工業(yè)機(jī)器人可視化創(chuàng)新教學(xué)模式探索與實(shí)踐

浦建峰

（嘉興技師學(xué)院，浙江 嘉興 314036）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人專業(yè)在中等職業(yè)院校開設(shè)以來(lái)，經(jīng)過(guò)近些年教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的累計(jì)，已經(jīng)初步達(dá)到了特有的教學(xué)模式。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用中，以機(jī)器人機(jī)械維保和機(jī)器人編程示教為主，相較于其他機(jī)電類技術(shù)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的學(xué)習(xí)難度較大，專業(yè)性較強(qiáng)，若缺乏良好的教學(xué)模式引導(dǎo)、教學(xué)過(guò)程監(jiān)控和完善的教學(xué)評(píng)價(jià)體系，則無(wú)法達(dá)到最佳的教學(xué)效果。本校在開展工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)的數(shù)年里，通過(guò)不斷創(chuàng)新，始終在豐富工業(yè)機(jī)器人教學(xué)手段方面悉心探索，總結(jié)了一套工業(yè)機(jī)器人可視化創(chuàng)新教學(xué)模式，并采取教學(xué)試點(diǎn)實(shí)踐，得到了良好的效果。

1 傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)概述

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的課程具有專業(yè)性強(qiáng)、難度大、新穎性強(qiáng)等特點(diǎn)，在剛開設(shè)機(jī)器人專業(yè)時(shí)，教學(xué)設(shè)備、師資力量和教學(xué)手段均較為欠缺，很多學(xué)校是在“摸著石頭過(guò)河”以及與兄弟院校交流中不斷探索，經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)積累，逐步形成了一套較為完整的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才的培養(yǎng)體系。但是即便如此，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的革新速度始終領(lǐng)先教學(xué)改革速度，因此，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)改革沒(méi)有“終點(diǎn)”。

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)課教學(xué)，主要分為理論課程與實(shí)訓(xùn)課程獨(dú)立、理實(shí)一體化教學(xué)這兩種形式，并且這兩種教學(xué)手段各有利弊，但無(wú)論如何，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的實(shí)物操作教學(xué)是繞不開的難題，很多學(xué)校陷入“設(shè)備少、學(xué)員多、課時(shí)分配不均”的困境[1]。在此背景下，教師在實(shí)訓(xùn)課的授課過(guò)程中，一般是先進(jìn)行集中講解，然后集體操作訓(xùn)練，而這種操作模式，教師無(wú)法監(jiān)控每一位學(xué)生操作的全過(guò)程，只能通過(guò)巡回指導(dǎo)的方式片面了解學(xué)生操作動(dòng)作[2]。這種情況極易發(fā)生學(xué)生操作事故或者沒(méi)能及時(shí)糾正學(xué)生操作過(guò)程的錯(cuò)誤和隱患，導(dǎo)致教學(xué)未達(dá)到預(yù)期效果。

為了解決這一問(wèn)題，我校曾采用教師配課的方式進(jìn)行教學(xué)，即由1 名主講教師授課，然后再由1 名或2 名教師輔助教學(xué)，在實(shí)操的過(guò)程中，3 名教師分組教學(xué)和觀察學(xué)生操作，這樣可以保證學(xué)生操作過(guò)程的70%以上均有教師參與監(jiān)督與指導(dǎo)。在新專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，尤其是工業(yè)機(jī)器人這種具有一定風(fēng)險(xiǎn)性操控的實(shí)操過(guò)程中，教師能夠100%全程關(guān)注學(xué)生的操作，一方面可有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，另一方面可有效管控操作過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

但這種教學(xué)方式對(duì)師資要求較大，不僅需要2-3倍的教師數(shù)量，還需要配課教師也具有很扎實(shí)的工業(yè)機(jī)器人知識(shí)，眾所周知，目前從事工業(yè)機(jī)器人教學(xué)的教師需求量更大，短期內(nèi)很多學(xué)校無(wú)法解決師資的缺口，故這種改革方式的嘗試雖然解決了短期的授課指導(dǎo)過(guò)程，但無(wú)法滿足長(zhǎng)期人才培養(yǎng)的需求[3]?？傊?，在工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的改革中，還需進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)模式，提高教學(xué)效果。

2 “可視化”創(chuàng)新教學(xué)的概述

為解決傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課操作環(huán)節(jié)中教師數(shù)量不足和教師精力不夠的問(wèn)題，著眼于“教師無(wú)法100%全程關(guān)注學(xué)生操作”的關(guān)鍵點(diǎn)，本校經(jīng)過(guò)全面調(diào)研和慎重研討，開創(chuàng)了一種“可視化”創(chuàng)新教學(xué)模式。這種將實(shí)訓(xùn)過(guò)程全程可視化的創(chuàng)新教學(xué)模式，必須有較為成熟的硬件支持，即對(duì)現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)區(qū)域進(jìn)行升級(jí)和改造，以達(dá)到改革的目的。

“可視化”是指在教學(xué)過(guò)程中，采用高清實(shí)時(shí)攝像頭監(jiān)控設(shè)備，對(duì)實(shí)訓(xùn)的操作區(qū)域“無(wú)死角”監(jiān)控，并將實(shí)時(shí)畫面展示在公共區(qū)域。這種可視化有3 種含義，分別是“演示可視化”“即時(shí)可視化”“全過(guò)程可視化”。

“演示可視化”是教師在學(xué)生操作之前進(jìn)行的設(shè)備演示操作。在以往的授課過(guò)程中，學(xué)生一般是圍繞在教師周邊觀看教師演示，由于設(shè)備空間有限，導(dǎo)致部分學(xué)生無(wú)法完整觀看到教學(xué)中的每一處細(xì)節(jié)，降低了教師演示的效果。采用了“演示可視化”的教學(xué)手段，學(xué)生不僅可以在教師周邊觀看操作過(guò)程，還能配合電視屏幕上的監(jiān)控視頻，多角度觀摩教師操作過(guò)程，避免遺漏操作細(xì)節(jié)。這種“演示可視化”實(shí)際上是實(shí)時(shí)教學(xué)過(guò)程對(duì)操作現(xiàn)場(chǎng)觀察手段的補(bǔ)充，是提高教學(xué)效率的有效手段之一。

“即時(shí)可視化”是學(xué)生在操作工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的過(guò)程中，教師可以通過(guò)多屏方式觀看學(xué)生的操作過(guò)程，及時(shí)掌握學(xué)生操作的方式。這種操作過(guò)程可以大大提高教師對(duì)學(xué)生實(shí)操過(guò)程的觀察率，特別是在即將出現(xiàn)操作隱患時(shí)，教師可以及時(shí)發(fā)出制止指令，保護(hù)學(xué)生安全的同時(shí)還可以保護(hù)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，提高了教學(xué)效率和對(duì)教學(xué)設(shè)備的保護(hù)。

“全過(guò)程可視化”是指教師和學(xué)生操作的過(guò)程中，不僅僅可以在電視屏幕中展示教師或?qū)W生的實(shí)時(shí)操作過(guò)程，還能將整個(gè)畫面錄制并保存，方便教師和學(xué)生課后下載回顧，可作為教學(xué)評(píng)價(jià)視頻、教學(xué)素材視頻或是師生留作紀(jì)念。這種回放的可視化解決了傳統(tǒng)機(jī)器人操作出現(xiàn)問(wèn)題后，由于教師沒(méi)有看見、學(xué)生不會(huì)描述導(dǎo)致的無(wú)法“復(fù)盤”錯(cuò)誤，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率的下降。而采用錄像記錄的形式，在出現(xiàn)問(wèn)題后，教師可以第一時(shí)間下載視頻，和學(xué)生一同分析導(dǎo)致問(wèn)題的原因，若是共性問(wèn)題，還可以提示全部學(xué)生“有則改之無(wú)則加勉”。這種回顧可視化的形式，類似于施工記錄儀，通過(guò)視頻和聲音記錄的形式，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、總結(jié)問(wèn)題并在日后避免問(wèn)題。

3 工業(yè)機(jī)器人可視化創(chuàng)新教學(xué)模式實(shí)踐

3.1 工業(yè)機(jī)器人可視化實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)與改造

可視化創(chuàng)新教學(xué)模式主要依賴監(jiān)控設(shè)備和顯示屏幕的建設(shè)，這種建設(shè)方式是以現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)基地的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造即可，這樣可有效節(jié)省資源，避免重新建設(shè)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地。如圖1 所示為可視化實(shí)訓(xùn)基地改造后的工位效果圖，在工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備的上方屋頂處，安裝了2 個(gè)高清監(jiān)控設(shè)備，可以從垂直上方角度和側(cè)面角度對(duì)工業(yè)機(jī)器人工位區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；每個(gè)工位處還配備了一個(gè)50 寸液晶電視顯示屏，用以播放實(shí)時(shí)畫面或回放視頻。

圖1 可視化實(shí)訓(xùn)基地改造后的工位效果

在本校的工業(yè)機(jī)器人基地可視化改造的先期階段，暫時(shí)只安裝了2 個(gè)攝像機(jī)監(jiān)控設(shè)備，未來(lái)，可在工業(yè)機(jī)器人的左側(cè)和后方再加裝2 個(gè)監(jiān)控設(shè)備，便可以更全面地對(duì)學(xué)生操作過(guò)程進(jìn)行細(xì)致觀察，但是其成像過(guò)程和后期應(yīng)用的難度隨之增加。在先期的改革探索與實(shí)踐中，筆者團(tuán)隊(duì)在垂直上方攝像頭和右側(cè)攝像頭的監(jiān)控中已經(jīng)調(diào)校出較為優(yōu)質(zhì)的監(jiān)控視角，幾乎可以滿足日前的全部教學(xué)可視化要求，達(dá)到了既定目標(biāo)。并且考慮到視頻存儲(chǔ)空間成本和日后管理工作，2 個(gè)攝像頭的可視化工位優(yōu)化為最優(yōu)方案。

除了監(jiān)控設(shè)備和電視顯示屏的安裝外，還需要構(gòu)建存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播、調(diào)用等操作環(huán)節(jié)，具體做法是在實(shí)訓(xùn)基地的講臺(tái)區(qū)域建立一個(gè)總控系統(tǒng)，方便畫面的時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)播、調(diào)用、展示和存儲(chǔ)等工作。

3.2 可視化教學(xué)的授課方式

在完成工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備和工位改造的基礎(chǔ)上，開展基于“可視化”的創(chuàng)新教學(xué)過(guò)程也是本研究的重要內(nèi)容之一，即如何應(yīng)用可視化手段。

基于可視化教學(xué)手段的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程中，依然保持“理實(shí)一體化”的教學(xué)方式，即在原有的集中教學(xué)區(qū)完成理論集中授課活動(dòng)，在原有的實(shí)訓(xùn)區(qū)域內(nèi)完成實(shí)訓(xùn)。在實(shí)訓(xùn)操作環(huán)節(jié)中，一般由教師先行演示工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式，此時(shí)學(xué)生可以圍站在教師附近的安全區(qū)域內(nèi)，然后結(jié)合教師現(xiàn)場(chǎng)操作動(dòng)作和電視顯示屏上的實(shí)時(shí)畫面，從不同角度感受教師操作的過(guò)程，從而更全面的了解學(xué)習(xí)內(nèi)容。對(duì)教師的要求是，在操作演示前需將“可視化”系統(tǒng)設(shè)置為“演示模式”，然后完成相應(yīng)的演示動(dòng)作，演示完成后，交由學(xué)生分組在各工位完成操作任務(wù)。

學(xué)生操作時(shí)，將“可視化”系統(tǒng)設(shè)置為“學(xué)生操作模式”，此時(shí)可視化系統(tǒng)將在教師處的總屏幕處匯總出各工位所有的實(shí)時(shí)畫面，可以由教師和助理教師邊巡查、邊看屏幕，以及時(shí)了解學(xué)生操作的過(guò)程。實(shí)訓(xùn)操作時(shí)，學(xué)生2 人一組或獨(dú)立完成各項(xiàng)操作任務(wù)，此時(shí)設(shè)備上方的電視屏幕會(huì)顯示出2 個(gè)攝像頭的分屏畫面，學(xué)生在操作機(jī)器人時(shí)也可以參考監(jiān)控的實(shí)時(shí)影像，以提升初學(xué)者的學(xué)習(xí)效率。在熟練操作后建議學(xué)生在不觀看畫面的前提下獨(dú)立完成操作。

學(xué)生在操作過(guò)程中，若出現(xiàn)機(jī)器人碰撞、操作錯(cuò)誤或其他情況時(shí)，教師及時(shí)趕到工位，通過(guò)調(diào)取可視化系統(tǒng)中的監(jiān)控錄像，與學(xué)生在工位共同分析產(chǎn)生問(wèn)題的原因，并現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)正確操作。當(dāng)本節(jié)課程操作全部結(jié)束后，學(xué)生可以將本節(jié)課的操作視頻拷貝至自行攜帶閃存設(shè)備中，用以日后學(xué)習(xí)或留作紀(jì)念。

4 工業(yè)機(jī)器人可視化創(chuàng)新教學(xué)模式的效果

4.1 教師可視化

應(yīng)用可視化創(chuàng)新教學(xué)模式后，教師實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生實(shí)時(shí)操作狀態(tài)的可視化，能夠及時(shí)了解當(dāng)前學(xué)生的操作狀態(tài)，也可通過(guò)可視化系統(tǒng)回看學(xué)生操作過(guò)程，肯定學(xué)生操作的同時(shí)，為學(xué)生提供更好的操作建議，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。通過(guò)教師可視化，還能夠在學(xué)生遇到問(wèn)題的時(shí)候調(diào)取相應(yīng)畫面，即使教師不在學(xué)生出錯(cuò)的第一現(xiàn)場(chǎng)，也可以通過(guò)回看來(lái)了解學(xué)生的出錯(cuò)點(diǎn)并給予正確的指導(dǎo)，相較于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)過(guò)程，教師可視化可使教學(xué)過(guò)程事半功倍。

4.2 學(xué)生可視化

學(xué)生可視化是工業(yè)機(jī)器人可視化創(chuàng)新教學(xué)模式的核心和關(guān)鍵點(diǎn)。學(xué)生是教學(xué)的主體，教師是教學(xué)過(guò)程中輔助，學(xué)生在操作中通過(guò)豐富的可視化環(huán)境，能夠更為積極主動(dòng)地參與到教學(xué)中，體現(xiàn)了學(xué)生主體性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)性教學(xué)后對(duì)學(xué)生的調(diào)查與反饋中可知，學(xué)生從之前對(duì)機(jī)器人“片面的操作感”轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)工業(yè)機(jī)器人的“全面感受”，增強(qiáng)了操作的體驗(yàn)感，提升了學(xué)生的操作興趣，學(xué)生操作的成功率也隨之提高。學(xué)生可視化不僅是在操作過(guò)程有明顯提升，在教師演示階段也更加清晰地了解教師演示的過(guò)程，改變了傳統(tǒng)“學(xué)生看不清、害羞不敢問(wèn)”的情況，提升了教師演示的教學(xué)效率，也為課堂教學(xué)節(jié)省了演示時(shí)間，從而將更多的時(shí)間交還給學(xué)生操作，因此從整體上提高了教學(xué)效率，使學(xué)生課堂參與感更強(qiáng)。

4.3 診斷可視化

診斷可視化是創(chuàng)新教學(xué)模式的“閃光點(diǎn)”。傳統(tǒng)的教學(xué)中，學(xué)生一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，可能一個(gè)動(dòng)作往往在一瞬間，教師不在身邊看不見，學(xué)生初學(xué)者也不會(huì)描述。而可視化教學(xué)模式通過(guò)錄像的方式，在出現(xiàn)問(wèn)題式可以調(diào)取相應(yīng)時(shí)段的畫面片段，使得教師通過(guò)回看的方式了解了“事故”發(fā)生的情況，節(jié)省了教師詢問(wèn)學(xué)生和猜測(cè)可能性的時(shí)間，提高了整體效率。同時(shí)，教師可以將該部分片段提取，作為日后課程的“反例”，警示更多同學(xué)，避免同學(xué)出現(xiàn)類似錯(cuò)誤。通過(guò)視頻展示的方式，學(xué)生可以更加直接地“吸取教訓(xùn)”，這種診斷的可視化極大地促進(jìn)了教學(xué)過(guò)程。

4.4 評(píng)價(jià)可視化

評(píng)價(jià)是理實(shí)一體化的課程中不可或缺的環(huán)節(jié)，是對(duì)一堂課程中教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生掌握程度和綜合素養(yǎng)的全面監(jiān)控，也是貼近企業(yè)生產(chǎn)評(píng)價(jià)的不可或缺環(huán)節(jié)。評(píng)價(jià)可視化是將每位學(xué)生操作的全過(guò)程視頻下載展示，由教師和學(xué)生共同評(píng)價(jià)操作者在操作中的優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人實(shí)操過(guò)程中，學(xué)生只能自顧自地完成自己的操作，由于沒(méi)有視頻記錄的方式，無(wú)法在評(píng)價(jià)時(shí)全面了解別人的操作過(guò)程。而應(yīng)用了評(píng)價(jià)可視化就解決了這個(gè)問(wèn)題。因此評(píng)價(jià)可視化使課堂整體更加立體化，學(xué)生可能用90 min 上一節(jié)課，而用另一個(gè)90 min 去悉心研究本節(jié)課程，這種“課堂1+1”的形式，能使學(xué)生對(duì)本節(jié)課程學(xué)習(xí)任務(wù)的掌握程度更深，學(xué)習(xí)效率更高。

5 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人的操作教學(xué)歷來(lái)是一個(gè)難點(diǎn)，可視化教學(xué)就是將工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程中散開的各個(gè)“點(diǎn)”集中起來(lái)，構(gòu)建一堂立體感的實(shí)訓(xùn)課程，使教師和學(xué)生可以不錯(cuò)過(guò)任何一項(xiàng)操作過(guò)程，甚至可以通過(guò)可視化學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷交流、相互促進(jìn)，使得工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)效果不斷提升?？梢暬瘎?chuàng)新教學(xué)模式的應(yīng)用不僅于此，未來(lái)，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上仍有很大的發(fā)展空間亟待探索。