虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：從工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度出發(fā)，查找分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)立足于新工科建設(shè)課程的不足，利用虛擬仿真技術(shù)改進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。首先介紹虛擬仿真建設(shè)的必要性，然后結(jié)合目前應(yīng)用于本科教學(xué)的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，系統(tǒng)闡述虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)現(xiàn)的主要功能，為新工科建設(shè)中自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有力支撐，最后總結(jié)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果與結(jié)論。

關(guān)鍵詞：新工科；工業(yè)自動(dòng)化；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬仿真

中圖分類號：TP278" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）19-0109-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

為積極應(yīng)對新一輪產(chǎn)業(yè)革新和科技革命，國家迅速行動(dòng)，先后部署實(shí)施了一系列重大戰(zhàn)略舉措?！耙粠б宦贰敝铝τ诖龠M(jìn)國際合作與發(fā)展，“中國制造2025”聚焦制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，“互聯(lián)網(wǎng)+”推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與各行業(yè)深度融合。新技術(shù)與新產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，我國急需大批新興工程科技人才。自2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)[1]。

新工科建設(shè)緊密貼合時(shí)代發(fā)展脈搏，聚焦于新興產(chǎn)業(yè)與前沿技術(shù)領(lǐng)域，探索適應(yīng)新時(shí)代要求的工程技術(shù)人才培養(yǎng)新路徑、新方法，是提供智力和人才支持的重大措施。新工科建設(shè)將促進(jìn)高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，以適應(yīng)未來工程科技需求。目前，各大高校正全力推進(jìn)高等教育改革與創(chuàng)新，包括課程體系、新形態(tài)教材與教學(xué)內(nèi)容[2-5]、在線開放課程、工程教育師資隊(duì)伍與實(shí)踐基地等方面[6-8]。

文中從工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)入手，深入查找并細(xì)致分析目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)在融入新工科建設(shè)課程體系時(shí)所暴露出的短板與不足，有效借鑒虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)[9-12]，采用信息化虛擬仿真技術(shù)[13]進(jìn)行工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)，探索新工科建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方法[14]。

1 新工科虛擬仿真建設(shè)的必要性

依托河南工學(xué)院的實(shí)踐課程電工實(shí)習(xí)和智能制造綜合實(shí)踐課程走進(jìn)智慧工場，面向全校本科專業(yè)，我校積極引進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品生產(chǎn)包裝智能產(chǎn)線并投入教學(xué)。這條工業(yè)自動(dòng)化智能產(chǎn)線目前應(yīng)用于本科教學(xué)，完全還原了工件（手機(jī)模型） 的分揀和包裝過程，為學(xué)生提供了真實(shí)的工業(yè)自動(dòng)化智能制造場景，但目前也存在以下問題。

實(shí)驗(yàn)空間有限，同時(shí)學(xué)生人數(shù)眾多，導(dǎo)致無法覆蓋所有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)成本高，每次開關(guān)機(jī)會對機(jī)器造成一定程度的磨損；實(shí)驗(yàn)操作技能門檻高，操作不當(dāng)極易對設(shè)備造成損壞；現(xiàn)有的單套工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)線已無法滿足4 000余人次/年的實(shí)驗(yàn)需求。

為解決上述問題，依托計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和對象，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充、相互結(jié)合，從而優(yōu)化和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程結(jié)構(gòu)和課程體系，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新思維。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過程

工業(yè)自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)遵循“虛實(shí)結(jié)合”和“相互補(bǔ)充”的原則，以工件的分揀和包裝兩道工序?yàn)橹饕獌?nèi)容進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，著力打造開放式、網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。秉持以學(xué)生為中心的理念，注重知識點(diǎn)與實(shí)踐能力的融合，全力激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺提供了與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相近的三維實(shí)景環(huán)境。根據(jù)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備，三維建模模型包括：六軸分揀機(jī)器人、四軸包裝機(jī)器人、視覺檢測系統(tǒng)、光電傳感系統(tǒng)、輸送流水線、空氣壓縮機(jī)和電氣控制系統(tǒng)等。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺針對實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中、實(shí)驗(yàn)后詳細(xì)設(shè)計(jì)了不同模塊和環(huán)節(jié)，包括相關(guān)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)、儀器設(shè)備的學(xué)習(xí)、參數(shù)的選擇等。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

為了達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，教師針對不同層次和專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程分為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)前、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后三個(gè)階段，如圖1所示，合理利用前中后三階段形成閉環(huán)銜接，全方位激發(fā)學(xué)生動(dòng)力，切實(shí)提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體質(zhì)量。

仿真實(shí)驗(yàn)前，教師在系統(tǒng)后臺發(fā)布作業(yè)要求，引導(dǎo)學(xué)生在線下預(yù)習(xí)相關(guān)基礎(chǔ)知識，學(xué)習(xí)相關(guān)操作視頻。

仿真實(shí)驗(yàn)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生注冊、登錄實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，督促學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)提示依次完成“知識點(diǎn)學(xué)習(xí)”“儀器學(xué)習(xí)認(rèn)知”“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”和“考核”四個(gè)模塊，包括工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知、機(jī)器人虛擬示教知識庫、視覺檢測分揀和自動(dòng)包裝仿真實(shí)驗(yàn)以及考核五個(gè)環(huán)節(jié)。其中，環(huán)節(jié)3和4安排了線下拓展作業(yè)，教師需進(jìn)行線下輔導(dǎo)和重難點(diǎn)答疑，并批閱學(xué)生提交的作業(yè)。

在具體的虛擬仿真教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生所處的模塊和環(huán)節(jié)，采用啟發(fā)式、互動(dòng)式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式等教學(xué)方法，以發(fā)揮學(xué)生主體作用，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

1） 啟發(fā)式。

通過提問的方式進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會提問，例如“工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定原理是什么？工業(yè)機(jī)器人示教編程原理是什么？工業(yè)機(jī)器人插補(bǔ)原理是什么？輸送帶生產(chǎn)節(jié)拍的確定方法有哪些？機(jī)器人視覺檢測參數(shù)設(shè)置方法如何實(shí)現(xiàn)？”等，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，有效促進(jìn)學(xué)習(xí)和發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力。

2） 互動(dòng)式。

通過課堂討論和小組合作的方式，活躍課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力，促進(jìn)學(xué)生之間的相互學(xué)習(xí)和共同進(jìn)步。教師還可根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)及合作成果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，作為教學(xué)分析和課程改革的依據(jù)。

3） 任務(wù)驅(qū)動(dòng)式。

結(jié)合學(xué)生興趣與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)任務(wù)并制定任務(wù)目標(biāo)。學(xué)生根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，通過詢問他人、查閱紙質(zhì)資料、網(wǎng)絡(luò)搜索等方式，完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，如方案設(shè)計(jì)確定、計(jì)算機(jī)仿真、數(shù)據(jù)分析與處理等。任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)充分體現(xiàn)學(xué)生的自主性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

仿真實(shí)驗(yàn)后，教師主要進(jìn)行跟蹤指導(dǎo)與答疑，并總結(jié)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。學(xué)生登錄學(xué)習(xí)平臺后，可在平臺專屬討論區(qū)與教師或同學(xué)進(jìn)行更深入的實(shí)時(shí)互動(dòng)，強(qiáng)化所學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)習(xí)效果。另外，教師有針對性地引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行提升，幫助學(xué)生提高項(xiàng)目理論和實(shí)踐水平。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)演示

學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問網(wǎng)站地址，登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺后，開始虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)模塊，分別為“知識點(diǎn)學(xué)習(xí)”“儀器學(xué)習(xí)認(rèn)知”“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”和“考核”，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)開始前，只有前三個(gè)模塊高亮顯示。學(xué)生需依次按模塊順序完成對應(yīng)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后，第四個(gè)考核模塊隨之點(diǎn)亮，即可進(jìn)入考核測試。

1） 知識點(diǎn)學(xué)習(xí)模塊。

知識點(diǎn)學(xué)習(xí)模塊主要針對本次實(shí)驗(yàn)涉及的知識點(diǎn)進(jìn)行梳理和概括，使學(xué)生能夠全面了解并掌握實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用到的技術(shù)、機(jī)器人操作語言以及工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)流程等內(nèi)容。

2） 儀器學(xué)習(xí)認(rèn)知模塊。

儀器學(xué)習(xí)認(rèn)知模塊主要介紹實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備和儀器，包括四軸工業(yè)機(jī)械臂、六軸工業(yè)機(jī)械臂、空氣壓縮機(jī)、工業(yè)流水線、四軸機(jī)械臂示教器、六軸機(jī)械臂示教器、電氣控制箱、貨物架、置物機(jī)械臂等。鼠標(biāo)懸停在某個(gè)設(shè)備或儀器上時(shí)，該設(shè)備或儀器會高亮顯示，雙擊后即可查看相關(guān)介紹或說明。該模塊的學(xué)習(xí)為下一模塊的順利完成奠定基礎(chǔ)。

3） 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

圖4為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。該模塊是整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的核心部分。它包含12個(gè)交互步驟，其中核心交互步驟為工件的分揀工序和包裝工序。操作內(nèi)容包括開啟控制箱、啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)、調(diào)試六軸機(jī)械臂示教器和調(diào)試四軸機(jī)械臂示教器，具體操作步驟如下。

① 點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”，開啟控制箱電源。

② 打開氣動(dòng)閥門，檢查氣壓，確保符合標(biāo)準(zhǔn)。

③ 六軸機(jī)械臂示教器調(diào)試（分揀工序） ：首先選擇示教模式，并進(jìn)行伺服上電和氣泵工作調(diào)試，進(jìn)入主程序；然后選擇自動(dòng)模式，并在該模式下選擇合適的分揀速度。完成以上步驟后，六軸機(jī)械臂自動(dòng)進(jìn)行分揀工作。

④ 四軸機(jī)械臂示教器調(diào)試（包裝工序） ：分揀工作完成后需調(diào)試四軸機(jī)械臂示教器進(jìn)行包裝，其調(diào)試步驟與六軸機(jī)械臂示教器調(diào)試步驟一致，不再贅述。四軸機(jī)械臂示教器調(diào)試完成后，進(jìn)入包裝工序。

⑤ 上述步驟完成后，工件通過流水線進(jìn)入置物臺，置物機(jī)械臂通過精準(zhǔn)定位并抓取工件完成入庫工作。

4） 考核模塊。

圖5為考核模塊?？己四K用于對整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考核測試，通過該模塊了解學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握情況。輸入學(xué)號、姓名等相關(guān)信息后，選擇“開始考試”即可進(jìn)入考核，考核完成后系統(tǒng)自動(dòng)給出考核成績。

本次實(shí)驗(yàn)的綜合成績由五部分組成，分別為考勤成績、后臺作業(yè)成績、步驟操作成績、考核成績和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績。以上五部分按照一定比例分配，最終得出學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)成績。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

學(xué)生完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后，能夠熟練選用合適的工業(yè)機(jī)器人及機(jī)械爪具，掌握相關(guān)電路和氣路參數(shù)的計(jì)算方法，并能對自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行靈活操作與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品分揀和自動(dòng)包裝功能。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過虛擬仿真技術(shù)手段解決了教學(xué)實(shí)踐中的難題，依靠創(chuàng)新的教學(xué)方式與技術(shù)彌補(bǔ)了實(shí)際實(shí)驗(yàn)的短板，實(shí)現(xiàn)了線下無法開展或完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)功能，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與實(shí)踐的積極性和主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)了三維教學(xué)目標(biāo)，提升了教學(xué)效果。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，將學(xué)生分為兩組，一組按照實(shí)體實(shí)驗(yàn)流程完成實(shí)驗(yàn)，另一組結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過兩輪實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)興趣很高，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相比，學(xué)生對這種更具創(chuàng)新性的教學(xué)方式表現(xiàn)出強(qiáng)烈的興趣，學(xué)習(xí)熱情明顯提升。平臺反饋數(shù)據(jù)顯示，98名參與調(diào)查的學(xué)生中，接近95%認(rèn)為虛擬仿真教學(xué)對其認(rèn)識和了解工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)有所幫助，而且大多數(shù)學(xué)生會在業(yè)余時(shí)間登錄虛擬仿真平臺，繼續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)知識及實(shí)踐操作內(nèi)容。以上結(jié)果充分表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充。

5 總結(jié)

圍繞新工科課程建設(shè)培育未來工程人才，結(jié)合現(xiàn)有理論和實(shí)踐課程，利用信息化虛擬仿真技術(shù)，搭建工業(yè)自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，解決了實(shí)驗(yàn)空間、實(shí)驗(yàn)人數(shù)、成本等方面的問題。工業(yè)自動(dòng)化虛擬仿真教學(xué)是理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充，秉持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的原則，以虛促實(shí)、互為對比、互為促進(jìn)，注重知識點(diǎn)與工程能力的培養(yǎng)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性和可操作性，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和教學(xué)效果，也為新工科建設(shè)中工業(yè)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王傳林.新工科視閾下“結(jié)構(gòu)力學(xué)” 教學(xué)改革研究[J].職業(yè)技術(shù)，2024，23（6）：22-27.

[2] 趙海紅，岳洪浩，陳文禮，等.虛擬仿真技術(shù)在空間機(jī)構(gòu)連接分離實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2024，41（2）：140-146.

[3] 黃志良，周瑾，王文韜，等.新工科背景下《高分子物理》五元融入式教學(xué)創(chuàng)新探索與實(shí)踐[J/OL].高分子通報(bào)，2024（9）：1-8[2024-06-20]. https：//doi.org/10.14028/j.cnki.1003-3726.2024. 24.080.

[4] 胡煒.新工科背景下高校專業(yè)類新形態(tài)教材建設(shè)路徑與方法[J].傳播與版權(quán)，2024（11）：36-39.

[5] 任旭，姚常偉，沈汝偉，等.新工科背景下高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程教改思路探索[J].貴州農(nóng)機(jī)化，2024（2）：43-46.

[6] 李欣雪，廖金湘.新工科背景下“信號與系統(tǒng)” 在線開放課程應(yīng)用探究[J].通信與信息技術(shù)，2022（5）：109-111.

[7] 董會，張曉磊.新工科背景下地方高校工科專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)瓶頸與改革[J].高教學(xué)刊，2024，10（18）：152-155.

[8] 黨小娟，劉冬.新工科背景下高校校內(nèi)創(chuàng)新實(shí)踐基地建設(shè)探索[J].公關(guān)世界，2024（6）：71-73.

[9] 姚明陽，馬漢林.虛擬仿真技術(shù)助推城市軌道交通機(jī)電技術(shù)專業(yè)課程教學(xué)改革的應(yīng)用研究[J].科教文匯，2024（12）：70-73.

[10] 鄭江霞，劉若琳.基于虛擬仿真技術(shù)古代陶俑服裝復(fù)原推斷[J].浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，23（2）：20-26.

[11] 喬陽，敖冰峰，楊宏帥，等.基于虛擬仿真技術(shù)的智能制造生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表，2024，39（5）：45-48，53.

[12] 李悅，劉芳.基于虛擬仿真技術(shù)的微生物限度檢查教學(xué)資源建設(shè)[J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2024，42（9）：51-54.

[13] 徐斌，張?zhí)礻?，羅振寧，等.虛擬仿真技術(shù)在給水排水實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].教育教學(xué)論壇，2024（12）：137-141.

[14] 王英杰，孫玉周，邊亞東.新工科背景下土木類專業(yè)核心課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探索研究[J].河南教育（高教），2024（4）：84-85.

【通聯(lián)編輯：唐一東】