基于虛擬仿真技術(shù)的“ 工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”智慧課程教學(xué)的創(chuàng)新與改革

劉怡君 李靖 董玉春 王歡 李秋生

關(guān)鍵詞 智慧課堂 教學(xué)創(chuàng)新 工業(yè)機(jī)器人 虛擬仿真技術(shù)

1引言

近年來，隨著信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，智慧工廠隨之出現(xiàn)，其提升了企業(yè)對(duì)相關(guān)人才的能力要求，如具備安裝、操作、調(diào)試、維修工業(yè)機(jī)器人等能力。為此，我校開設(shè)了“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程，以填補(bǔ)企業(yè)的需求缺口。但傳統(tǒng)的教學(xué)方法無法充分實(shí)現(xiàn)既定的培養(yǎng)目標(biāo)。對(duì)“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程進(jìn)行教學(xué)分析，從教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以及考核方式三個(gè)方面對(duì)該課程進(jìn)行創(chuàng)新和改革，可以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)[1] 。

2傳統(tǒng)“ 工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線” 課程教學(xué)的痛點(diǎn)分析

“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程涉及多學(xué)科、多專業(yè)知識(shí)內(nèi)容，理論知識(shí)抽象難理解，且與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密，對(duì)教學(xué)提出了理論與實(shí)際同步培養(yǎng)的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段，“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程在教學(xué)的過程中主要存在以下問題。

2.1傳統(tǒng)教學(xué)方式

“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程沿用了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，以教師講授為主，教學(xué)方法單一、內(nèi)容枯燥、課堂活躍度不高。而該課程又因?yàn)槠涑橄蟮母拍詈蛷?fù)雜的算法，進(jìn)一步降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)成果低于預(yù)期是常態(tài)。同時(shí)，相關(guān)實(shí)踐課程的課時(shí)量少且質(zhì)量不高，很多學(xué)生習(xí)慣于被動(dòng)學(xué)習(xí)，不愿意主動(dòng)思考，更不會(huì)主動(dòng)提出問題或是和老師討論問題，很難培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才。

2.2實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

依照傳統(tǒng)教學(xué)思路建設(shè)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，其設(shè)備以工業(yè)機(jī)器人實(shí)物為主，缺點(diǎn)是種類單一、數(shù)量有限以及無法滿足企業(yè)中各種新型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的操作需求。作為數(shù)字化工業(yè)產(chǎn)品，工業(yè)機(jī)器人的更新迭代非常快、單價(jià)較高，若一味地追求產(chǎn)品更新還會(huì)提高實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本[2] 。

除此之外，為保證教學(xué)安全性，要求學(xué)生的實(shí)操必須全程在教師的監(jiān)督指導(dǎo)下完成以及定期對(duì)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備進(jìn)行檢修，但該方式極大地影響了學(xué)生的實(shí)訓(xùn)進(jìn)度，難以保證每名學(xué)生都能在課程中得到充分的實(shí)操技能訓(xùn)練。

2.3考核模式

傳統(tǒng)的學(xué)科考核形式多以理論考試為主，由上課出勤、平時(shí)作業(yè)、期末考試綜合組成，僅以考試成績(jī)的好壞評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，不能準(zhǔn)確、有效反饋教學(xué)效果。而“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的考核，所以傳統(tǒng)的考核方式難以真正考查到學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的真實(shí)水平[3] 。

3教學(xué)創(chuàng)新改革實(shí)施過程

3.1教學(xué)理念變革

3.1.1堅(jiān)持“以人為本”的教學(xué)理念

關(guān)注學(xué)生的進(jìn)步和發(fā)展，要求教師有“對(duì)象” 意識(shí)，在教學(xué)中確立學(xué)生的主體地位，充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性，提升教學(xué)過程中學(xué)生的參與度。改變老師課堂授課、學(xué)生被動(dòng)吸收的教學(xué)現(xiàn)狀，建立“以人為本”的教學(xué)理念，以素質(zhì)教學(xué)為根本，培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)思維能力和創(chuàng)新意識(shí)。

3.1.2培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐的結(jié)合能力

目前，教育行業(yè)存在“高分低能”現(xiàn)象，“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性、創(chuàng)新性，開設(shè)該課程的目的是加強(qiáng)應(yīng)用與實(shí)踐，所以不能只關(guān)注理論考試。在教學(xué)的過程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際讓學(xué)生“從實(shí)踐中來，到實(shí)踐中去”，在理論教學(xué)中穿插實(shí)踐，在實(shí)踐時(shí)滲透進(jìn)理論，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[4] 。

3.1.3對(duì)課程思政教育教學(xué)改革的探索

由于傳統(tǒng)教學(xué)更側(cè)重專業(yè)技能的訓(xùn)練，因此學(xué)生缺乏良好的職業(yè)道德規(guī)范和精益求精的工作態(tài)度。隨著高校思政教育的開展，應(yīng)該調(diào)整觀念，堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，用好課堂教學(xué)主渠道，與思政理論課形成協(xié)同效應(yīng)，把思政工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人。引導(dǎo)學(xué)生踐行“匠人精神”，樹立中國(guó)“大國(guó)智造”的文化自信和科技自信，從而堅(jiān)定職業(yè)自信心，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人行業(yè)充滿自豪感和認(rèn)同感。

3.2教學(xué)過程變革

3.2.1基于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，建立虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)?！疤摗敝饕蕾囂摂M仿真可視化軟件得以實(shí)現(xiàn)。如圖1 所示，以Robot master 離線編程軟件和宇龍機(jī)電控制仿真軟件機(jī)器人版為基礎(chǔ)，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)操平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多終端、低延時(shí)的數(shù)據(jù)共享，可為多名學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行集中教學(xué)和互動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

“實(shí)”則依靠實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有設(shè)備，通過實(shí)物講解，更好地讓學(xué)生理解虛擬仿真平臺(tái)的工業(yè)機(jī)器人，從而優(yōu)化實(shí)踐課程的教學(xué)效果。

3.2.2基于數(shù)字化平臺(tái)的理論課程教學(xué)改革

課前部分，充分利用在線平臺(tái)督促學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)。教師則制作相關(guān)教學(xué)視頻并將其上傳至數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)生根據(jù)具體需求選擇學(xué)習(xí)對(duì)象，遇見問題時(shí)可以在線上直接跟教師交流、溝通，以提升預(yù)習(xí)效果。同時(shí)，教師也可通過平臺(tái)實(shí)時(shí)查看每一名學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，為課堂教學(xué)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

在進(jìn)行理論知識(shí)講解時(shí)引入PBL 教學(xué)理念，創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，發(fā)放任務(wù)書，闡明具體要求，通過角色扮演，親身體驗(yàn)工作過程，既可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)學(xué)生理解對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)，也可以培養(yǎng)學(xué)生的職場(chǎng)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(shù)字化平臺(tái)下發(fā)課后作業(yè)，學(xué)生把完成的作業(yè)拍成照片做成Word 文檔或拍攝成小視頻按作業(yè)要求按時(shí)提交，教師會(huì)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行批改。為作業(yè)出錯(cuò)較多的學(xué)生提供詳細(xì)解析過程（如附圖、附視頻），并進(jìn)行評(píng)論。學(xué)生可根據(jù)教師提供的解析過程加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和鞏固，并將此作業(yè)成績(jī)記為平時(shí)成績(jī)[5] 。

3.2.3案例化教學(xué)改革

以ABB 機(jī)器人搬運(yùn)、碼垛項(xiàng)目為例，圖2 為ABB機(jī)器人搬運(yùn)項(xiàng)目。啟動(dòng)該項(xiàng)目后，機(jī)器人將抓取吸盤工具，通過吸盤工具吸取碼垛倉A 區(qū)紅色的工件，搬運(yùn)碼垛到碼垛倉B 區(qū)，吸取C 區(qū)的藍(lán)色工件，搬運(yùn)碼垛到碼垛倉D 區(qū)。

構(gòu)建基于工作過程的項(xiàng)目化課程體系，整合教學(xué)內(nèi)容、確定項(xiàng)目、確定任務(wù)，可以將每個(gè)教學(xué)任務(wù)對(duì)應(yīng)具體的知識(shí)點(diǎn)[6] 。gzslib202204021024

課前：教師通過數(shù)字化平臺(tái)提前將相關(guān)課程資源以PPT、視頻、Word 文檔的形式上傳給學(xué)生，學(xué)生可根據(jù)課程資源提前查閱自己不會(huì)的內(nèi)容，通過線上和教師交流的方法解決頑固知識(shí)點(diǎn)，保證課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。

課中：教師講解搬運(yùn)的運(yùn)動(dòng)編輯指令后下發(fā)項(xiàng)目任務(wù)書，學(xué)生進(jìn)行分組討論，以完成項(xiàng)目目標(biāo)。在該過程中，教師可以針對(duì)學(xué)生薄弱的地方進(jìn)行指導(dǎo)，使學(xué)生增加對(duì)工作站的直觀認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生快速地掌握操作步驟、操作技巧，培養(yǎng)實(shí)際操作和編程的能力。

課后：在學(xué)生實(shí)際操作虛擬仿真平臺(tái)后，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)遇到的問題進(jìn)行詳細(xì)記錄并做最后的總結(jié)[7] 。

3.2.4評(píng)價(jià)方式變革

合理的考核機(jī)制既可以為課程的考核提供保障，也能客觀公正地檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，改善課程教學(xué)質(zhì)量和效果。

“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力為導(dǎo)向，整合理論知識(shí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的兩個(gè)部分。

在案例化教學(xué)模式下，對(duì)該課程的考核不再適合單純依賴平時(shí)成績(jī)和考試卷面成績(jī)兩部分，而應(yīng)采用多元化的考核形式，將階段性考核成績(jī)?nèi)谌胱罱K成績(jī)。同時(shí)，增設(shè)附加分機(jī)制，對(duì)突出掌握某環(huán)節(jié)的學(xué)生給予加分獎(jiǎng)勵(lì)，期末可憑借加分總數(shù)兌換獎(jiǎng)勵(lì)。該考核方式不僅可以考查學(xué)生對(duì)“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程理論知識(shí)的掌握情況，更可以將學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人的綜合使用、實(shí)際離線編程能力融入考試范圍，以反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，從而提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合設(shè)計(jì)能力以及通過加分獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8] 。

4解決問題的情況及效果

在“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程創(chuàng)新教學(xué)的實(shí)施過程中，經(jīng)過團(tuán)隊(duì)成員不斷探索、實(shí)踐和完善，取得了一定的成效，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

其一，學(xué)生參與度高、學(xué)習(xí)氛圍濃厚，學(xué)生由知識(shí)的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)為了知識(shí)的探索者。

其二，學(xué)生的知識(shí)、能力和素養(yǎng)得到全方位均衡發(fā)展。數(shù)字化平臺(tái)的建設(shè)將無形的知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用融為一體，虛擬仿真平臺(tái)為學(xué)生提供了實(shí)操練習(xí)場(chǎng)所，“以學(xué)生為中心”的教學(xué)方式和全新的考核方式促使學(xué)生全方位提升。學(xué)生畢業(yè)后就業(yè)前景良好，工作滿意度普遍較高。

其三，成功建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，后期可將其擴(kuò)建成虛擬仿真工業(yè)生產(chǎn)線、智能制造實(shí)驗(yàn)室等，為學(xué)生提供更高級(jí)別的技能訓(xùn)練資源。

其四，將思政教育融入課程設(shè)計(jì)。培育學(xué)生對(duì)“大國(guó)智造”的科技自信和民族自信心，促進(jìn)學(xué)生從“中國(guó)制造”到“中國(guó)智造”的思想理念轉(zhuǎn)變。同時(shí)，在實(shí)踐教學(xué)中培育學(xué)生的“匠人精神”，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的職業(yè)道德觀和價(jià)值觀。

5結(jié)論