虛擬仿真技術(shù)在中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)的實(shí)踐研究

工業(yè)4.0時(shí)代的來(lái)臨促使工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)的運(yùn)用日益廣泛，為滿足市場(chǎng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才的迫切需求，中職院校紛紛開設(shè)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)。然而，工業(yè)機(jī)器人設(shè)備價(jià)格高昂、操作繁雜，傳統(tǒng)教學(xué)方法難以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)訴求。虛擬仿真技術(shù)作為新興技術(shù)，具備沉浸性、交互性和安全性等特質(zhì)，能夠?yàn)閷W(xué)生營(yíng)造更為逼真、直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性。故而，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、虛擬仿真技術(shù)概述

（一）虛擬仿真技術(shù)的定義

虛擬仿真技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)真實(shí)世界中的物理系統(tǒng)、過(guò)程或現(xiàn)象予以模擬和仿真的技術(shù)手段。其通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行三維建模以及制作動(dòng)畫等方式，將真實(shí)世界的物理系統(tǒng)、過(guò)程或現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字信號(hào)，再憑借計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與人機(jī)交互技術(shù)，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為可視化的圖像和動(dòng)畫，使用戶能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕或虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，直觀地觀測(cè)和操作虛擬的物理系統(tǒng)、過(guò)程或現(xiàn)象。

（二）虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)

1.沉浸性

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，用戶可以全身心沉浸于虛擬環(huán)境，能夠直觀地觀測(cè)和操作虛擬的物理系統(tǒng)、過(guò)程或現(xiàn)象，切實(shí)感受真實(shí)世界中相應(yīng)系統(tǒng)、過(guò)程或現(xiàn)象的變化及影響。

2.交互性

借助人機(jī)交互設(shè)備，用戶實(shí)現(xiàn)與虛擬的物理系統(tǒng)、過(guò)程或現(xiàn)象的交互，能夠通過(guò)人機(jī)交互設(shè)備，對(duì)虛擬對(duì)象進(jìn)行操作和控制，真切體會(huì)真實(shí)世界中相應(yīng)系統(tǒng)、過(guò)程或現(xiàn)象的變化及影響。

3.安全性

在不干擾真實(shí)世界中的物理系統(tǒng)、過(guò)程或現(xiàn)象的前提下，用戶可以進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)和操作。用戶能在虛擬環(huán)境中開展有一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)和操作，而不會(huì)對(duì)自身及他人造成任何傷害。

（三）虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用范疇極為廣泛，涵蓋工業(yè)設(shè)計(jì)、教育培訓(xùn)、醫(yī)療保健、軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)能協(xié)助設(shè)計(jì)師更直觀地觀測(cè)和操作虛擬的產(chǎn)品模型，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。在教育培訓(xùn)領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)可幫助學(xué)生更清晰地觀察和操作虛擬的物理系統(tǒng)、過(guò)程或現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣與積極性。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)有助于醫(yī)生更直觀地觀測(cè)和操作虛擬的人體模型，提高醫(yī)療診斷和治療的效率與質(zhì)量。在軍事訓(xùn)練領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)能夠助力士兵更直觀地觀察和操作虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，增強(qiáng)軍事訓(xùn)練的效率與質(zhì)量。

二、中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀

（一）教學(xué)設(shè)備昂貴

工業(yè)機(jī)器人設(shè)備價(jià)值不菲，中職學(xué)校往往難以承受大量設(shè)備的采購(gòu)費(fèi)用。這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)進(jìn)程中，實(shí)際操作的機(jī)會(huì)稀缺，難以切實(shí)掌握工業(yè)機(jī)器人的操作技能。

（二）教學(xué)方法單一

傳統(tǒng)的中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)主要采用理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的方式。理論教學(xué)多以課堂講授為主，實(shí)踐教學(xué)則主要依賴實(shí)驗(yàn)室操作。這種教學(xué)模式較為單調(diào)，難以充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性。

（三）教學(xué)內(nèi)容抽象

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)牽涉機(jī)械、電氣、控制等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，教學(xué)內(nèi)容相對(duì)抽象。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，理解和掌握這些知識(shí)存在較大難度，致使學(xué)習(xí)效果不盡人意。

（四）師資力量薄弱

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)屬于新興技術(shù)，中職學(xué)校的師資力量相對(duì)欠缺。教師普遍缺乏實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人操作經(jīng)驗(yàn)，難以有效滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

三、虛擬仿真技術(shù)在中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（一）降低教學(xué)成本

虛擬仿真技術(shù)能夠模擬工業(yè)機(jī)器人的操作環(huán)境，學(xué)生可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作練習(xí)，無(wú)需依賴實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備。如此一來(lái)，能顯著降低教學(xué)成本，提升教學(xué)資源的利用效率。例如，學(xué)校在引人虛擬仿真軟件前，通常需購(gòu)置眾多的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備，開支巨大；而采用虛擬仿真軟件后，學(xué)生能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬操作，大幅削減了設(shè)備采購(gòu)成本。

（二）豐富教學(xué)方法

虛擬仿真技術(shù)可為學(xué)生構(gòu)建更為真實(shí)、直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，教師能夠運(yùn)用多種教學(xué)方法，如情境教學(xué)法、項(xiàng)目教學(xué)法等，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性。例如，教師可以用虛擬仿真軟件建造一個(gè)生產(chǎn)場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生在這個(gè)虛擬的場(chǎng)景里執(zhí)行工業(yè)機(jī)器人的編程與操作任務(wù)，這種模擬情境教學(xué)方法有利于學(xué)生更好地體驗(yàn)工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)用，從而能夠有效地提升學(xué)習(xí)的效率。

（三）提升教學(xué)成效

虛擬仿真技術(shù)可以非常方便把抽象的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)變成較為直觀的圖像或動(dòng)畫，對(duì)于學(xué)生解和掌握有關(guān)工業(yè)機(jī)器人的知識(shí)與技能具有明顯的效果。同時(shí)，學(xué)生可以在虛擬的環(huán)境里多次進(jìn)行操作練習(xí)，這對(duì)于提高學(xué)生的操作技能具有非常明顯的幫助。比如，在工業(yè)機(jī)器人涂膠實(shí)操的時(shí)候，教師可以很方便地借助仿真軟件做出不同的涂膠軌跡，這種虛擬的手段能讓學(xué)生直觀地看到機(jī)器人的工作過(guò)程，這樣學(xué)生就能夠更好地理解涂膠的原理。而且，學(xué)生還能夠在虛擬環(huán)境里多次嘗試不同的涂膠方法，以此來(lái)提高自己的操作技能。

（四）增強(qiáng)安全保障

工業(yè)機(jī)器人操作存在一定危險(xiǎn)性，學(xué)生在實(shí)際操作過(guò)程中易發(fā)生安全事故。虛擬仿真技術(shù)能夠模擬工業(yè)機(jī)器人的操作環(huán)境，學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作練習(xí)，可有效規(guī)避安全事故，強(qiáng)化教學(xué)的安全保障。例如，在實(shí)際操作工業(yè)機(jī)器人時(shí)，若學(xué)生操作失誤，可能導(dǎo)致機(jī)器人碰撞或損壞設(shè)備，甚至對(duì)學(xué)生造成傷害。而在虛擬環(huán)境中，學(xué)生能放心地進(jìn)行操作練習(xí)，不用擔(dān)憂安全問(wèn)題。

四、常見仿真軟件案例分析

（一）RobotStudio

RobotStudio是ABB公司所推出的一款工業(yè)機(jī)器人仿真軟件，能夠?qū)BB工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行離線編程、仿真以及優(yōu)化。此軟件具備以下特點(diǎn)：功能多樣，涵蓋機(jī)器人編程、路徑規(guī)劃、碰撞檢測(cè)等多種操作；可視化突出，經(jīng)由三維動(dòng)畫展示，學(xué)生能夠極為直觀地知曉機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)流程；易學(xué)易用，軟件界面具有良好的通用性，操作相對(duì)簡(jiǎn)便，適合中職學(xué)生使用。

在中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中，教師能夠借助該軟件進(jìn)行如下教學(xué)活動(dòng)：理論講授，依靠軟件的三維建模與動(dòng)畫演示，閘釋工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理等知識(shí)；編程訓(xùn)練，引領(lǐng)學(xué)生于軟件模擬環(huán)境內(nèi)展開機(jī)器人編程練習(xí)，增強(qiáng)實(shí)際操作能力；項(xiàng)目指導(dǎo)，組織學(xué)生進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與仿真，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

（二）RoboDK

RoboDK是一款通用的工業(yè)機(jī)器人仿真軟件，可支持多種品牌的工業(yè)機(jī)器人。該軟件具備以下特點(diǎn)：兼容性強(qiáng)，能夠與多種CAD軟件集成，便于進(jìn)行機(jī)器人編程和仿真；靈活性高，可依據(jù)用戶需求進(jìn)行定制化開發(fā)，滿足不同的教學(xué)需求；免費(fèi)試用，軟件提供免費(fèi)試用版，方便學(xué)生在零成本的情況下進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

在中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中，教師可利用RoboDK開展以下教學(xué)活動(dòng)：跨品牌教學(xué)，鑒于軟件支持多種品牌的工業(yè)機(jī)器人，教師可開展跨品牌教學(xué)，讓學(xué)生了解不同品牌機(jī)器人的特性和應(yīng)用；創(chuàng)新實(shí)踐，鼓勵(lì)學(xué)生利用軟件的定制化功能開展創(chuàng)新實(shí)踐，提升創(chuàng)新能力；合作學(xué)習(xí)，組織學(xué)生進(jìn)行小組合作，共同完成機(jī)器人項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和仿真，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

（三）V-REP

V-REP是一款功能強(qiáng)大的機(jī)器人仿真軟件，具有高度的可擴(kuò)展性和靈活性。該軟件具有以下特點(diǎn)：多種編程語(yǔ)言支持，允許使用 C/C++ 、Python、Ja-va等多種編程語(yǔ)言進(jìn)行編程；物理引擎十分強(qiáng)大，可以模擬出真實(shí)的物理環(huán)境，這有助于學(xué)生更加深入地認(rèn)識(shí)機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)用中的性能表現(xiàn)；該軟件是開源的，并且有免費(fèi)版本，這就為學(xué)生自由地學(xué)習(xí)和探索提供了便利。

在中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的教學(xué)過(guò)程中，教師能夠運(yùn)用V-REP開展如下教學(xué)活動(dòng)：舉行編程競(jìng)賽，促使學(xué)生參與其中，從而提高他們的編程能力并增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)；鼓勵(lì)學(xué)生借助該軟件的可擴(kuò)展性開展科研實(shí)踐活動(dòng)，借此培養(yǎng)科研能力；提供多種多樣的學(xué)習(xí)資源和教程，以支撐學(xué)生自主地學(xué)習(xí)并探索軟件功能。

五、虛擬仿真技術(shù)在中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用策略

（一）建設(shè)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室

中職學(xué)校應(yīng)加大對(duì)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)投人，購(gòu)置先進(jìn)的虛擬仿真設(shè)備和軟件，為學(xué)生打造優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境。虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)涵蓋虛擬仿真軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、計(jì)算機(jī)等設(shè)施。

（二）開發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源

教師應(yīng)結(jié)合中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)的實(shí)際需求，開發(fā)豐富多樣的虛擬仿真教學(xué)資源，如虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)訓(xùn)、虛擬課件等。虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)訓(xùn)能讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作練習(xí)，提升操作技能和熟練程度；虛擬課件可將抽象的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為直觀的圖像和動(dòng)畫，輔助學(xué)生更好地理解和掌握知識(shí)。

（三）采用多樣化的教學(xué)方法

教師應(yīng)采用多元化的教學(xué)方法，將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方法相融合，提升教學(xué)效果。例如，教師可運(yùn)用情境教學(xué)法，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)逼真的工業(yè)機(jī)器人操作情境，讓學(xué)生在情境中學(xué)習(xí)和操作；教師也可采用項(xiàng)目教學(xué)法，讓學(xué)生通過(guò)虛擬仿真技術(shù)完成實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人項(xiàng)目，提升綜合能力。

（四）加強(qiáng)師資培訓(xùn)

中職學(xué)校應(yīng)強(qiáng)化對(duì)教師的虛擬仿真技術(shù)培訓(xùn)，提升教師的信息技術(shù)素養(yǎng)和教學(xué)水平。教師應(yīng)掌握虛擬仿真軟件的基本原理和操作方法，能夠熟練運(yùn)用虛擬仿真設(shè)備和軟件開展教學(xué)。同時(shí)，教師還應(yīng)持續(xù)探索和創(chuàng)新教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

六、虛擬仿真技術(shù)在中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在工業(yè)機(jī)器人編程與操作課程中，教師可運(yùn)用虛擬仿真軟件為學(xué)生構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行編程和操作練習(xí)。學(xué)生能夠通過(guò)虛擬仿真軟件，直觀地看到自己編寫的程序在虛擬工業(yè)機(jī)器人上的運(yùn)行效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改正錯(cuò)誤。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠提升學(xué)生的編程能力和操作技能，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。比如，使用西門子NX軟件，創(chuàng)建機(jī)器人關(guān)鍵部件的3D模型，每個(gè)模型按照實(shí)際設(shè)備的規(guī)格和尺寸創(chuàng)建，模型具有物理屬性；使用GXWork2軟件用于編寫和調(diào)試三菱PLC程序，用凌一PLC仿真器用于模擬PLC的控制邏輯，通過(guò)PLC程序控制外圍設(shè)備的動(dòng)作，再通過(guò)Ro-botStudio編寫機(jī)器人程序，與PLC進(jìn)行通訊協(xié)調(diào)。這些軟件采用了TPC/OPC協(xié)議，確保各個(gè)軟件之間的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地傳輸（圖1）。

（二）虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)

在工業(yè)機(jī)器人維護(hù)的教學(xué)中，教師能夠依靠虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生搭建虛擬的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，推動(dòng)學(xué)生在這樣的虛擬環(huán)境里進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人維護(hù)的操作演練。憑借虛擬仿真軟件，學(xué)生能夠明晰且直觀地了解工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，從而扎實(shí)地掌握工業(yè)機(jī)器人維護(hù)的辦法。虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)有利于提升學(xué)生的實(shí)際操作水平，并且能夠切實(shí)減少設(shè)備的損耗以及維修成本。

（三）虛擬課件教學(xué)

在開展工業(yè)機(jī)器人概論課程教學(xué)的過(guò)程中，教師可以借助虛擬仿真技術(shù)制作虛擬課件，將那些抽象晦澀的工業(yè)機(jī)器人知識(shí)轉(zhuǎn)化為形象直觀的圖像與動(dòng)畫，以此助力學(xué)生更深入地理解和把握知識(shí)。虛擬課件教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，同時(shí)也能夠推動(dòng)教學(xué)成效的顯著提升。

七、虛擬仿真技術(shù)在中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的效果評(píng)價(jià)

（一）學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性顯著提高

經(jīng)由虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用，學(xué)生得以在更為逼真、直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境里展開學(xué)習(xí)和操作，其學(xué)習(xí)興趣和積極性大大提升。學(xué)生不再認(rèn)為學(xué)習(xí)枯燥無(wú)趣，而是滿懷好奇與探索的渴望。

虛擬仿真軟件使學(xué)生能在虛擬環(huán)境中反復(fù)操作練習(xí)，提高操作技能和熟練程度。學(xué)生在實(shí)際操作中更加自信和熟練，能更好地適應(yīng)企業(yè)的工作需求。

（二）學(xué)生實(shí)踐操作能力明顯增強(qiáng)

（三）教學(xué)效果顯著提升

虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)⒊橄蟮慕虒W(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為直觀的圖像和動(dòng)畫，幫助學(xué)生更好地理解和掌握知識(shí)。同時(shí)，多樣化的教學(xué)方法有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，顯著提高了教學(xué)效果。教師通過(guò)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)和綜合素質(zhì)均有明顯提高。

八、結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)屬于新興的信息技術(shù)，其在中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。若要將虛擬仿真技術(shù)有效地運(yùn)用到中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中，學(xué)校可通過(guò)構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、開發(fā)相關(guān)的虛擬仿真教學(xué)資源、運(yùn)用多種教學(xué)方法以及強(qiáng)化師資培訓(xùn)等策略來(lái)達(dá)成。此外，像RobotStudio、RoboDK、V－REP這類常見的仿真軟件被引人作為案例加以分析，這進(jìn)一步驗(yàn)證了虛擬仿真技術(shù)所具備的優(yōu)勢(shì)以及在中職教學(xué)中運(yùn)用的可行性。實(shí)踐表明，虛擬仿真技術(shù)能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性，還能加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力以及創(chuàng)新能力，從而為中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)開辟新的思路與方法。在往后的教學(xué)過(guò)程中，我們需要不斷地對(duì)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探索與創(chuàng)新，進(jìn)而為培養(yǎng)更多高素質(zhì)的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才貢獻(xiàn)力量。

[基金項(xiàng)目：本文系廣東省中等職業(yè)學(xué)校教師發(fā)展中心2024年職業(yè)教育研究課題“四翼五維：中職工業(yè)機(jī)器人專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系建設(shè)研究”（GDZZJF2024C100）的研究成果。]

責(zé)任編輯 陳春陽(yáng)