基于虛擬仿真技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人課程“三教改革”研究

丁海濤

（集美工業(yè)學(xué)校 先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)系，福建 廈門(mén) 361022）

工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)是“中國(guó)制造2025”及國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要支撐專(zhuān)業(yè)，同時(shí)又是一個(gè)新興專(zhuān)業(yè)，目前很多國(guó)內(nèi)中職、高職及本科院校都開(kāi)設(shè)了該專(zhuān)業(yè)，少數(shù)開(kāi)設(shè)較早的專(zhuān)業(yè)已經(jīng)有了畢業(yè)生。職業(yè)學(xué)校的工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)的是工業(yè)機(jī)器人及周邊設(shè)備的日常操作、維護(hù)、安裝、調(diào)試的技能型人才，而中職學(xué)校則更注重對(duì)學(xué)生實(shí)際操作和編程能力的培養(yǎng)。由于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人課堂教學(xué)培養(yǎng)的部分學(xué)生連機(jī)器人基本編程操作也難以完成，極大影響了社會(huì)對(duì)學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能的認(rèn)可度，因此引入新技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人課程進(jìn)行教學(xué)改革是解決問(wèn)題的有效手段之一［1］。

一、現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)存在的問(wèn)題

（一）購(gòu)買(mǎi)實(shí)訓(xùn)設(shè)備及定期升級(jí)需要較高的費(fèi)用

工業(yè)機(jī)器人課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)決定了該課程無(wú)法僅在教室授課，需要使用工業(yè)機(jī)器人設(shè)備輔助教學(xué)，但是工業(yè)機(jī)器人設(shè)備價(jià)格高昂，以學(xué)校的財(cái)力無(wú)法大量采購(gòu)，從而導(dǎo)致上課時(shí)無(wú)法“人手一臺(tái)”，限制了教學(xué)效果，同時(shí)由于科技發(fā)展迅速，學(xué)校無(wú)法及時(shí)更新設(shè)備。而采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)，只需要簡(jiǎn)單的電腦及軟件安裝就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)教學(xué)，并且根據(jù)行業(yè)的發(fā)展可以及時(shí)進(jìn)行軟件及教學(xué)資源的更新。

（二）危險(xiǎn)工況無(wú)法教學(xué)

在真實(shí)設(shè)備操作中，為了學(xué)生的安全并從設(shè)備的安全性、經(jīng)濟(jì)性考慮，不允許學(xué)生進(jìn)行危險(xiǎn)工況的模擬操作。如此一來(lái)，學(xué)生無(wú)法體會(huì)危險(xiǎn)工況的危害，印象也不夠深入，而通過(guò)虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行危險(xiǎn)工況的模擬，讓學(xué)生能夠真正了解危險(xiǎn)工況的危害，可有效提高學(xué)生的安全操作意識(shí)及操作規(guī)范，進(jìn)而提高學(xué)生的職業(yè)能力。

（三）學(xué)生的不規(guī)范操作易對(duì)設(shè)備造成損害

通過(guò)虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用，學(xué)生可以在虛擬仿真平臺(tái)上學(xué)習(xí)規(guī)范的任務(wù)流程、生產(chǎn)工藝及設(shè)備操作方法，避免了由于學(xué)生的不規(guī)范操作對(duì)工業(yè)機(jī)器人造成的損害，從而引領(lǐng)學(xué)生養(yǎng)成標(biāo)準(zhǔn)化操作的良好習(xí)慣。

（四）固定的實(shí)訓(xùn)設(shè)備無(wú)法適配不同的企業(yè)及不同的生產(chǎn)任務(wù)

由于機(jī)器人是為不同企業(yè)生產(chǎn)提供自動(dòng)化，這一行業(yè)特殊性導(dǎo)致機(jī)器人所面臨的生產(chǎn)環(huán)境千變?nèi)f化，借助虛擬仿真平臺(tái)，可以開(kāi)發(fā)適配不同企業(yè)及不同生產(chǎn)任務(wù)的設(shè)備軟件。

鑒于此，有必要使用工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人課程進(jìn)行輔助教學(xué)，而傳統(tǒng)的教法、教材、教師在新的技術(shù)下又顯得格格不入，因此亟須進(jìn)行“三教改革”研究，從而達(dá)到高效課堂。

二、教法改革

咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的孫守勇對(duì)工業(yè)機(jī)器人課程進(jìn)行了現(xiàn)狀分析，同時(shí)對(duì)RobotStudio軟件進(jìn)行了分析，研究了其在教學(xué)中的應(yīng)用形式，總結(jié)了該軟件對(duì)技能大賽的促進(jìn)作用，以及在教學(xué)中要融入課程思政的教學(xué)思想［2］。其提出的在機(jī)器人教學(xué)中融入課程思政概念值得我們學(xué)習(xí)。天津市機(jī)電工藝學(xué)院的趙卿對(duì)虛擬仿真技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析，同時(shí)針對(duì)機(jī)器人虛擬仿真教學(xué)提出了初步設(shè)想，對(duì)教學(xué)方法提出了改進(jìn)建議［3］。其對(duì)虛擬仿真教學(xué)流程進(jìn)行了初步嘗試，取得了一定的教學(xué)效果，值得我們借鑒學(xué)習(xí)。廣西科技大學(xué)的蘇宇進(jìn)行了工業(yè)機(jī)器人課程的移動(dòng)學(xué)習(xí)研究，提出了通過(guò)建立課程教學(xué)資源進(jìn)行移動(dòng)學(xué)習(xí)的研究，讓學(xué)生以自主學(xué)習(xí)為主，同時(shí)教學(xué)資源要注意采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法［4］。其提出的虛實(shí)結(jié)合、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)的改革及設(shè)置的任務(wù)具有趣味性、引導(dǎo)性，值得我們借鑒學(xué)習(xí)。江蘇省淮陰商業(yè)學(xué)校的夏中堅(jiān)首先分析了虛擬仿真技術(shù)在實(shí)際教學(xué)中的作用與優(yōu)點(diǎn)，接著分析了RobotStudio仿真軟件在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用，最后提出了虛擬仿真技術(shù)在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，指出要虛實(shí)結(jié)合，以點(diǎn)帶面［5］。

在我校前期教學(xué)總結(jié)及相關(guān)文獻(xiàn)啟發(fā)下，筆者總結(jié)的機(jī)器人虛擬仿真教學(xué)的教學(xué)流程如圖1所示。布置具有趣味性、實(shí)際性的任務(wù)，并明確任務(wù)；根據(jù)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，從而確定工作計(jì)劃、進(jìn)度表；使用SolidWorks和RobotStudio等專(zhuān)業(yè)機(jī)器人軟件進(jìn)行創(chuàng)建組件，選擇合適的工業(yè)機(jī)器人，搭建虛擬仿真環(huán)境；配置I/O信號(hào)，組件間進(jìn)行連接；根據(jù)工藝要求進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人編程；調(diào)試、仿真；虛實(shí)結(jié)合，在實(shí)操平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證操作，如不成功則重新進(jìn)行連接、編程。

在教學(xué)過(guò)程中，有幾點(diǎn)需要注意：第一，為了保持學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，所布置的任務(wù)應(yīng)具有一定的趣味性，例如在教授機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，可布置“機(jī)器人寫(xiě)字任務(wù)”等。第二，學(xué)校不僅是傳授知識(shí)的場(chǎng)所，更是學(xué)生世界觀、人生觀和價(jià)值觀塑造的重要一站，學(xué)生大部分時(shí)間是在校園中度過(guò)的，學(xué)生三觀的形成受學(xué)校教育的影響較大。一門(mén)好的課程，應(yīng)該包括對(duì)學(xué)生的思想政治教育。因此，有必要在教學(xué)過(guò)程中融入思政元素，比如在機(jī)器人操作中加入安全點(diǎn)，可有效培養(yǎng)學(xué)生的安全意識(shí)；突出標(biāo)定工具坐標(biāo)系精度對(duì)比這一知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的精益求精元素，在教學(xué)中應(yīng)有意無(wú)意地培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力。第三，單純的虛擬仿真教學(xué)容易造成學(xué)生紙上談兵，故應(yīng)虛實(shí)結(jié)合，通過(guò)實(shí)際操作反向驗(yàn)證虛擬仿真，使得虛擬仿真教學(xué)效果得到進(jìn)一步升華。第四，單一、分散知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)效果較差，應(yīng)設(shè)計(jì)較綜合的任務(wù)，由易到難，通過(guò)一個(gè)任務(wù)的解決，將幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)以點(diǎn)帶面的教學(xué)效果。第五，現(xiàn)代社會(huì)隨著信息技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)式、碎片式學(xué)習(xí)越來(lái)越常見(jiàn)，通過(guò)在虛擬仿真平臺(tái)設(shè)置幾級(jí)權(quán)限，如管理員權(quán)限、教師權(quán)限、學(xué)生權(quán)限、訪客權(quán)限等，每一級(jí)所能觀看和學(xué)習(xí)的知識(shí)不同，這樣能夠保證學(xué)生在課外也能進(jìn)行學(xué)習(xí)。

三、教材改革

瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院的熊雋首先分析了為什么要在機(jī)器人仿真教學(xué)中選用活頁(yè)教材，接著進(jìn)行了活頁(yè)教材的制作，每個(gè)工作任務(wù)為一個(gè)工作任務(wù)單，包括任務(wù)布置、課前導(dǎo)學(xué)、工作計(jì)劃制訂、實(shí)施過(guò)程記錄與思考、檢查內(nèi)容及記錄、評(píng)價(jià)內(nèi)容及記錄、課后思考與創(chuàng)新等。然后利用Solid-Works和RobotStudio 軟件進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)，最后以其中一個(gè)工作任務(wù)為例，進(jìn)行了實(shí)際教學(xué)應(yīng)用［6］。

傳統(tǒng)教材已經(jīng)不適合虛擬仿真技術(shù)下的教學(xué)，虛擬仿真下的教材應(yīng)是碎片式、活頁(yè)式，學(xué)生可以靈活決定教材中知識(shí)的先后順序，然后建構(gòu)出自己的知識(shí)體系，因此采用新型活頁(yè)式教材更有利于學(xué)生對(duì)教材知識(shí)的理解和掌握。

工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真課程新型活頁(yè)式教材目錄如表1所示，將工業(yè)機(jī)器人編程與操作課程劃分為四個(gè)學(xué)習(xí)領(lǐng)域，學(xué)習(xí)領(lǐng)域一：工業(yè)機(jī)器人部件結(jié)構(gòu)模塊；學(xué)習(xí)領(lǐng)域二：工業(yè)機(jī)器人基本虛擬仿真項(xiàng)目；學(xué)習(xí)領(lǐng)域三：典型應(yīng)用虛擬仿真項(xiàng)目；學(xué)習(xí)領(lǐng)域四：工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊。其中每個(gè)學(xué)習(xí)領(lǐng)域，又主要分為導(dǎo)言（針對(duì)某一學(xué)習(xí)領(lǐng)域）和多個(gè)學(xué)習(xí)情境（將一個(gè)學(xué)習(xí)領(lǐng)域根據(jù)需要分為幾個(gè)學(xué)習(xí)情境）。

表1 教材目錄

導(dǎo)言主要是對(duì)某一學(xué)習(xí)領(lǐng)域的引入概括，主要包括課程（學(xué)習(xí)領(lǐng)域的性質(zhì)）、典型學(xué)習(xí)內(nèi)容描述、學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)組織形式與方法、學(xué)習(xí)情境的設(shè)計(jì)（學(xué)習(xí)情境一、學(xué)習(xí)情境二、學(xué)習(xí)情境三……）、學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)（針對(duì)該學(xué)習(xí)領(lǐng)域進(jìn)行評(píng)價(jià)）。針對(duì)學(xué)習(xí)情境設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)，某一學(xué)習(xí)情境的結(jié)構(gòu)如表2所示，學(xué)習(xí)情境一分為任務(wù)書(shū)、獲取的咨詢(xún)、工作計(jì)劃制訂、實(shí)施過(guò)程記錄與思考、評(píng)價(jià)內(nèi)容及記錄、課后思考與創(chuàng)新、學(xué)習(xí)情境相關(guān)知識(shí)。以工具坐標(biāo)系的應(yīng)用為例，設(shè)置螺旋塔挑戰(zhàn)賽學(xué)習(xí)情境。

四、教師改革

由于教師是教學(xué)改革的實(shí)施主體，因此基于虛擬仿真背景下的工業(yè)機(jī)器人課程改革，需要教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)變。

（一）教師自我轉(zhuǎn)變

1.教學(xué)理念轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的教學(xué)中，都是教師講、學(xué)生聽(tīng)的“填鴨式”教學(xué)方式，但基于虛擬仿真技術(shù)的機(jī)器人教學(xué)，繼續(xù)采用此種教學(xué)方式會(huì)扼殺學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且培養(yǎng)不出能進(jìn)行機(jī)器人編程與操作的學(xué)生。這門(mén)課程應(yīng)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)，因此教師要從課堂的教學(xué)者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。

表2 學(xué)習(xí)情境一

2.產(chǎn)教融合，校企合作。由于虛擬仿真技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)教學(xué)任務(wù)與行業(yè)企業(yè)的一致，因此，相關(guān)教師可與企業(yè)進(jìn)行合作，及時(shí)了解行業(yè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，進(jìn)行教學(xué)任務(wù)及教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)，在日常教學(xué)中，根據(jù)企業(yè)崗位，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分工，讓學(xué)生合作完成任務(wù)，從而使學(xué)生在校就能提前體驗(yàn)到實(shí)際工作，從而提高學(xué)生的職業(yè)能力。

（二）教師培養(yǎng)

基于虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)改革不僅是要對(duì)教師提出要求，同時(shí)還要對(duì)教師進(jìn)行培養(yǎng)。

1.虛擬仿真專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能培養(yǎng)，機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)主要包括SolidWorks建模及RobotStudio等專(zhuān)業(yè)機(jī)器人軟件的使用，在進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)改革前，各教師應(yīng)熟練掌握軟件的使用及工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)，因此有必要提高教師的工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能，進(jìn)而提高教學(xué)效果。

2.虛擬仿真教學(xué)理論。傳統(tǒng)教學(xué)是按照教材進(jìn)行教學(xué)，一個(gè)接一個(gè)章節(jié)的教學(xué)，這些章節(jié)組合成了編者設(shè)定好的知識(shí)體系。而采用信息技術(shù)手段的虛擬仿真教學(xué)，由于學(xué)生對(duì)未知的好奇及興趣點(diǎn)不同等因素，學(xué)生不一定會(huì)按照傳統(tǒng)教學(xué)的順序從前往后進(jìn)行學(xué)習(xí)，往往先挑自己感興趣的內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，這樣學(xué)生的知識(shí)不再體系化，基于此，教師要具有新的教育理念及方式。

（三）打造教學(xué)團(tuán)隊(duì)

進(jìn)行教學(xué)改革，不是一個(gè)教師能完成的，而是需要一個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，因此打造基于工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)的教師團(tuán)隊(duì)尤為必要。

1.合格的團(tuán)隊(duì)必須有共同的目標(biāo)。對(duì)于基于工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真教改團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，就是建立與企業(yè)實(shí)時(shí)銜接的教育資源和基于新建構(gòu)主義理論的“理虛實(shí)”教學(xué)模式，使得工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)成為閩南區(qū)域范圍內(nèi)學(xué)術(shù)交流、專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)、行業(yè)認(rèn)可的團(tuán)隊(duì)。

2.合適的人員。在組成團(tuán)隊(duì)時(shí)，人員的選擇非常重要，團(tuán)隊(duì)要找的是腳踏實(shí)地、實(shí)事求是的成員，同時(shí)在組建團(tuán)隊(duì)時(shí)，要取長(zhǎng)補(bǔ)短，團(tuán)隊(duì)成員要具備豐富的科研與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、熟悉項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與管理、豐富的機(jī)器人理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、較高的三維建模設(shè)計(jì)水平、較高的教改水平、與企業(yè)聯(lián)系緊密、參加過(guò)機(jī)器人企業(yè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)等要求中的一項(xiàng)或多項(xiàng)特質(zhì)。

3.責(zé)任明確。在團(tuán)隊(duì)中，每個(gè)成員的作用是不同的，具體的分工也不會(huì)完全相同，這就需要每個(gè)成員都明確自己的責(zé)任，進(jìn)行分工合作，提高工作效率，而且必須有主要負(fù)責(zé)人。

4.獎(jiǎng)勵(lì)大于懲罰。每個(gè)成員對(duì)團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)是不同的，我們不能一概而論，對(duì)于成績(jī)非常突出的成員一定要大力獎(jiǎng)勵(lì)，這種獎(jiǎng)勵(lì)在某種意義上具有促進(jìn)作用，可以讓成員之間互相競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)然一定要是良性競(jìng)爭(zhēng)，杜絕惡性競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于成績(jī)平平或有一些過(guò)失的成員，要以引導(dǎo)為主，而非懲罰。

5.團(tuán)隊(duì)文化。好的團(tuán)隊(duì)，一定要有好的團(tuán)隊(duì)組織及氛圍，好的團(tuán)隊(duì)文化，能使得團(tuán)隊(duì)勁往一處使，從而大大提高團(tuán)隊(duì)的戰(zhàn)斗力，同時(shí)好的團(tuán)隊(duì)文化也能使團(tuán)隊(duì)成員保持一個(gè)高昂的戰(zhàn)斗狀態(tài)。

6.名師引領(lǐng)。俗話(huà)說(shuō)蛇無(wú)頭不行，好的教學(xué)團(tuán)隊(duì)需有名師引領(lǐng)，在團(tuán)隊(duì)遇到問(wèn)題時(shí)，需要名師或領(lǐng)頭人進(jìn)行抉擇、進(jìn)行掌舵。

結(jié)語(yǔ)

雖然筆者在學(xué)校前期工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)及文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)工業(yè)機(jī)器人課程進(jìn)行了“三教改革”，但同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題，還需要在實(shí)踐中不斷修正，以期更適合于基于虛擬仿真技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)課程課堂教學(xué)，從而達(dá)到高效課堂的目的。