究式項目,能夠促進學生機器人實踐能力的培養。因此,開展虛實結合教學具有提高實驗教學效果、增強多樣化交互方式、突破時間與空間限制和節約實驗成本和損耗等優勢,還能幫助學生驗證理論知識、獲得實踐經驗,有利于培養學生的創新能力和實驗素質。

2 虛實結合實踐教學模式探索

2.1 虛實結合實踐平臺建設方案

以皖西學院機器人工程專業人才培養方案和工程認證要求為例,建設一個工業機器人虛實結合實踐平臺,用于培養學生的機器人實踐能力。虛實結合實踐平臺建設方案如圖1所示。通過虛擬仿真與實際機器人相結合,提供一個全面、真實的實驗環境,讓學生能夠進行機器人拆裝、維護、編程、運動控制和系統調試等實踐性學習。虛實結合實踐框架須有兩個基本要素共同來組成,即虛擬仿真教學與實物實驗教學[10]。結合工業現場機器人主要應用場景,還原實訓場景及機器人工程應用,在虛擬環境中,讓學生能夠直觀地了解工業機器人實際的應用場景及其工作過程。學生通過實踐平臺中機器人結構認知后,可以自主開展機器人拆裝、維護、保養,進行運動軌跡設計、程序編輯、運行調試、路徑優化、虛擬示教等操作,掌握工業機器人行業典型應用及操作技巧。進而,該實驗平臺可以服務于機器人學、機器人驅動與控制、機器人建模與仿真、機器人綜合實訓、機器人綜合設計與實訓等相關課程。

圖1 虛實結合實踐平臺建設方案

2.2 工業機器人實驗內容設計

機器人是技術密集度及自動化程度很高的典型的機電一體化設備[11]。機器人實踐教學實踐性強、理論知識較為復雜和抽象難以使學生對機器人有感性認識。其次,工業機器人系統和重要的工藝設備復雜、價格昂貴、實驗和維護成本較高,因此基于產業需求優化實驗內容,開展虛實結合實驗是一種高效經濟的解決方案[12-13]。

目前虛擬仿真實驗軟件一般都是安裝在客戶端電腦上,不適合隨時隨地進行訓練和學習,給自主學習帶來了困難[14]。因此,本文以皖西學院智能制造基地工業機器人實訓平臺為基礎,利用Unity3D和3Ds-Max等軟件,按照1∶1高逼真三維建模,開發了一個交互式、沉浸式的機器人虛擬仿真系統,為開展虛實結合實踐教學奠定了基礎。虛實結合實驗內容結合工業實際應用情況以基礎認知、應用能力提高、綜合能力創新層層遞進開展。依據建設方案以六軸機械臂硬件平臺為藍本,將工業機器人實驗內容劃分為認知與基本操作、示教編程與軌跡規劃、拆裝與維修保養和應用工作站與編程四個板塊。其開發的虛擬仿真實驗內容,擁有高度逼近真實設備的外觀和細節感受,創造出身臨其境般的實踐體驗。一方面,解決了工業機器人實驗教學設備不足,無法一人一機的實訓問題;另一方面,解決了學生因操作不當等原因而發生的設備損壞和人身安全事故。深入探討機器人實踐課程建設,做到理論與實踐結合,將虛實結合實驗內容四個板塊分解為六個實驗項目,即工業機器人結構原理認知、工業機器人拆裝與維修保養、工業機器人示教編程與軌跡規劃、機器人焊接工作站組站與編程、機器人打磨工作站組站與編程、機器人碼垛工作站組站與編程,虛擬實驗項目,具體如圖2所示。

圖2 虛擬實驗項目

2.3 虛實結合開放式實踐教學模式

在新工科背景下,針對“機器人工程專業”實踐教學所面臨的各種現實問題,緊密圍繞機器人工程專業人才培養目標和方案,結合現代產業發展最新成果和現代信息技術,將虛擬仿真教學作為一種新的教學模式引入到實踐教學中,堅持以“能實不虛、虛實結合”為原則、以解決科學問題為導向,重點解決機器人工程中真實實驗條件不具備或實際運行困難以及涉及高損耗、高污染、高危性的綜合訓練,構建實體實驗教學項目+虛擬仿真教學項目的工程化項目教學體系,形成原理準確、結構合理的虛實結合項目教學內容。實驗內容由淺入深、循序漸進,使教學更加符合工程實際發展規律和學生認知規律,增強學生學習的新鮮感和真實感,同時提供自主探索空間,提高教學效率與質量。

本虛實結合開放式的實踐教學模式如圖3所示,實驗以虛實結合教學模式多層次展開。通過校企合作搭建虛實結合開放式實踐教學平臺,凸顯以虛助實,以實帶虛,實踐過程層層遞進,構建基礎驗證性、綜合探索性實驗和模塊化設計性實驗。通過虛實結合實踐教學可以實現“以學為本、以學促學、實踐創新、思政引領和實際工程案例”五位一體的實踐教學功能,即以學為本完成預習、自主實驗和檢測與評估,以學促教開展實驗教學、課程案例演示和教學改革,實踐創新帶動創新項目和學科競賽,思政引領嵌入思政元素、樹立專業理想,實際工程案例實現基本實踐能力訓練和典型案例訓練,滿足工程項目教學體系的實訓需求,同時滿足多學科交叉的綜合性、系統性的人才培養需求。

圖3 虛實結合開放式實踐教學模式

通過虛實結合的實踐平臺可以促進不同學科的融合,也能增強學生的綜合素養。學生能夠在虛擬仿真和實際機器人實踐中獲得實際應用經驗和復雜問題解決能力,為未來的就業和研究打下堅實基礎。通過實踐平臺記錄和分享功能,既可以讓教師掌握學生的實踐情況,又可讓學生相互交流實驗經驗和學習資源,促進互助和共享。

3 虛實結合教學模式實施與教學效果

虛實結合可以較大幅度提升學生綜合素質,也能啟發創新思維、鍛煉實踐動手能力、培養團隊合作能力。本校機器人虛實結合教學模式實施和成效可以總結以下幾個方面。

3.1 校企合作促實踐平臺建設

結合現代企業,分別從硬件落地場景使用和虛擬仿真實現兩個角度出發,強化校企合作,建設工業機器人虛實結合實踐平臺,既能確保學習、培訓不落伍,又能隨時隨地學,與實際機器人操作相互印證,減少了設備的誤操作帶來的危險,以及相關硬件的損耗。

3.2 團隊建設促教學資源開發

虛實結合實踐平臺運行需要依靠教師來具體發揮作用,首先需要培訓教師,為機器人工程及相關專業教師提供系統培訓和指導,使其熟悉平臺的使用和實驗教學的方法,在潛移默化中實現機器人教學團隊建設。相應地,結合實踐平臺需要開發與平臺相匹配的實驗教材和案例,進一步促進了教學資源開發。

3.3 虛實結合促學生實踐參與度

一方面通過線上虛擬仿真平臺可以開展自主學習和虛擬實驗,又可以將學習成果應用于實際機器人,提升學生參與機器人實踐訓練的興趣;另一方面通過平臺記錄和實驗成果分享,能夠促進學生之間的交流與合作,共同提高實踐能力和問題解決能力。

3.4 虛實結合促教學效果提升

現代智能制造工藝中都是由很多單一機器人模塊組成。本實踐教學平臺不僅集成了認知、維護、保養、編程控制等基礎模塊,還集成了碼垛搬運、打磨和焊接工藝環節,形成了較為全面的虛實結合實踐平臺。通過虛實結合教學過程,全方位、多層次地進行了教學改革,解決了從相對獨立的子問題集成到實際應用這一復雜的系統問題,從線上虛擬仿真到線下實際機器人操作實踐枯燥問題,從單一成績到全面綜合考核學生實踐問題。相應地,學生也在創新思維能力、系統分析能力、模型設計與編程能力等方面都有明顯提高。近年,基于虛實結合實踐平臺,大學生學科競賽、學生項目立項和教學效果等方面都獲得了優異的成績,圖4為近年獲得的部分教學成果。

圖4 部分近年獲得的教學成果

4 結語

機器人實踐教學是培養機器人創新型人才的關鍵環節。為改變傳統機器人實踐教學的弊端,本文以皖西學院智能制造基地工業機器人實訓平臺為基礎,開發了機器人虛擬仿真實驗平臺,應用于機器人工程專業的實踐教學,探究了虛實結合實踐教學模式,不僅取得了良好的教學效果,還打破了實踐教學的限制,降低了實踐教學成本;同時,學生通過沉浸式和交互式的虛實結合實踐方式,不僅調動了積極性,還能直觀加深對機器人理論知識的理解和實際應用的把握。實踐結果表明,本虛實結合實踐教學模式可以提高人才培養的質量。