基于虛擬仿真技術(shù)的課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)編程實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)現(xiàn)狀及特點(diǎn)，開(kāi)展基于虛擬仿真技術(shù)的線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)。通過(guò)課堂教學(xué)實(shí)施，在一定程度上解決了由于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)價(jià)格昂貴、設(shè)備數(shù)量少，設(shè)備操作有一定的安全隱患等帶來(lái)的弊端，學(xué)生的實(shí)踐能力和操作水平有了明顯的提高，教學(xué)效果顯著。通過(guò)將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、地域文化、品德教育等要素有機(jī)地融入實(shí)踐教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能的同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷，提升對(duì)工匠精神的理解，從而達(dá)到立德樹(shù)人的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；混合式教學(xué)設(shè)計(jì)；工匠精神；立德樹(shù)人

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.20.088

1實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀與問(wèn)題分析

工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)編程實(shí)訓(xùn)是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)核心課程，該課程通過(guò)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)編程設(shè)備的使用，實(shí)現(xiàn)學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、規(guī)劃與仿真方法的目標(biāo)。所選教材為校本教材，該教材圍繞全國(guó)職業(yè)院校技能大賽平臺(tái)，對(duì)接工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，整合了工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)編程（數(shù)字化教材）等教學(xué)資源。隨著參加實(shí)訓(xùn)人數(shù)的增加，現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的問(wèn)題逐漸凸顯，主要體現(xiàn)為以下3個(gè)方面：

授課對(duì)象為工業(yè)機(jī)器人專業(yè)二年級(jí)學(xué)生，通過(guò)前期教學(xué)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問(wèn)題：

（1）學(xué)習(xí)了機(jī)器編程基本指令，但是指令綜合應(yīng)用能力較弱；

（2）由于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)價(jià)格昂貴、設(shè)備數(shù)量少。平均每位同學(xué)使用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備示教編程的概率低，導(dǎo)致示教器使用不熟練，這樣在實(shí)操過(guò)程中易出錯(cuò)，耽誤時(shí)間；

（3）工業(yè)機(jī)器人設(shè)備有一定的安全隱患，部分學(xué)生因操作不熟練可能會(huì)存在畏難心理，不敢創(chuàng)新實(shí)踐。

2虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)機(jī)器人工件搬運(yùn)的虛擬構(gòu)建，學(xué)生能夠通過(guò)軟件模擬工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的搭建過(guò)程，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的示教編程進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。在虛擬環(huán)境下進(jìn)行新建坐標(biāo)、參數(shù)設(shè)定，程序編寫(xiě)，示教編程，在實(shí)際操作前檢查可能存在的干涉因素等情況。通過(guò)仿真實(shí)訓(xùn)，可大大降低實(shí)操環(huán)節(jié)的誤操作及設(shè)備損壞的頻率，既節(jié)約了設(shè)備使用成本，也為學(xué)生更好地學(xué)習(xí)數(shù)控知識(shí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)操環(huán)節(jié)后，學(xué)生仍然可以通過(guò)虛擬軟件進(jìn)行鞏固復(fù)習(xí)，強(qiáng)化實(shí)訓(xùn)成果。

從企業(yè)實(shí)際搬運(yùn)工作過(guò)程出發(fā)，提煉工作任務(wù)。通過(guò)虛擬示教器和機(jī)器人虛擬仿真軟件完成工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)程序演練，隨后通過(guò)真實(shí)設(shè)備平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，以虛促實(shí)，鍛煉學(xué)生對(duì)知識(shí)和技能的綜合運(yùn)用能力。充分運(yùn)用信息化教學(xué)資源和教學(xué)手段，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的多維課堂，包括示教器編程、3D虛擬仿真軟件、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、搬運(yùn)程序調(diào)試方法等教學(xué)內(nèi)容。展開(kāi)了以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的理實(shí)一體、虛實(shí)結(jié)合的特色項(xiàng)目化教學(xué)。傳遞知識(shí)技能的同時(shí)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行職業(yè)素養(yǎng)和價(jià)值觀方向的引領(lǐng)。將愛(ài)國(guó)精神、工匠精神、創(chuàng)新精神等融入本節(jié)教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生民族自豪感以及學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的使命感，樹(shù)立文化自信，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)榮譽(yù)感和學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

以全國(guó)職業(yè)院校技能大賽工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)，融入工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級(jí)考核點(diǎn)。根據(jù)“以賽促教，以賽促改”的教學(xué)理念，開(kāi)展基于線上線下、虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)。教師作為引導(dǎo)者，激勵(lì)者，綜合運(yùn)用多種教學(xué)方法（情景教學(xué)、案例教學(xué)、示范教學(xué)等），實(shí)現(xiàn)“做中教”。打破了傳統(tǒng)教學(xué)中的時(shí)間、空間、資源等的限制，堅(jiān)持線上與線下相結(jié)合。學(xué)生作為學(xué)習(xí)者、探索者，在教師的引導(dǎo)下，通過(guò)自主探究，小組合作等學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”。充分運(yùn)用在線學(xué)習(xí)平臺(tái)、視頻、機(jī)器人虛擬仿真等整合教學(xué)資源，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，打造數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化為一體的理實(shí)、一體教學(xué)環(huán)境。

3以虛促實(shí)的課程思政教學(xué)實(shí)施

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)，由于設(shè)備有限，教師先進(jìn)行示范演示，學(xué)生觀看教師示范，然后分組實(shí)操，教師巡視，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳。為了緩解現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)時(shí)間及設(shè)備不足的狀況，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，在教學(xué)過(guò)程中引入機(jī)器人虛擬仿真軟件，基于虛擬技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。現(xiàn)以“工業(yè)機(jī)器人水平搬運(yùn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)”為例，說(shuō)明虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)與實(shí)施。以企業(yè)真實(shí)任務(wù)工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)為驅(qū)動(dòng)，開(kāi)展線上線下、虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)，并將教學(xué)過(guò)程分解為課前探學(xué)、課中導(dǎo)學(xué)、課后延學(xué)3個(gè)階段。

3.1課前探學(xué)

教師活動(dòng)：課程開(kāi)始前一周，發(fā)布學(xué)習(xí)資料（虛擬示教器使用教程、虛擬仿真軟件視頻）和學(xué)習(xí)任務(wù)（熟悉示教器的使用，通過(guò)虛擬示教器編寫(xiě)簡(jiǎn)單的機(jī)器人搬運(yùn)程序），如圖3和4所示，將作品上傳到學(xué)習(xí)平臺(tái)（超星學(xué)習(xí)通）。根據(jù)課前測(cè)試初步掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生結(jié)合課程資源和學(xué)習(xí)視頻資料，完成布置的任務(wù)，完成課前測(cè)試題。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)虛擬示教器的使用，進(jìn)一步熟悉示教器的各項(xiàng)按鍵操作功能和程序編寫(xiě)，幫助操作人員熟悉現(xiàn)場(chǎng)示教器的使用方法、安全簡(jiǎn)便。通過(guò)與機(jī)器人仿真系統(tǒng)互聯(lián)，初步完成機(jī)器人虛擬工件搬運(yùn)，確保學(xué)生初步掌握程序的編寫(xiě)思路。既為課堂教學(xué)做充分的準(zhǔn)備，還突出了學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)自主探究的科學(xué)精神。

3.2課中導(dǎo)學(xué)

環(huán)節(jié)一：視頻導(dǎo)學(xué)（5分鐘）

教師活動(dòng)：播放視頻——埃夫特里的工業(yè)機(jī)器人。帶學(xué)生走近“智造專家，埃夫特打破國(guó)外機(jī)器人的壟斷、制造出中國(guó)人自己的機(jī)器人”。提問(wèn)：視頻中工業(yè)機(jī)器人都有哪些應(yīng)用？

學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真觀看視頻，思考老師提問(wèn)，積極互動(dòng)。根據(jù)已學(xué)知識(shí)，溫故工業(yè)機(jī)器人的典型應(yīng)用領(lǐng)域。為隨后內(nèi)容工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)教學(xué)內(nèi)容作鋪墊。

設(shè)計(jì)意圖：引出本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，明確其重要性。愛(ài)國(guó)，學(xué)技能報(bào)國(guó)。強(qiáng)烈激發(fā)學(xué)生民族自豪感以及學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的使命感，喚起學(xué)生的家國(guó)情懷和民族情懷，樹(shù)立文化自信，更深刻認(rèn)識(shí)到只有自身能力的提升才能為國(guó)家的發(fā)展和強(qiáng)盛作出貢獻(xiàn)。

環(huán)節(jié)二：作品展示（15分鐘）

教師活動(dòng)：點(diǎn)評(píng)課前學(xué)生作品，解決學(xué)生的問(wèn)題。同時(shí)，提出實(shí)際示教器與虛擬示教器的不同點(diǎn)，實(shí)際使用中需要注意的問(wèn)題？歸納虛擬仿真軟件中搬運(yùn)工件編程的步驟：

（1）搭建虛擬仿真平臺(tái)

（2）建立虛擬仿真平臺(tái)與虛擬示教器通信

（3）虛擬示教器中編寫(xiě)搬運(yùn)程序

學(xué)生活動(dòng)：作品匯報(bào)演示，積極討論，回答教師問(wèn)題。認(rèn)真聽(tīng)課，查缺補(bǔ)漏。

設(shè)計(jì)意圖：針對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)中遇到的共性和易錯(cuò)問(wèn)題進(jìn)行講解，學(xué)生在這種輕松匯報(bào)作品的同時(shí)又學(xué)習(xí)了知識(shí)點(diǎn)，寓教于樂(lè)。培養(yǎng)學(xué)生樂(lè)于思考，善于總結(jié)的能力。

環(huán)節(jié)三：虛擬仿真（25分鐘）

教師活動(dòng)：（1）介紹本次教學(xué)內(nèi)容，將G7和G9工位的工件A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H搬運(yùn)到對(duì)應(yīng)的G8工位中，完成裝配流水線上不同工件類型的搬運(yùn)。

（2）指導(dǎo)學(xué)生分組，抽取所需搬運(yùn)的工件類型。

（3）教師巡導(dǎo)，及時(shí)解決學(xué)生問(wèn)題。

學(xué)生活動(dòng)：明確任務(wù)，抽取所需搬運(yùn)的工件類型。思考設(shè)計(jì)程序編寫(xiě)流程，按任務(wù)書(shū)要求在虛擬仿真軟件中完成任務(wù)程序的編寫(xiě)、調(diào)試、運(yùn)行，模擬演示搬運(yùn)過(guò)程。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生結(jié)合具體任務(wù)，通過(guò)虛擬示教器和機(jī)器人3D虛擬仿真軟件模擬實(shí)際工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)序編寫(xiě)，很好地完成了技能訓(xùn)練。實(shí)現(xiàn)知識(shí)在實(shí)際中的遷移應(yīng)用。同時(shí)降低了后續(xù)實(shí)操的出錯(cuò)率，提高了安全性。既為后面實(shí)踐操作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，還突出了學(xué)生主體地位，使學(xué)生在愉悅的學(xué)習(xí)中輕松地解決教學(xué)過(guò)程中的重點(diǎn)問(wèn)題，提升了學(xué)生技能水平的同時(shí)，也提高了他們的自信心。

環(huán)節(jié)四：實(shí)踐操作（35分鐘）

教師活動(dòng)：（1）實(shí)際操作設(shè)備前對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全教育

（2）演示如何由虛擬程序?qū)雽?shí)際示教器：

①虛擬示教器中導(dǎo)出程序，修改IO編程語(yǔ)法程序。

②下載到實(shí)際示教器中。

③現(xiàn)實(shí)示教器讀取程序，手動(dòng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位準(zhǔn)確，進(jìn)行點(diǎn)位調(diào)整。

（3）教師巡查，并作必要的指導(dǎo)。完成各項(xiàng)任務(wù)測(cè)評(píng)，記錄學(xué)生操作過(guò)程中的問(wèn)題。

學(xué)生活動(dòng)：（1）學(xué)生以3人為一小組操作，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，擺放工件。

（2）小組合作根據(jù)任務(wù)書(shū)，進(jìn)行搬運(yùn)運(yùn)行軌跡示教編程，并將視頻上傳至學(xué)習(xí)通平臺(tái)。

（3）提出加工中遇到的問(wèn)題，通過(guò)教師指導(dǎo)解決加工問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生以小組為單位進(jìn)行合作學(xué)習(xí)，實(shí)踐教學(xué)中學(xué)生技能得到強(qiáng)化和補(bǔ)充。培養(yǎng)學(xué)生工作過(guò)程中的團(tuán)隊(duì)合作精神和安全意識(shí)。有效提升學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神。實(shí)際操作中需要微調(diào)示教點(diǎn)位，否則會(huì)出現(xiàn)搬運(yùn)工件位置不準(zhǔn)確，這就要求同學(xué)們要有足夠的耐心、細(xì)心和一絲不茍、精益求精的工匠精神。

虛實(shí)對(duì)比加深對(duì)工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)應(yīng)用的理解，以虛促實(shí)，有效解決了教學(xué)重點(diǎn)，突破了教學(xué)難點(diǎn)。如圖5所示

環(huán)節(jié)五：總結(jié)評(píng)價(jià)（10分鐘）

教師活動(dòng)：對(duì)學(xué)生實(shí)操進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。評(píng)出實(shí)踐部分“優(yōu)秀小組”和“優(yōu)秀個(gè)人”，讓學(xué)生獲得滿足感。并將其推薦進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人技能競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)。

學(xué)生活動(dòng)：展示作品、互評(píng)作品。登錄平臺(tái)，查看自己得分。傾聽(tīng)老師歸納總結(jié)本節(jié)課知識(shí)點(diǎn)，做好筆記。

設(shè)計(jì)意圖：成果分享，增強(qiáng)獲得感。通過(guò)教師點(diǎn)評(píng)和學(xué)生自評(píng)，強(qiáng)化學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)。

3.3課后延學(xué)

教師活動(dòng)：教師展示一段機(jī)器人虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的搬運(yùn)工件視頻？讓同學(xué)們思考如何去實(shí)現(xiàn)？引入數(shù)字孿生的概念。

學(xué)生活動(dòng)：鞏固本次課的教學(xué)內(nèi)容，思考問(wèn)題，登錄平臺(tái)，評(píng)價(jià)教師教學(xué)效果，完成拓展學(xué)習(xí)。

設(shè)計(jì)意圖：拓寬學(xué)生的知識(shí)面，強(qiáng)化學(xué)習(xí)內(nèi)容。引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)勇于探索的創(chuàng)新精神，使知識(shí)點(diǎn)內(nèi)化。鼓勵(lì)學(xué)生參與社會(huì)活動(dòng)，將知識(shí)進(jìn)行推廣，課堂得以延伸。

本次課采用平臺(tái)評(píng)價(jià)、學(xué)生自評(píng)、教師評(píng)價(jià)的過(guò)程考核，圍繞課前自學(xué)、課中教學(xué)、課后拓展3個(gè)階段中生成的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。體現(xiàn)評(píng)價(jià)主體多元化，內(nèi)容多維化，使評(píng)價(jià)結(jié)果更客觀，讓學(xué)生注重學(xué)習(xí)過(guò)程的每一步，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

4特色與創(chuàng)新

（1）量身制定出“課前虛擬打基礎(chǔ)，課中以虛促實(shí)練技能”兩虛一實(shí)的教學(xué)環(huán)節(jié)。課前通過(guò)機(jī)器人虛擬仿真軟件，多次練習(xí)示教器的使用、學(xué)習(xí)搬運(yùn)指令的綜合應(yīng)用。解決了設(shè)備平臺(tái)少，操作危險(xiǎn)性的問(wèn)題。課中根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)完成虛擬仿真軟件中程序的演練，最后真實(shí)設(shè)備平臺(tái)驗(yàn)證，783659bc9f026ffe085e386ec77d4630層層遞進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣，保證了教學(xué)質(zhì)量。有效突破了教學(xué)重難點(diǎn)，提高了教學(xué)效果。

（2）整個(gè)教學(xué)內(nèi)容依托全國(guó)職業(yè)院校技能大賽“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用”賽項(xiàng)設(shè)備平臺(tái)，以工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)為例，融入工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程“1+X”技能考核點(diǎn)。強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容的職業(yè)技能性要求，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生職業(yè)技能的培養(yǎng)。將愛(ài)國(guó)精神、工匠精神、創(chuàng)新精神等思政主題巧妙貫穿教學(xué)全過(guò)程，形成全方位立體的思政教學(xué)體系，逐層遞進(jìn)式地實(shí)現(xiàn)德育目標(biāo)。

5效果

（1）本次課主要借助學(xué)習(xí)平臺(tái)、虛擬仿真軟件及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用設(shè)備平臺(tái)等多種形式實(shí)施教學(xué)，使得每位學(xué)生都能隨時(shí)進(jìn)行無(wú)實(shí)物編程。進(jìn)一步鞏固示教編程方法，隨后進(jìn)入實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生的出錯(cuò)率大大降低。實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)到能力的轉(zhuǎn)化，從實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)和結(jié)果考核來(lái)看，教學(xué)質(zhì)量大幅度提高。教學(xué)效果得到提升。

（6）多種信息化手段應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生參與度大大提高。多元化的評(píng)價(jià)體系和有效的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，讓學(xué)生多方位提高自己的排名，增強(qiáng)了學(xué)生的自信心。另外，思政元素的有機(jī)滲透，使得學(xué)生獲得職業(yè)技能的同時(shí)，也提升了職業(yè)素養(yǎng)。

6結(jié)語(yǔ)

本文引入虛擬仿真技術(shù)解決主傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程的問(wèn)題，實(shí)踐證明，虛擬仿真可以很好地解決，激發(fā)教師和學(xué)生持續(xù)教與學(xué)的熱情，提高了學(xué)習(xí)效果。為了全面落實(shí)校企融合教育理念，后續(xù)邀請(qǐng)企業(yè)導(dǎo)師參與評(píng)價(jià)，進(jìn)一步完善考核評(píng)價(jià)體系。機(jī)器人虛擬仿真軟件強(qiáng)大的功能讓大部分同學(xué)產(chǎn)生極大的興趣，隨著新技術(shù)、新工藝的不斷更新，后續(xù)還要繼續(xù)更新課程資源和企業(yè)案例。保證資源的實(shí)用性和時(shí)效性。

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