基于MR(混合現(xiàn)實)工業(yè)機器人標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)模式與效果評價研究

劉翠蓮

（蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

當(dāng)下，工業(yè)機器人在智能化、自動化以及量產(chǎn)化加工制造領(lǐng)域上的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，也成為全面推進向加工制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)手段之一。根據(jù)《全球工業(yè)機器人2022 年》報告顯示，我國的智能量產(chǎn)化工業(yè)機器人在世界市場上居世界首位，約占總加工制造數(shù)量的1/3，超過了歐洲制造總量之和。為了更有效地將智能化工業(yè)機器人技術(shù)普及大眾，許多高校已經(jīng)陸續(xù)開展了基于MR 工業(yè)機器人等信息技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化實踐教學(xué)模式，教育工作者在應(yīng)用該技術(shù)過程中得到了許多的標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)實踐心得：教育者通過輸入特定的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)編程，采用實體工業(yè)機器人的形式來開展教學(xué)實踐任務(wù)，注重學(xué)生的實際操作培訓(xùn)；也可以利用工業(yè)機器人開展虛擬現(xiàn)實技術(shù)來開展標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)，具備良好的教學(xué)安全性與可靠性。本文經(jīng)過多年的教學(xué)實踐摸索，認為若要開展基于MR 工業(yè)機器人的實踐教學(xué)，就一定要使信息化中的虛擬技術(shù)與工業(yè)機器人實體操作進行有機結(jié)合，這就使得學(xué)生無論在理論抑或是實操均可得到一定培養(yǎng)。因此，本文以當(dāng)前高校利用該技術(shù)應(yīng)用實踐教學(xué)的基本現(xiàn)狀為著眼點，將傳統(tǒng)與信息兩大教育模式有機結(jié)合起來，提出了虛實結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)化實踐教學(xué)模式，以期進一步拓展和延伸該技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)的深度與廣度。

1 高職院校工業(yè)機器人標(biāo)準(zhǔn)化實踐教學(xué)存在問題

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化實踐教學(xué)效率不高

工業(yè)機器人作為理論性與實踐性較強的一門課程，要想高質(zhì)量地向受教育者傳授相關(guān)知識，就離不開系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化理論學(xué)習(xí)與實際操作。而部分高職院校由于教學(xué)場地、實驗經(jīng)費等一系列問題，很難設(shè)置科學(xué)的場地與購買數(shù)量充足的實驗設(shè)備，這就使得標(biāo)準(zhǔn)化實驗教學(xué)條件受到很大限制。在工業(yè)機器人的課堂上，每一位受教育者的實際操作時間得不到有效保障，就難以熟練使用相應(yīng)的智能化設(shè)備，進而降低了標(biāo)準(zhǔn)化課程的實踐教學(xué)效率。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化課程拓展延伸不到位

工業(yè)機器人課程是一門綜合性極強的課程課程，其理論通常會涉及程序編寫、通信設(shè)置、軌跡規(guī)劃以及I/O 設(shè)定等諸多知識內(nèi)容，如果采用傳統(tǒng)的“填鴨式”進行標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)實踐，則勢必會導(dǎo)致各個知識點的授課時間十分緊湊，需要授課者和受教育者進行大量的前期知識儲備。而部分高等院校學(xué)生缺少課前知識準(zhǔn)備的習(xí)慣，這也就使得工業(yè)機器人這一課程的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)的拓展于延伸很不到位。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)化課程評價指標(biāo)單一

工業(yè)機器人課程中的考核評價指標(biāo)是授課者和受教育者最關(guān)注的要點之一。當(dāng)前對該門類課程的考核指標(biāo)多局限于理論試卷答題與試驗工具操作的期末考核成績。盡管授課者也會將日常的課堂考勤與表現(xiàn)納入期末考核中，但整體上仍然缺少對該門類課程的宏觀把控，不利于有效地激發(fā)受教育者的主觀學(xué)習(xí)能動性。

2 “傳統(tǒng)與虛擬”結(jié)合式標(biāo)準(zhǔn)化實踐教學(xué)模式的構(gòu)建

根據(jù)上述對工業(yè)機器人標(biāo)準(zhǔn)化實踐教學(xué)存在問題的系統(tǒng)剖析，并結(jié)合近年來對工業(yè)機器人課程標(biāo)準(zhǔn)化實踐教學(xué)的心得體會，提出了“傳統(tǒng)與虛擬”結(jié)合式的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)模式。即在工業(yè)機器人課程中的實踐操作部分中，將實操課堂進行線上線下、現(xiàn)實虛擬的科學(xué)分配，并結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂與PDCA 循環(huán)等教育理念，進而形成教師引導(dǎo)，學(xué)生為主的高質(zhì)量水平教學(xué)課堂，教學(xué)框架詳見圖1。

圖1 教學(xué)模式流程圖

2.1 PDCA 循環(huán)

（1）標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)準(zhǔn)備。作為PDCA 循環(huán)中的計劃階段，標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)準(zhǔn)備的主要工作包括：①標(biāo)準(zhǔn)化教案設(shè)計，經(jīng)過優(yōu)化完善的教案設(shè)計就是教學(xué)成功的一半；②標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)信息資源準(zhǔn)備，其中包含教學(xué)內(nèi)容的知識點講解、操作案例解讀、理論實踐測試以及延伸閱讀等；③構(gòu)建數(shù)字教學(xué)平臺，通常應(yīng)具備數(shù)字化的相關(guān)課程設(shè)計、建設(shè)、任務(wù)以及督查等功能模塊，為工業(yè)機器人提供現(xiàn)實虛擬實踐教學(xué)的全面開展提供信息化支撐。

（2）標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)實施。作為PDCA 循環(huán)中的執(zhí)行階段，主要是讓既定的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)目標(biāo)得以實現(xiàn)，本次將教學(xué)授課環(huán)節(jié)分為課前、課中、課后三個部分，教學(xué)課中由授課教師組織學(xué)生進行集中理論與實踐學(xué)習(xí)，課前、后則在授課教師引導(dǎo)下，指示學(xué)生積極開展線上自主學(xué)習(xí)作業(yè)，并在合理時間范疇內(nèi)進行疑難知識點解讀。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)評價。作為PDCA 循環(huán)中的檢查階段是評判其是否達成既定標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。本次擬依據(jù)構(gòu)建的具豐富教學(xué)應(yīng)用功能的數(shù)字信息平臺進行切實有效的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)評價活動，這里面既包含對學(xué)生的考核評價，又有對教師授課效果的考核評價?？茖W(xué)準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)考核評價有助于及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中存在的問題，對于提升實踐教學(xué)效果十分有益。

（4）標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)反思。作為PDCA循環(huán)中的收尾階段，對于標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)具有一定的調(diào)節(jié)反饋作用。該環(huán)節(jié)主要是對存在的問題進行系統(tǒng)整理與歸納，進而對標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)進行科學(xué)優(yōu)化和整合。然后進一步開展下一次的PDCA循環(huán)作業(yè)，已形成更高層次的標(biāo)準(zhǔn)化實踐教學(xué)PDCA循環(huán)。

2.2 翻轉(zhuǎn)課堂

（1）課前自學(xué)。授課教師在教學(xué)前完成教案設(shè)計，并將各類數(shù)字信息化教學(xué)資源上傳完畢，學(xué)生通過多功能教學(xué)信息化平臺自主開展線上學(xué)習(xí)，熟悉相關(guān)知識點與實操手冊，并進行工業(yè)機器人方針操作模擬實驗，對于后續(xù)實際操作注意事項具有感官認知。

（2）課中實操。課中授課教師利用實操案例視頻將學(xué)生進行情境導(dǎo)入，并通過學(xué)生線上學(xué)習(xí)情況，有針對性地開展疑點難點剖析解讀。再將學(xué)生進行試驗分組并展開設(shè)備實操試驗，由于在課前學(xué)生已經(jīng)進行了離線實操模擬，因此只需要將虛擬實操數(shù)據(jù)進行略微調(diào)整，即可導(dǎo)入實體設(shè)備中，極大地提升了實操編程效率。

（3）課后延伸。在完成既定理論知識與實際操作等既定標(biāo)準(zhǔn)化實操任務(wù)后，授課教師可以提升一定的實踐課程難度，以便激起學(xué)生的主觀學(xué)習(xí)能動性，進而利用工業(yè)機器人虛擬仿真程序進行延伸任務(wù)的完成，促進自身的知識技能得到進一步提升。

3 教學(xué)案例

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)準(zhǔn)備

本次標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)設(shè)計采用課前、課中、課后三個教學(xué)實踐環(huán)節(jié)進行授課，各環(huán)節(jié)任務(wù)詳情見圖2。線上應(yīng)用經(jīng)優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)超星平臺，并錄入各類型數(shù)字信息化教學(xué)平臺；線下選取與我校合作某電子股份有限公司旗下的工業(yè)機器人實驗平臺，并配備有離線試驗操作數(shù)據(jù)記錄功能模塊，以此來進行模擬與現(xiàn)實的實操仿真模擬任務(wù)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)各環(huán)節(jié)任務(wù)圖

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)實施

由于學(xué)生在課前已經(jīng)利用線上虛擬教學(xué)平臺進行了理論與實操預(yù)習(xí)，對于理論知識中的疑難點與實操中的注意事項均產(chǎn)生了一定認知，因此，在課程實施過程中學(xué)生的學(xué)習(xí)效率將會極大提升，工業(yè)機器人的實操完成度將會有較高標(biāo)準(zhǔn)，在課后也會完成相應(yīng)的延伸訓(xùn)練模擬實操任務(wù)，充分實現(xiàn)了線上與線下、現(xiàn)實與虛擬間的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)體系相互補充與結(jié)合。

（1）線上仿真。學(xué)生需要自行在標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺上下載工業(yè)機器人虛擬操作相關(guān)文件，并使用特定軟件進行線上仿真模擬試驗操作。具體仿真實操模擬步驟如下：構(gòu)建工業(yè)機器人分揀程序、設(shè)計分揀調(diào)控設(shè)計方案、規(guī)劃分揀線路軌跡、設(shè)定關(guān)鍵節(jié)點、編寫離線操作仿真程序、觀察仿真實操模擬結(jié)果。

（2）線下試驗。在線下進行標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)實驗時，可以將學(xué)生進行仿真模擬操作后的離線程序?qū)牍I(yè)機器人實體設(shè)備中，而后根據(jù)教學(xué)既定要求積極開展試驗，具體實驗步驟如下：創(chuàng)建工作底板分揀坐標(biāo)節(jié)點、設(shè)置固定通訊信號、規(guī)劃分揀線路軌跡以及分揀點放置程序等，進而形成完整的工業(yè)機器人分揀流程，詳見圖3。實驗教學(xué)完畢后，授課教師可以依據(jù)學(xué)生不同的實操完成情況，設(shè)置不同的模擬仿真操作任務(wù)。

圖3 工業(yè)機器人分揀流程圖

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)評價

本次采取理論考試、現(xiàn)實實操以及調(diào)查問卷的形式對授課教師、上課學(xué)生進行標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)實踐考核評價，在對學(xué)生的評價中涉及線上（仿真實驗、理論考試）、線下（考勤、活躍度）等諸多方面的綜合考量，而對教師的考核評價則主要通過調(diào)查問卷的形式，對其教案設(shè)計、傳授內(nèi)容等方面進行客觀評判。除此以外，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原則對各類評定指標(biāo)進行合理的權(quán)重評定，以此成為改進標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)質(zhì)量的重要客觀依據(jù)。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)反思

本次采用“傳統(tǒng)與虛擬”結(jié)合式標(biāo)準(zhǔn)化實踐教學(xué)模式應(yīng)用于我校智能制造專業(yè)某班，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，課堂的教學(xué)試驗完成度有了顯著的提升。根據(jù)后續(xù)調(diào)查統(tǒng)計，應(yīng)用創(chuàng)新標(biāo)準(zhǔn)化試驗的班級學(xué)生實體完成率高達92.3%，而采用傳統(tǒng)教學(xué)的實體完成率僅為60.8%，詳見表1。統(tǒng)計數(shù)據(jù)說明，創(chuàng)新標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)模式充分激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性，初步形成了我想學(xué)習(xí)、我愛學(xué)習(xí)的良好學(xué)習(xí)氛圍。

表1 實驗任務(wù)完成度對比

3.5 標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)效果

筆者經(jīng)過一學(xué)期的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)實踐，我校智能制造專業(yè)學(xué)生對工業(yè)機器人編程與應(yīng)用這門專業(yè)教學(xué)課程的認可度達到90%以上，學(xué)生理論水平與實體操作達成度均提升較高，上述存在的教學(xué)問題也得到了一定程度的優(yōu)化與改善。教學(xué)團隊在“傳統(tǒng)與虛擬”結(jié)合式標(biāo)準(zhǔn)化實踐教學(xué)模式的不斷探索中，其標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)能力也得到了顯著提升。

4 結(jié)語

基于MR（混合現(xiàn)實）工業(yè)機器人標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)模式的構(gòu)建，是結(jié)合了翻轉(zhuǎn)課堂方式與PDCA 循環(huán)原則，以現(xiàn)實手段與虛擬技術(shù)相融合的前提下，進行的教師引導(dǎo)、學(xué)生主學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)實踐體系，不但突破了傳統(tǒng)教學(xué)中的時空限制，而且有效地解決了學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性不高、實體操作條件不足等諸多難題，對未來的創(chuàng)新模式標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)具有一定的理論與實踐借鑒意義。