基于可視化評(píng)價(jià)系統(tǒng)的桌面式機(jī)器人課程的實(shí)踐研究

盧慧

摘要：在1+X工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維實(shí)施過(guò)程中，存在人均操作時(shí)間不足、安全管理難、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)模糊、效率低、過(guò)程性缺失，反哺教學(xué)能力弱等方面的問(wèn)題，本項(xiàng)目引入桌面式機(jī)器人，結(jié)合校企聯(lián)合開(kāi)發(fā)的可視化評(píng)價(jià)系統(tǒng)，從改善教學(xué)環(huán)境著手，利用人工智能技術(shù)提高教學(xué)效率，以數(shù)據(jù)作為教學(xué)的反哺，大大提高了技能教學(xué)的質(zhì)量和效果。

關(guān)鍵詞：可視化;桌面式機(jī)器人

一、研究緣起

（一）研究背景

國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》提出，從2019年開(kāi)始，將啟動(dòng)實(shí)施“1+X”（學(xué)歷證書(shū)+職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)）制度改革行動(dòng)。作為1+X工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維首批試點(diǎn)學(xué)校，旨在培養(yǎng)適應(yīng)浙江企業(yè)工業(yè)機(jī)器人編程和維修需要。要求學(xué)生了解工業(yè)機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)和基本知識(shí)，能在實(shí)際應(yīng)用中掌握簡(jiǎn)單的操作編程技能。

（二）現(xiàn)狀問(wèn)題

工業(yè)機(jī)器人在入門(mén)教學(xué)過(guò)程中會(huì)碰到價(jià)格昂貴、占地面積大、安全管理難、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)模糊、效率低、過(guò)程性缺失，反哺教學(xué)能力弱等方面的問(wèn)題，對(duì)于中職學(xué)生的課堂教學(xué)實(shí)施有極大的難度。受場(chǎng)地設(shè)備限制，學(xué)生沒(méi)有較多時(shí)間操控機(jī)械臂，編程思維缺乏鍛煉，自主學(xué)習(xí)能力又比較差，缺乏一定的綜合分析能力和技能遷移意識(shí)。同時(shí)目前的技能教學(xué)評(píng)價(jià)存在標(biāo)準(zhǔn)模糊、效率低、過(guò)程性缺失;手段落后，主觀(guān)性強(qiáng)，可信度低;可視化程度差，反哺教學(xué)能力弱等問(wèn)題。

二、研究設(shè)計(jì)

為解決教學(xué)現(xiàn)狀碰到的問(wèn)題，選定基于可視化評(píng)價(jià)系統(tǒng)的桌面式機(jī)器人課程作為工業(yè)機(jī)器人前置課程，通過(guò)桌面型服務(wù)機(jī)器人作為入門(mén)設(shè)配，以國(guó)家工業(yè)機(jī)器人操作與運(yùn)維課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)編制桌面型服務(wù)機(jī)器人課程標(biāo)準(zhǔn)，為學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。

通過(guò)選用小型的桌面式機(jī)器人作為入門(mén)設(shè)配：保證人手一臺(tái)，讓學(xué)生有足夠的實(shí)操機(jī)會(huì);安全可靠，運(yùn)動(dòng)范圍小，有保護(hù)機(jī)構(gòu)，不易傷人;功能全面，具備工業(yè)機(jī)器人的全部功能，還增加網(wǎng)絡(luò)通信、互聯(lián)控制等功能。

利用可視化評(píng)價(jià)系統(tǒng)的人工智能技術(shù)提高評(píng)價(jià)效率，以評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)作為教學(xué)的反哺，從而提高技能教學(xué)的質(zhì)量，形成了可視化的技能教學(xué)評(píng)價(jià)體系，通過(guò)對(duì)可視化技能教學(xué)評(píng)價(jià)體系的運(yùn)用，大大提高了技能教學(xué)評(píng)價(jià)的精度、信度與效度。

三、研究實(shí)施

（一）課程目標(biāo)

1.掌握機(jī)器人基本原理與知識(shí)

2.了解并掌握?qǐng)D形化編程操作

3.熟練掌握自動(dòng)化編程能力

4.掌握智能生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

5.能夠獨(dú)立完成智能物流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

（二）學(xué)情分析

本課程授課班級(jí)為高二年級(jí)第一學(xué)期電子應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生。學(xué)生有基本的計(jì)算機(jī)操作能力，經(jīng)過(guò)高一的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)，對(duì)機(jī)器人控制有基本的認(rèn)知，動(dòng)手能力較強(qiáng)，具備一定的編程能力，對(duì)于該課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的興趣很高，但卻沒(méi)有嘗試操控過(guò)真正的機(jī)械臂，編程思維有待訓(xùn)練，自主學(xué)習(xí)能力較差，缺乏一定的綜合分析能力和技能遷移的意識(shí)。

（三）內(nèi)容策略

教學(xué)策略：情境式教學(xué)、合作式教學(xué)、探究式學(xué)習(xí)。

教法：任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、情境教學(xué)法。

學(xué)法：探究學(xué)習(xí)法、合作學(xué)習(xí)法。

（四）資源環(huán)境

桌面型機(jī)器人（圖1）：體積精巧，一體化的設(shè)計(jì)，人手一機(jī)，讓每個(gè)人通過(guò)實(shí)操練習(xí)獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn);可使用PC端控制、APP控制、Python編程、手勢(shì)控制、無(wú)線(xiàn)控制等多種操作方式;可靈活搭配滑軌、傳送帶、智能小車(chē)、視覺(jué)等配件，根據(jù)不同需求完成不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完善的課程體系，為大數(shù)據(jù)應(yīng)用、智能工廠(chǎng)、工業(yè)4.0等機(jī)器人教育的發(fā)展建設(shè)提供廣闊平臺(tái);相比于一般工業(yè)機(jī)械臂，具有更高的性?xún)r(jià)比，也更具有安全性，更加適合于教學(xué)使用，而且操作界面更適合剛剛接觸機(jī)械臂的學(xué)習(xí)者與中職學(xué)校的常態(tài)化教學(xué)。

可視化評(píng)價(jià)系統(tǒng)：教師通過(guò)記錄和分析學(xué)生特征、學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)表現(xiàn)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)和方法，增強(qiáng)師生間有效互動(dòng)，提高課堂教學(xué)效率。有利于推進(jìn)基于智能技術(shù)的混合式學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、項(xiàng)目學(xué)習(xí)、分層教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的自主性和探究性;指導(dǎo)學(xué)生選擇契合的學(xué)習(xí)方式、優(yōu)化學(xué)習(xí)過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能?？梢暬u(píng)價(jià)體系主要功能是在數(shù)字化教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，基于AI人工智能技術(shù)，其中還包括圖片識(shí)別技術(shù)、軟件操作比對(duì)技術(shù)、常規(guī)客觀(guān)題自動(dòng)評(píng)價(jià)，同時(shí)通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了學(xué)生操作過(guò)程的記錄及計(jì)時(shí)，使得學(xué)生操作時(shí)間介入到評(píng)價(jià)維度中，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)效率與學(xué)生能力的體現(xiàn)。

（五）教學(xué)實(shí)施

堅(jiān)持以學(xué)生為中心，以實(shí)踐為導(dǎo)向的職業(yè)教育思想，采用理實(shí)一體的教學(xué)方法，利用“可視化”評(píng)價(jià)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)糾錯(cuò)和自動(dòng)評(píng)價(jià)、教學(xué)微視頻、課件和任務(wù)書(shū)等教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)做中學(xué)，做中教的教學(xué)模式，努力打造“三有”課堂。

1.“有趣”——通過(guò)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的創(chuàng)設(shè)，增加課堂的趣味性。

2.“有用”——設(shè)計(jì)的課題將機(jī)械臂的控制與生活實(shí)際相結(jié)合。

3.“有效”——利用“可視化”平臺(tái)的實(shí)時(shí)糾錯(cuò)反饋和自動(dòng)評(píng)價(jià)功能，提高課堂效率。

課程實(shí)施分為6個(gè)部分，以“創(chuàng)-提-析-比-評(píng)-拓”的主線(xiàn)進(jìn)行教學(xué)。

創(chuàng)設(shè)情境（教學(xué)導(dǎo)入）：導(dǎo)入的視頻內(nèi)容是與生活實(shí)際相結(jié)合的，將實(shí)際問(wèn)題引入課堂，既能啟發(fā)學(xué)生思考，又能順利引出項(xiàng)目，作為導(dǎo)入，還可以起到較好的“暖場(chǎng)”作用。

提出任務(wù)（任務(wù)驅(qū)動(dòng)）：聯(lián)系生活實(shí)際給學(xué)生布置任務(wù)，能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為上好本課做好準(zhǔn)備。

分析任務(wù)（實(shí)踐鋪墊）：通過(guò)教師的分析講解，能幫助學(xué)生將新學(xué)知識(shí)和已學(xué)知識(shí)有效結(jié)合，理清思路，有利于提高完成任務(wù)的效率。

各組PK（完成任務(wù)）：設(shè)置的任務(wù)要有利于分層教學(xué)，通常是設(shè)置基礎(chǔ)任務(wù)和提升任務(wù)。限時(shí)、PK的形式可有效集中學(xué)生的注意力，并提高完成任務(wù)的效率。同時(shí)，以3人一組的形式完成任務(wù)，能很好地鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

你言我語(yǔ)（評(píng)價(jià)小結(jié)）：本環(huán)節(jié)以學(xué)生講為主，這樣不但能鍛煉學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力，也能更好地讓學(xué)生互動(dòng)互學(xué)。教師的點(diǎn)評(píng)小結(jié)，能再一次幫助學(xué)生回顧本次課的所學(xué)、所做，加深印象。

開(kāi)拓創(chuàng)新（課堂延伸）：觀(guān)看視頻，新課預(yù)告，可引發(fā)學(xué)生的思考，讓他們對(duì)下一次課有所期待，為下次課的順利展開(kāi)做了良好鋪墊。

重難點(diǎn)突破：本課程從機(jī)器人控制的基本操作入手，將每一個(gè)小知識(shí)點(diǎn)以項(xiàng)目的形式呈現(xiàn)，并通過(guò)理實(shí)一體的方式授課，打好扎實(shí)的基礎(chǔ)，最終以?xún)蓚€(gè)綜合項(xiàng)目來(lái)提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的原則是盡可能理論聯(lián)系實(shí)際，與生活實(shí)際相聯(lián)系。比如綜合項(xiàng)目一的物料自動(dòng)分揀就是模擬打包員的日常工作，通過(guò)機(jī)械臂的使用來(lái)替代打包員的工作，進(jìn)行打包、貼單、搬貨、碼貨;綜合項(xiàng)目二的工藝品制作，模擬生產(chǎn)流水線(xiàn)的加工制造過(guò)程，設(shè)計(jì)利用之前所學(xué)3D打印、寫(xiě)字畫(huà)畫(huà)和激光雕刻等知識(shí)控制機(jī)械臂完成扇子吊墜的3D打印、扇面文字的書(shū)寫(xiě)和logo雕刻等設(shè)計(jì)。

（六）實(shí)施成效

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的亮點(diǎn)：可視化教學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。

學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)提升：本課程堅(jiān)持立德樹(shù)人的根本要求，結(jié)合中職學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，遵循職業(yè)教育人才培養(yǎng)規(guī)律，落實(shí)課程思政要求，例如使用的是國(guó)產(chǎn)教學(xué)機(jī)器人、3D打印國(guó)旗、文字書(shū)寫(xiě)“眾志成城、克服困難”，有機(jī)融入思想政治教育內(nèi)容，緊密聯(lián)系生活實(shí)際，突出應(yīng)用性和實(shí)踐性，注重學(xué)生職業(yè)能力和可持續(xù)發(fā)展能力的培養(yǎng)，結(jié)合更高層次人才培養(yǎng)需要，在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)中強(qiáng)調(diào)敬業(yè)、精益、專(zhuān)注、創(chuàng)新的工匠精神。教師通過(guò)可視化評(píng)價(jià)系統(tǒng)呈現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，分屏對(duì)比不規(guī)范操作點(diǎn)評(píng)，進(jìn)一步規(guī)范職業(yè)行為。課后拓展創(chuàng)新任務(wù)，在鞏固學(xué)生的職業(yè)技能的同時(shí)，加深了職業(yè)行為習(xí)慣的養(yǎng)成，加速學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成。

經(jīng)過(guò)課程實(shí)踐，各種數(shù)據(jù)指標(biāo)表明，課程效果較為優(yōu)秀。36人于2020年11月參加了1+X工業(yè)機(jī)器人操作運(yùn)維技能考核，除1人獲得80分以外，其余35人均取得90分以上的技能操作高分。

四、診斷反思

（一）特色提煉

通過(guò)多功能高精度輕量型智能實(shí)驗(yàn)機(jī)械臂，輕松學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)搬運(yùn)碼放、3D打印、激光雕刻、寫(xiě)字畫(huà)畫(huà)等多種功能，模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、激發(fā)學(xué)生興趣、保證人人操作，追求精益求精。通過(guò)拓展接口支持二次開(kāi)發(fā)更多的應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)人人創(chuàng)新。

可視化系統(tǒng)主要是包含了操作示范的可視化、操作過(guò)程的可視化、技能評(píng)價(jià)的可視化三個(gè)方面，其中操作過(guò)程的可視化主要內(nèi)容是標(biāo)準(zhǔn)化示范、重難點(diǎn)示范、易錯(cuò)點(diǎn)示范三個(gè)方面，是非常重要的教學(xué)資源，是學(xué)生自主學(xué)習(xí)參考的教學(xué)資源路徑，對(duì)學(xué)生的技能操作起到一個(gè)引導(dǎo)的作用;操作過(guò)程的可視化是利用平臺(tái)的視頻查看記錄存儲(chǔ)功能，將學(xué)生操作過(guò)程可視化，為可視化評(píng)價(jià)提供視頻、圖片、測(cè)試測(cè)量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，從時(shí)間、空間、操作、成績(jī)等維度為學(xué)生建立一張立體感、多元化的評(píng)價(jià)。對(duì)學(xué)生課堂表現(xiàn)、學(xué)習(xí)效果進(jìn)行橫、縱向?qū)Ρ龋⒁惑w化的數(shù)字化展示窗口，通過(guò)可視化的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)所示，可以幫助教師制定精準(zhǔn)的教學(xué)策略，同時(shí)也能激勵(lì)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)積極性，從而提高課堂效率，反哺技能教學(xué)。

（二）教學(xué)診斷與改進(jìn)

1.課程倡導(dǎo)“交流”“合作”“探究”的教育方式，形成了良好的師生、生生互動(dòng)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境。

2.立足課堂，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生良好的職業(yè)素養(yǎng)和工匠意識(shí)。

3.通過(guò)可視化評(píng)價(jià)，讓評(píng)價(jià)更簡(jiǎn)單、直觀(guān)、有效，形成教學(xué)閉環(huán)，及時(shí)查漏補(bǔ)缺，保證教學(xué)效果。

4.與企業(yè)合作對(duì)接緊密度有待提升，本地產(chǎn)業(yè)合作不夠，缺乏真實(shí)的項(xiàng)目實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]宣琪，陳亞萍.技能操作學(xué)習(xí)可視化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與運(yùn)用[J].職業(yè)教育（下旬刊），2020（11）.