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)方法無法充分實現(xiàn)既定的培養(yǎng)目標(biāo)。對“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、實驗室建設(shè)以及考核方式三個方面對該課程進(jìn)行創(chuàng)新和改革，可以實現(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)知識內(nèi)容，理論知識抽象難理解，且與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密，對教學(xué)提出了理論與實際同步培養(yǎng)的挑戰(zhàn)。現(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。而該課程又因為其抽象的概念和復(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，相關(guān)實踐課程的課時量少且質(zhì)量不高，很多學(xué)生習(xí)慣于被動學(xué)習(xí)，不愿意主動思考，更不會主動提出問題或是和老師討論問題，很難培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才。

2.2實驗室建設(shè)

依照傳統(tǒng)教學(xué)思路建設(shè)的工業(yè)機(jī)器人實驗室，其設(shè)備以工業(yè)機(jī)器人實物為主，缺點是種類單一、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?？?、單價較高，若一味地追求產(chǎn)品更新還會提高實驗室的建設(shè)成本[2] 。

除此之外，為保證教學(xué)安全性，要求學(xué)生的實操必須全程在教師的監(jiān)督指導(dǎo)下完成以及定期對實驗室的設(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、平時作業(yè)、期末考試綜合組成，僅以考試成績的好壞評價學(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”課程注重對學(xué)生實踐能力的考核，所以傳統(tǒng)的考核方式難以真正考查到學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的真實水平[3] 。

3教學(xué)創(chuàng)新改革實施過程

3.1教學(xué)理念變革

3.1.1堅持“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“對象” 意識，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)生的主動思維能力和創(chuàng)新意識。

3.1.2培養(yǎng)學(xué)生理論與實踐的結(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)的實踐性、創(chuàng)新性，開設(shè)該課程的目的是加強(qiáng)應(yīng)用與實踐，所以不能只關(guān)注理論考試。在教學(xué)的過程中，應(yīng)結(jié)合實際讓學(xué)生“從實踐中來，到實踐中去”，在理論教學(xué)中穿插實踐，在實踐時滲透進(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“大國智造”的文化自信和科技自信，從而堅定職業(yè)自信心，進(jìn)而對機(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基于虛擬仿真的實驗課程教學(xué)改革

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，建立虛實結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)平臺?！疤摗敝饕蕾囂摂M仿真可視化軟件得以實現(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)建虛擬仿真實操平臺，實現(xiàn)多終端、低延時的數(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)和互動實驗。

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

3.2.2基于數(shù)字化平臺的理論課程教學(xué)改革

課前部分，充分利用在線平臺督促學(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，學(xué)生根據(jù)具體需求選擇學(xué)習(xí)對象，遇見問題時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，教師也可通過平臺實時查看每一名學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，為課堂教學(xué)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

在進(jìn)行理論知識講解時引入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)生理解對應(yīng)的理論知識，也可以培養(yǎng)學(xué)生的職場技能，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)要求按時提交，教師會及時對其進(jìn)行批改。為作業(yè)出錯較多的學(xué)生提供詳細(xì)解析過程（如附圖、附視頻），并進(jìn)行評論。學(xué)生可根據(jù)教師提供的解析過程加深對知識點的理解和鞏固，并將此作業(yè)成績記為平時成績[5] 。

3.2.3案例化教學(xué)改革

以ABB 機(jī)器人搬運、碼垛項目為例，圖2 為ABB機(jī)器人搬運項目。啟動該項目后，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，搬運碼垛到碼垛倉B 區(qū)，吸取C 區(qū)的藍(lán)色工件，搬運碼垛到碼垛倉D 區(qū)。

構(gòu)建基于工作過程的項目化課程體系，整合教學(xué)內(nèi)容、確定項目、確定任務(wù)，可以將每個教學(xué)任務(wù)對應(yīng)具體的知識點[6] 。

課前：教師通過數(shù)字化平臺提前將相關(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的內(nèi)容，通過線上和教師交流的方法解決頑固知識點，保證課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。

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

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

3.2.4評價方式變革

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學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，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，整合理論知識和實踐環(huán)節(jié)的兩個部分。

在案例化教學(xué)模式下，對該課程的考核不再適合單純依賴平時成績和考試卷面成績兩部分，而應(yīng)采用多元化的考核形式，將階段性考核成績?nèi)谌胱罱K成績。同時，增設(shè)附加分機(jī)制，對突出掌握某環(huán)節(jié)的學(xué)生給予加分獎勵，期末可憑借加分總數(shù)兌換獎勵。該考核方式不僅可以考查學(xué)生對“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程理論知識的掌握情況，更可以將學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人的綜合使用、實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)生的實踐能力和綜合設(shè)計能力以及通過加分獎勵機(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)的實施過程中，經(jīng)過團(tuán)隊成員不斷探索、實踐和完善，取得了一定的成效，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

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

其二，學(xué)生的知識、能力和素養(yǎng)得到全方位均衡發(fā)展。數(shù)字化平臺的建設(shè)將無形的知識與實際應(yīng)用融為一體，虛擬仿真平臺為學(xué)生提供了實操練習(xí)場所，“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)虛擬仿真實驗室，后期可將其擴(kuò)建成虛擬仿真工業(yè)生產(chǎn)線、智能制造實驗室等，為學(xué)生提供更高級別的技能訓(xùn)練資源。

其四，將思政教育融入課程設(shè)計。培育學(xué)生對“大國智造”的科技自信和民族自信心，促進(jìn)學(xué)生從“中國制造”到“中國智造”的思想理念轉(zhuǎn)變。同時，在實踐教學(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)道德觀和價值觀。

5結(jié)論

通過探索基于虛擬仿真技術(shù)和數(shù)字化平臺的“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程教學(xué)新模式，我們設(shè)計了融合虛擬仿真技術(shù)的“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程教學(xué)內(nèi)容，提出了“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程的理論知識和實驗教學(xué)研究方法[9] 。虛擬仿真技術(shù)、數(shù)字化平臺與“工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線”課程的深度融合有利于培養(yǎng)學(xué)生的“多元化” 能力，滿足創(chuàng)新學(xué)習(xí)的需求，實現(xiàn)學(xué)生與所學(xué)知識之間的交互，完成“以教師為中心”到“以學(xué)生為中心”的個性化教學(xué)轉(zhuǎn)變，最終低成本、高效率地提高了學(xué)生面向?qū)嶋H工程問題的分析能力和利用工業(yè)機(jī)器人實現(xiàn)產(chǎn)品制造的工程實踐能力。