應(yīng)用型本科高校工業(yè)機(jī)械臂虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐研究

劉奎立，張廣磊，劉思邦，王 濤

(周口師范學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，河南 周口 466000)

工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線已成為自動(dòng)化設(shè)備的主流和未來(lái)發(fā)展方向，并已在國(guó)內(nèi)外許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.虛擬機(jī)器人模擬生產(chǎn)線中的各種因素和生產(chǎn)過(guò)程，可以有效降低生產(chǎn)成本和安全風(fēng)險(xiǎn).通過(guò)模仿和分析，可以預(yù)測(cè)生產(chǎn)中的各種事件，按時(shí)縮短流程，完成復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)并將自動(dòng)化生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苌a(chǎn)線.為了滿足技能教學(xué)的需求，許多高校都開(kāi)設(shè)了工業(yè)機(jī)器人課程，但工業(yè)機(jī)器人價(jià)格昂貴，教學(xué)設(shè)備的維護(hù)成本高，數(shù)量難以滿足教學(xué)需求[1].隨著虛擬仿真教學(xué)的引入，合理分配教學(xué)資源成為現(xiàn)實(shí)，可以確保學(xué)生有足夠的時(shí)間進(jìn)行練習(xí)，同時(shí)減少教學(xué)過(guò)程中的安全隱患.因此，在工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)中特別需要使用虛擬仿真技術(shù).

1 工業(yè)機(jī)械臂虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)使用諸如虛擬技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人機(jī)通信之類的信息技術(shù)來(lái)集成到傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方法中.它具有漫游、演示、交互等功能，是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械的教學(xué)方法優(yōu)化和改進(jìn).將虛擬仿真技術(shù)結(jié)合到工業(yè)機(jī)械臂的實(shí)踐教學(xué)中，在虛擬環(huán)境中對(duì)操作過(guò)程和場(chǎng)景進(jìn)行“真實(shí)”的重構(gòu)，使學(xué)生能夠“沉浸”在真實(shí)的模仿系統(tǒng)中，并將其真正地集成到真實(shí)的工業(yè)機(jī)器的生產(chǎn)中[2].將虛擬仿真納入實(shí)踐教學(xué)中，突破傳統(tǒng)練習(xí)時(shí)間和空間的界限，可以在課堂內(nèi)外隨時(shí)隨地在線和離線進(jìn)行虛擬仿真教學(xué).在任何地方進(jìn)行練習(xí)，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際需求和自己的知識(shí)重復(fù)并自然地安排學(xué)習(xí)時(shí)間，這增加了課程教學(xué)的廣度和深度，節(jié)省了實(shí)踐成本，并且工業(yè)機(jī)器臂虛擬教學(xué)不需要考慮購(gòu)買數(shù)量眾多的機(jī)器人設(shè)備，只需要購(gòu)買相應(yīng)的虛擬模擬器軟件和計(jì)算機(jī)，軟件升級(jí)的迭代成本很小[3-5]，教學(xué)效率高.虛擬仿真工業(yè)機(jī)械臂真正再現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到應(yīng)用的真實(shí)工藝機(jī)械臂的全過(guò)程，學(xué)生可以使用虛擬仿真軟件界面檢查并運(yùn)行不同的過(guò)程，不斷調(diào)整參數(shù)，從而對(duì)工業(yè)仿真實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)和修改效果.

2 教學(xué)“金課”改革背景下工業(yè)機(jī)械臂虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐的建設(shè)

2.1 教學(xué)內(nèi)容

2.1.1 科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

在設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容之前，要對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求進(jìn)行研究和分析，獲得該學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，了解學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié).使用虛擬仿真軟件，設(shè)計(jì)符合課程特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容，在內(nèi)容上注重理論教學(xué)，并根據(jù)學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)講授基礎(chǔ)知識(shí)，逐步遵循內(nèi)容的改進(jìn)、工件設(shè)計(jì)工具、硬件工作站設(shè)備、路線計(jì)劃算法的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化等[6].實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容包括：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)(硬件基礎(chǔ)知識(shí)、軟件基礎(chǔ)知識(shí))、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(工作站的構(gòu)建、軌道規(guī)劃和優(yōu)化)、綜合實(shí)驗(yàn)(實(shí)際仿真和定位、工程實(shí)踐案例)和其他實(shí)際案例.在課堂教學(xué)材料中增加非教學(xué)性的教學(xué)材料，例如：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的各種科研項(xiàng)目競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽等，結(jié)合學(xué)生團(tuán)隊(duì)和指導(dǎo)老師，鼓勵(lì)學(xué)生參與.學(xué)校聯(lián)系學(xué)生去相關(guān)公司實(shí)習(xí)，以便學(xué)生了解當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)[7].

2.1.2 建立教學(xué)資源庫(kù)

作為一門(mén)效率高、工程學(xué)高的學(xué)科，有必要增加學(xué)習(xí)知識(shí)的廣度和深度，使用的虛擬仿真軟件可以根據(jù)需要，設(shè)計(jì)和指導(dǎo)不同類型的機(jī)械臂、工具、工件和外圍設(shè)備，并支持學(xué)生上傳和共享自己的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)[8].建立豐富的資源集合的方法有三種：一種是鼓勵(lì)師生獨(dú)立設(shè)計(jì)手臂機(jī)器人，工件、工具、外圍設(shè)備和教學(xué)資源，并參與共享和上傳;二是與其他大學(xué)建立聯(lián)系，共享機(jī)器人學(xué)習(xí)資源的虛擬模擬器;三是與相關(guān)用人單位建立緊密聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)案例共享資源.

2.2 教學(xué)方法

2.2.1 線上教學(xué)

(1)首先，通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)械臂的理論知識(shí)、規(guī)劃過(guò)程和設(shè)計(jì)過(guò)程以及工業(yè)機(jī)械臂工作場(chǎng)所的教學(xué)案例，使學(xué)生可以對(duì)工業(yè)機(jī)械臂技術(shù)的基本理論、工作方法有清晰的認(rèn)識(shí)，了解技能和計(jì)劃流程.

(2)模擬教學(xué)使用的仿真系統(tǒng)執(zhí)行模擬仿真操作.包括四個(gè)步驟：場(chǎng)景設(shè)計(jì)、軌道設(shè)計(jì)、模擬仿真和實(shí)際操作.這些步驟是漸進(jìn)且緊密相關(guān)的，學(xué)生可以熟練掌握工作站的構(gòu)造和分析，以解決課程計(jì)劃和優(yōu)化問(wèn)題.

(3)實(shí)際驗(yàn)證操作軌道規(guī)劃設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)仿真軟件生成相應(yīng)的程序代碼，并將生成的程序代碼傳輸?shù)綄?shí)際的機(jī)械臂中進(jìn)行確認(rèn)和分析,解決實(shí)際路線規(guī)劃中的各種問(wèn)題.

(4)作業(yè)提交.學(xué)生在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，除了查看操作的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)外，學(xué)生還可以通過(guò)虛擬仿真軟件提交作業(yè).教師可以登錄，隨時(shí)隨地訪問(wèn)軟件系統(tǒng)，并審查學(xué)生提交的作業(yè)，提出適當(dāng)?shù)囊庖?jiàn)和建議[9].同時(shí)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地登錄系統(tǒng)以查看教師的評(píng)論，根據(jù)評(píng)論查找問(wèn)題，然后使用虛擬仿真軟件解決問(wèn)題.重復(fù)此步驟以提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、診斷和解決問(wèn)題的能力.

2.2.2 線下教學(xué)

教師在線下教學(xué)過(guò)程中采用啟發(fā)式教學(xué)法和以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì).解釋重點(diǎn)和難點(diǎn)的知識(shí)時(shí)考慮學(xué)生的獨(dú)立思維，形成發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、診斷問(wèn)題、討論和給予反饋的過(guò)程，教師的指導(dǎo)形成封閉的過(guò)程.老師根據(jù)自己對(duì)當(dāng)前問(wèn)題的理解為學(xué)生開(kāi)設(shè)課程，供他們查看和交流，并且教師可在線響應(yīng).同時(shí)，設(shè)置一些思考性問(wèn)題，使學(xué)生可以找到信息和答案，以便學(xué)生通過(guò)查找參考資料發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題并解決問(wèn)題.教師將實(shí)踐材料結(jié)合起來(lái)，形成獨(dú)特的綜合討論式教學(xué)方法，將新知識(shí)逐步融入實(shí)際的工程案例中，并培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐技能.

2.3 教學(xué)考核

在教學(xué)過(guò)程中，建立機(jī)械臂虛擬仿真課程庫(kù)，使用虛擬仿真的教程視頻、機(jī)械臂的設(shè)計(jì)技巧、機(jī)械臂虛擬仿真方法等;其次，通過(guò)實(shí)踐操作，討論問(wèn)題，收集反饋意見(jiàn)，修改調(diào)整策略，實(shí)現(xiàn)金課的動(dòng)態(tài)教學(xué);再次，工業(yè)機(jī)械臂虛擬仿真金課的考核采取過(guò)程性考核，每一次仿真實(shí)踐都是一次考核，課程總成績(jī)就是過(guò)程性考核的平均成績(jī)，具體形式可以采用多種組合，包括虛擬仿真結(jié)果、機(jī)械臂設(shè)計(jì)結(jié)果、研究報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)仿真結(jié)果、實(shí)踐(實(shí)驗(yàn))報(bào)告、在線教學(xué)過(guò)程記錄等.學(xué)生的綜合評(píng)價(jià)，也是過(guò)程性評(píng)價(jià)的綜合.學(xué)生能力的評(píng)價(jià)是各因素的綜合評(píng)估.

(1)平時(shí)成績(jī)占60%，形式有實(shí)訓(xùn)操作和實(shí)訓(xùn)報(bào)告，其中實(shí)訓(xùn)操作50%，實(shí)訓(xùn)報(bào)告50%，以百分制計(jì).實(shí)訓(xùn)預(yù)習(xí)：該項(xiàng)為做實(shí)訓(xùn)的必備部分，無(wú)預(yù)習(xí)報(bào)告者不準(zhǔn)參加本次實(shí)訓(xùn)，由實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師在實(shí)訓(xùn)前進(jìn)行檢查.實(shí)訓(xùn)過(guò)程：該項(xiàng)占50%，由實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師在實(shí)訓(xùn)結(jié)束時(shí)打分，以百分制計(jì)，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間未完成實(shí)訓(xùn)，該實(shí)訓(xùn)應(yīng)重做.實(shí)訓(xùn)報(bào)告：該項(xiàng)占50%，由任課教師批改實(shí)訓(xùn)報(bào)告時(shí)打分，以百分制計(jì).全面評(píng)價(jià)實(shí)訓(xùn)報(bào)告、包括測(cè)量結(jié)果、理論計(jì)算、誤差分析、結(jié)論、思考與建議等.

(2)考試成績(jī)占40%，形式有設(shè)計(jì)、連線、測(cè)試、驗(yàn)證、分析.對(duì)學(xué)生掌握的實(shí)訓(xùn)操作技能、分析問(wèn)題能力、初步的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力等實(shí)訓(xùn)基本技能進(jìn)行實(shí)訓(xùn)測(cè)試，考題內(nèi)容包含實(shí)訓(xùn)依據(jù)的原理、實(shí)訓(xùn)測(cè)試方法、常規(guī)儀器的使用、實(shí)訓(xùn)技能等方面.

2.4 教學(xué)評(píng)價(jià)

2.4.1 典型等級(jí)評(píng)價(jià).實(shí)驗(yàn)預(yù)告、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)報(bào)告.在預(yù)告中，評(píng)估學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將評(píng)估學(xué)生的實(shí)踐能力以及發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力.團(tuán)隊(duì)需要共同努力以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，在協(xié)作期間，根據(jù)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)估.實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的內(nèi)容是對(duì)實(shí)踐內(nèi)容的全面評(píng)估，包括結(jié)果、理論計(jì)算、錯(cuò)誤分析、結(jié)論、思想和建議等，評(píng)估學(xué)生的概括和寫(xiě)作能力.

2.4.2 測(cè)試評(píng)價(jià).測(cè)試方法使用隨機(jī)的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估.評(píng)估涵蓋所有工作，包括：實(shí)際準(zhǔn)備、實(shí)際操作、現(xiàn)實(shí)結(jié)果、展示和評(píng)估以及設(shè)備放置五個(gè)部分.學(xué)生以報(bào)告的形式總結(jié)他們的實(shí)踐技能，教師組織學(xué)生討論和交流，互相評(píng)價(jià)，并從教師那里獲得反饋.

3 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)械臂虛擬仿真教學(xué)金課的實(shí)施，一方面培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、思考和解決問(wèn)題的能力；另一方面，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和提高實(shí)踐技能.培養(yǎng)具有獨(dú)立動(dòng)手實(shí)踐操作能力和綜合素養(yǎng)是高等教育的重要目標(biāo),所以實(shí)踐課程應(yīng)得到更大的重視和投入,將工業(yè)機(jī)械臂虛擬仿真實(shí)踐課程提升到與理論課程同等重要的位置上，合理安排實(shí)踐和理論課時(shí).