虛擬仿真技術在高職工業機器人專業實踐教學模式研究

摘 要：工業機器人專業的實踐教學對學生掌握相關操作技術至關重要，但許多高職院校由于設備短缺、投入資金不足等因素影響，導致實踐教學開展難以滿足學生技能訓練需求，為此文章提出基于虛擬仿真技術構建“虛實結合”的工業機器人實踐教學模式。通過對實踐課程進行“基礎認知-虛擬仿真-真實操作-創新應用”的模式構建，并結合項目模塊教學方式來強化學生的編程調試、系統集成等實操能力；其次構建虛實聯動實踐評價機制和“雙元認證”考核方式，精準對接企業需求，并通過打造“虛實兼備”雙師型師資隊伍，形成“教-學-做-評”的教學鏈。實踐表明：該實踐教學模式不僅解決了工業機器人專業實踐中的“三高三難”問題，還顯著降低設備損耗率，增強學生學習主動性，為智能制造領域復合型技術技能人才培養提供創新路徑。

關鍵詞：虛擬仿真 工業機器人 實踐教學 職業教育

隨著“中國制造2025”戰略不斷推進，國內急需大量從事工業機器人操作方面的人才，為滿足其需求部分高職院校開設了工業機器人專業或相關方向的實踐課程，然而由于實踐教學設備面臨著高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”問題，難以保證生均臺套數，導致目前的工業機器人專業普遍存在實踐教學體系不完善、課程實施難度高、實踐教學質量參差不齊、教學裝備更新滯后等問題[1-2]。針對上述困境，不少研究者通過將虛擬仿真技術融入教學實踐體系進行改革與創新，譚志榮等人[3]提出基于虛擬仿真技術的智能網聯汽車仿真平臺搭建，既激發了學生自主學習興趣，也提高了學生的操作能力；王佳[4]通過虛擬仿真技術解決了服裝設計與工藝專業課程理論教學與實踐教學相脫節的問題，進而提高了學生學習動力；彭一航等人[5]通過構建實踐設備數字化模型，搭建了以虛助實、以實帶虛、虛實結合的虛擬仿真教學系統，提高了學生自主學習的主動性。借鑒此類經驗，文章針對高職工業機器人專業實踐教學設備短缺、操作受限等問題，提出依托虛擬仿真技術構建“虛實結合”的工業機器人實踐教學體系。通過構建高保真數字孿生模型，學生可預判實體設備安裝與調試中的問題，突破時間與設備限制，在安全環境中掌握編程、故障診斷等技能，隨后將虛擬調試數據移植至實體設備，縮短二次調試時間并規避碰撞、過載等安全風險，為智能制造產業升級培養兼具理論素養與實踐能力的復合型人才提供創新培養路徑。

1 工業機器人專業實踐教學存在的問題

傳統工業機器人專業實踐教學模式由于存在教學資源匱乏、實操空間有限、教學和考核方式單一等問題[6]，嚴重制約了學生實踐技能的掌握，已無法滿足當前制造業對工業機器人專業的“會操作、能維護、懂創新”高技能復合型人才需求，因此當前的實踐教學模式在課程設計、實訓條件、師資能力等方面依然存在亟待改進的問題。

1.1 人才培養與企業需求脫節

當前高職院校工業機器人專業人才培養仍側重于編程教學方面，而忽略對學生生產線整體規劃、工藝流程優化等能力的培養，并且部分高職院校能用于實踐教學方面的設備少、功能單一等，導致學生在系統集成、設備操作等實戰環節的操作能力薄弱，同時由于校企融合深度不足，使得企業對畢業生能力要求與所掌握的技能不匹配，進而增加了企業的二次培訓成本。

1.2 實踐教學資源配置不足

工業機器人實踐教學受設備價格高、模塊復雜、實踐場地局限等因素影響，導致設備數量不足甚至完全缺乏的情況，學生往往只能以5～6人為一組或輪流進行操作，實操機會少且時間短，難以有效開展實踐操作；同時，由于缺乏統一的實踐教學質量評價和管理制度等，難以對實踐課程的效果進行有效反饋，也不易構建科學合理的實踐過程性評價體系。

1.3 實踐教學內容和形式缺少創新

當前部分高職院校工業機器人專業實踐教學受實訓設備、實訓場地以及師資力量等條件影響，導致教學內容仍以基礎編程、簡單操作等方面為主，故難以精準對接當前制造業所需的先進制造技術能力要求；同時部分教師實踐教學仍以理論傳輸或“教師演示-學生模仿”為主，而忽視了對學生創新實踐能力的培養，加之實踐教學中缺乏生產線真實場景的項目化訓練，造成學生學習動力不足、興趣缺失等問題，嚴重制約了學生系統性工程思維與跨領域創新能力的形成。

1.4 教師缺乏實踐經驗和行業背景

由于工業機器人專業發展周期較短，導致師資隊伍建設滯后、教師企業實踐經驗不足等，進而造成教師實踐教學中難以對學生操作進行有效指導。同時，隨著工業機器人專業方面的新技術不斷更新，使得年長教師普遍面臨知識更新遲緩、操作技能與行業前沿需求存在脫節等現象；而青年教師雖然能通過國家級或省級的相關培訓快速掌握其理論知識，但由于缺乏深入企業一線的實戰鍛煉機會，導致實踐經驗儲備不足，進一步制約了實踐教學質量。

2 虛擬仿真技術在工業機器人專業實踐教學的優勢

虛擬仿真技術在工業機器人專業實踐教學的應用不僅能提升學生在實踐中參與度和學習興趣，也能提升學生的職業技能，還能有效解決教師教學中所遇到的困難，提升教學效果和效率[7-8]。

2.1 基于虛擬仿真技術提升實踐教學質量

將虛擬仿真技術引入到工業機器人專業實踐教學中，可以高度模擬企業生產線實際場景，不僅能幫助學生更加直觀地了解工業機器人內部結構、運動軌跡等復雜知識點，還能有效解決實踐教學中工位緊缺、調試周期長等難題。此外，學生借助虛擬場景進行反復練習，在鞏固實操知識要點的同時，既可以避免操作失誤導致設備損壞或出現安全事故，又能顯著提升教學效率和課程內容的覆蓋深度。

2.2 基于虛擬仿真技術提升學生的職業技能

借助虛擬仿真技術搭建的實踐模塊，可為學生提供“零門檻、無風險”的沉浸式實踐環境，模擬現實生產線的機器人裝配、分揀、搬運等任務，引導學生由基礎任務到復雜任務的階梯式技能訓練，從而掌握編程技巧、調試方法等核心技能，并且可通過虛擬系統反饋的數據對操作方案進行優化，以此培養學生的創新能力和工程思維。

2.3 基于虛擬仿真技術開展教學改革

工業機器人專業教師可以根據企業崗位需求，在實踐教學中運用虛擬仿真技術搭建相應的項目場景、任務模塊等，并將虛擬生產線的運動狀態映射到實體設備中，形成“虛實結合”教學模式，從而打破“教師演示-學生模仿”的單向教學方式，還能幫助學生快速理解和掌握實踐操作要領。此外，教師還能依托虛擬仿真平臺構建實踐教學評估體系，用于記錄學生操作時間與數據等信息，形成動態化過程性評價體系，從而精準掌握學生學習情況，以便根據實際情況調整實踐教學策略。

3 基于虛擬仿真技術的工業機器人專業實踐教學創新

針對傳統工業機器人專業實踐課程中存在的教學問題，可通過優化課程標準、構建分層體系與教學模式、完善評價體系及打造雙師隊伍等進行教學體系重構創新，以培養復合人才，提升人才培養精準度。

3.1 優化實踐標準，構建虛實結合的實踐教學模式

目前工業機器人專業的實踐課程的標準，仍是以小組為單位進行簡單的機器人搬運、繪圖等操作，既不能保證每位學生進行操作，也難為以后工作奠定基礎，因此需要根據制造業需求進行工業機器人專業實踐標準優化，融合虛實結合的實踐模式，構建“虛擬仿真建模-實體設備操作-虛實聯動創新”的能力目標；同時通過項目式教學、強化教師師資培訓與實踐室虛實孿生建設、優化評價機制等，形成“虛實并行、互為驗證”的教學邏輯，培養兼具機器人編程調試、數字孿生應用等核心技能的“數字化+技能型”復合人才。

3.2 構建“虛實聯動-崗課對接”的分層實踐教學體系

針對工業機器人專業實踐課程教學存在設備昂貴、學生動手實操機會少以及在教學中易忽視學生的系統集成能力培養等問題，教師在進行教學設計時應該以企業崗位需求為導向，構建“基礎認知-虛擬仿真-真實操作-創新應用”課程模式。基礎認知階段通過虛擬的VR技術，引導學生掌握機器人內部結構和生產線布局，突破“無設備可看”的局限；虛擬仿真階段引導學生在仿真環境中完成程序調試與避免存在機械干涉等現象，消除學生動手難，無設備操作的問題；真實操作階段引導學生將其編寫的程序和設計參數導入到實體設備中驗證效果，以此縮短實體設備調試時間和規避設備損耗風險，引導學生通過“虛擬預演+現場實操”無縫銜接企業崗位，解決傳統實踐“看多于做”的低效問題；創新應用階段教師可以通過虛擬仿真技術設計模擬現場生產線加工場景，以培養學生編程調試以及工藝優化、產線規劃等復合能力，保障學生技能與企業需求精準對接，引導學生從基礎操作到復雜系統集成逐步進階，提升崗位適配能力。

3.3 構建“項目驅動-場景沉浸”的教學模式

工業機器人專業實踐教學中仍以“教師演示-學生模仿”為主，限制了學生產線規劃與創新能力的培養，教師在進行教學設計時應該可通過構建“虛擬項目導入-仿真環境實操- 實體產線驗證”的進階式教學流程。教學中教師可以根據企業產線需求，設計零件裝配線調試、零件焊接軌跡調試等項目化教學模塊，引導學生以小組為單位通過虛擬平臺進行方案設計、設備型號選擇、程序編寫等任務，再通過小組互查、教師抽查等方式，進行方案可行性和經濟性的評判，以此提升學生的學習積極性、產線設計與規劃等能力；其次通過虛擬仿真技術與相關平臺可以構建“雙師協同”教學場景，即企業工程師在真實車間通過AR設備實時演示操作要點，學生可以通過虛擬環境進行練習，教師可以通過各組實際情況進行針對性問題指導或解答，以此培養學生的項目自主設計應用場景的創新能力，實現由單一技能到復雜工程問題解決的階梯式提升。

3.4 構建“過程性-雙元認證”實踐評價體系

針對工業機器人實踐教學傳統的評價模式是以結果為導向、評價方式單一、脫離企業標準等問題，構建“知識-技能-素養”三維評價體系。通過采用虛擬平臺進行的程序編程效率、故障排除耗時、操作的規范性等情況，獲取學生薄弱環節，以便教師進行針對性教學內容調整。實踐課程考核設置“虛擬調試-實體操作”雙環節，學生通過虛擬環境進行相關任務操作，完成后再將其移植到實體設備中運行，通過兩者完成效率和質量進行評價。同時引入企業技術標準，由校企雙導師聯合評審，考核合格者獲“學校證書+企業認證”雙證，解決評價與產業需求脫節問題，提升人才培養精準度。

3.5 打造“虛實兼備”的“雙師型”師資隊伍?

針對工業機器人專業教師實踐知識滯后和經驗不足等問題，可搭建“虛擬仿真+企業實踐”能力提升平臺，教師可以通過虛擬仿真實踐室開發相應的前沿技術的學習與培訓模塊，既能保證自己的知識更新，也能確保知識結構與行業技術升級同步；同時教師可依托校企共建的虛擬仿真實踐基地，參與企業項目前期建設，幫助企業優化機器人運動軌跡、規避機械干涉等，以便幫助企業的項目實施落地。此外，學院可以推行“虛擬師徒制”，讓企業骨干與學院青年教師結成對子，在虛擬環境中共同完成產線升級、故障排查等模塊，累積虛擬實踐時長可認定為企業工作經歷，有效彌補“學校到企業”的實踐斷層，進而使教師指導學生解決實際問題的能力進一步提升。

4 結語

針對工業機器人專業實踐教學中存在的操作空間有限、資源匱乏以及“三高三難”等問題，文章提出基于虛擬仿真技術為學生提供多維度的實操教學環境，并經過虛擬預演與實體操作驗證的無縫銜接，既能降低設備損耗，又縮短實體設備調試周期，同時也能激發學生課程參與度。近年來，通過對該專業進行分層培養，讓企業需求與學生技能實現精準對接，進一步提升了崗位適配度；運用項目實踐驅動模式，增強了學生的系統集成和創新能力；建立的過程性評價體系和雙師隊伍，既能讓課程評價更貼合產業，也能增加教師的指導和實踐能力。實踐表明：該實踐教學模式不僅解決了工業機器人專業實踐中的“三高三難”問題，還顯著提高了學生實踐能力和學習興趣，提升教學質量，取得一定成效。

基金項目：重慶工貿職業技術學院課改項目（JG20240250）；2025 年電子信息行業職業教育科研課題（DZXXZX2025038）。

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[3]譚志榮，王新運，彭焜鹿，等.基于虛擬仿真技術智能網聯汽車技術專業人才培養研究[J].汽車維修與保養，2025（02）：86-88.

[4]王佳.虛擬仿真技術在服裝設計與工藝專業課程中的教學應用[J].紡織科技進展，2022（06）：58-60+64.

[5]彭一航，劉志剛，李秀忠.基于工業數字孿生技術的高職智能控制類專業課程教學改革研究——以《西門子工業技術及應用》課程為例[J].中國設備工程，2024（22）：263-265.

[6]馬保建，陳棒棒，劉向東.機器人技術及應用課程教學模式建設與探索[J].農業工程與裝備，2024，51（01）：47-49.

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[8]李有兵，曾一新，李海林，等.基于虛擬仿真技術的機電一體化技術專業群人才培養的改革與實踐[J].裝備制造技術，2024（04）：77-79.