基于翻转课堂和虚拟仿真的工业机器人教学设计与实践

周广宏　胡俊平

[摘要]工业机器人教学过程中最困难的莫过于操作，鉴于实际资源的有限性和独占性，提出借助于虚拟仿真平台，既可以提供接近真实的实践操作环境，又拓展了工业机器人的应用。应用翻转课堂和虚拟仿真，对工业机器人课程进行了教学设计和实践，学生取得了相应的知识理解和动手操作能力。

[关键词翻转课堂;虚拟仿真;工业机器人

[中图分类号]G712                    [文献标志码]  A                [文章编号]  2096-0603（2018）34-0048-02

一、引言

随着社会经济和现代技术的发展，工业机器人被“中国制造2025”列为十大重点发展领域之一，高职院校不仅开设了工业机器人专业，而且在制造类相关专业中也开设了工业机器人技术相关课程。根据高职院校的办学理念，课程内容侧重实践和应用，注重理论和实践结合[1]。本文根据我校“工业机器人技术及应用”课程具体情况及外校“工业机器人技术”课程教学现状，利用翻转课堂和虚拟仿真等手段进行了该课程的教学实践和探索[2-4]。

二、理虚实一体化的必要性

（一）工业机器人课程特点

本课程涵盖了机械、传感、控制、通信、系统等技术，通过本课程的学习，学生能够掌握工业机器人的构成、运动学、驱动方法，基本掌握工业机器人中涉及的传感器应用技术，熟悉工业机器人控制功能的基本要求，能够进行简单的机器人编程，具备维护工业机器人的初步能力等，为今后从事工业机器人的应用打下一些基础。

作为本课程教学载体的工业机器人具有：（1）价格非常昂贵;

（2）拆装维护难度高;（3）操作的安全性要求高;（4）在线学习利用率不高等特点。

（二）VisualOne虚拟仿真平台

常见的工业机器人仿真软件有RobotStudio、RobotWorks、Robotmaster等，能够支持工业机器人离线编程等操作，但大部分软件只支持制造商自己的工业机器人，比如RobotStudio仿真软件是ABB工业机器人的配套产品。[5]

而VisualOne虚拟仿真平台是一种全方位工业智能制造虚拟仿真系统，能够将工业机器人、电气及周边设备进行三维虚拟仿真，便于生成丰富的贴近现实案例的教学资源。能够提供ABB、KUKA、FANUC、Yaskawa等34个机器人品牌1200多组工业机器人虚拟仿真组件，在教学实施过程中，教师可以布置多样化的工业机器人应用案例，引导学生在课后进行所学知识的迁移和巩固。比如，在工业机器人路径规划编程操作方面，可以通过选择路径或者直接生成路径降，简化路径规划编程实现。

（三）理虚实一体化

目前，基于学校在工业机器人实训资源不充足的现实情况下，为了满足工业机器人教学内容侧重实践和应用，提出利用仿真平台训练学生，以便掌握工业机器人技术。在仿真平台上进行学习和离线编程，实现资源共享和降低学习难度。

三、教学设计与实践

本文以我校开设的工业机器人技术及应用课程为例，围绕“工业机器人的机械结构”进行教学设计并实践。

（一）设计理念

1.在工业机器人技术及应用课程内容的框架安排上，采用“情境+任务”的模式，以工业机器人技术为主线，以工业机器人应用案例为教学载体，将课程内容分成六个单元，每一单元分为若干学习情境，每个学习情境由若干典型任务组成。

2.以任务为引领，增强学生学习的兴趣和主动性。

（1）任务明确：通过VisualOne仿真平台，实现工业机器人设备仿真、单关节运动以及运动学仿真。

（2）激发兴趣：在技术手段方面，以超星泛雅平台为教学资源，采用动画、视频等多媒体形式，以VisualOne仿真软件进行模拟操作，增强学习兴趣。

（3）过程监督：以过程和成果考核为约束，提高学生学习的主动性和持续性。要求学生课前登录网络教学平台，预习相关内容;运行VisualOne仿真平台，准备好相应工业机器人设备仿真。

3.理虚实一体化，通过“做中学”“学中做”实施理虚实一体教学，使学生在“做”中发现问题、解决问题，提高学生问题处理和实践动手能力。

（二）学习情境

电气类高职本、专科各专业毕业生的就业主要岗位为自动化

设备安装、系统调试与维护、自动化设备工艺实施、小型自动化系统集成等;通過开展行业、企业岗位调研及毕业生调研、同行专家座谈等方式，经过排序、归纳后，确定了毕业生的5大培养目标和13项毕业要求，“自动化生产设备的安装、调试、运行、维护”是一项核心毕业要求，其中涵盖了“工业机器人技术及应用”这一重要指标点。工业机器人是典型的自动化生产设备，广泛用于装配、搬运、堆垛、喷涂、焊接等领域。我们根据工业机器人技术的内容，结合其应用的工业案例和仿真平台，如图1所示，将课程内容分为六个单元，每一单元又分为若干情境，每个情境中又分若干任务，以任务驱动方式开展，要求学生掌握工业机器人的机构、感知、驱动、控制、编程以及应用，根据任务要求在仿真平台上开发工业机器人技术的验证和应用，所见即所得，直观且实时获得反馈。

（三）教学方法

1.任务驱动教学法

课前，教师以任务工单的形式布置探究性学习任务，学生通过查阅网络教学平台的资料，对知识体系进行整理、对知识要点进行学习，在完成任务要求的同时，提升了提出问题、分析问题、解决问题的能力，培养了学生独立思考及自主探究的能力。

2.参与式教学法

以学生为中心，通过课前预习任务，用预习报告讲解演示、课堂讨论、小组汇报等方式，激发学生的学习兴趣;课程中，采用组内、组间互评，鼓励学生积极参与教学过程，培养学生团队协作和解决问题的能力。

3.探究教学法

在教师引导下，学生主动探究如何进行验证方案设计等，培养学生不断优化、精益求精的工匠意识和学无止境的探究精神。

（四）教学设计流程

本教学设计分为课前准备、课中实施、课后巩固三部分。

1.课前准备

教师通过超星泛雅平台推送课前任务单，要求学生通过超星泛雅平台，学习工业机器人的机械结构知识，仔细分析任务工单，以小组为单位进行工业机器人在Visual One仿真平台上的构建，提交预习报告。

2.课中实施

通过情境导入，使学生了解本次需完成的任务，即工业机器人机械结构的学习及仿真操作。如图2所示，第一环节：任务引入。通过“情境导入—小组汇报”等步骤引入任务。第二环节：破难解疑。通过“问题反馈—问题讲解”等步骤，破解任务中工业机器人机械结构的难点和疑点。第三环节：仿真操作。学生在VisualOne仿真平台上进一步完善工业机器人设备仿真，并通过简单示教实现工业机器人的运动学问题验证。依次进行“小组讨论—任务确认—仿真操作—巡回指导—仿真验证”等步骤，通过仿真平台虚拟物化学习成果，提高学生的获得感。第四环节：总结评价。通过组内互评、教师讲评和组间互评全面总结学生的知识掌握情况。依次进行“上传视频—组内互评—教师讲评—组间互评—教师点评”等步骤，多元评价学生表现。

3.课后巩固

通过仿真操作视频和验证方案，总结反思任务得失;布置课程拓展任务及下个任务的预习要求。

（五）教学实施

1.任务引入

梳理课程知识结构，引入本单元知识：工业机器人的机械结构。

2.破难解疑

老师总结本单元重点、难点知识，进一步解释学生预习过程中高频出现的知识问题。

3.主要内容

（1）借助Visual One仿真平台，讲解ABB IRB 2600工业机器人系统的基本组成;（2）讨论自由度及其选择、工作空间、承载能力和重复定位精度等主要技术参数;（3）借助工业机器人应用视频——全自动无损探伤机器人应用系统方案，讲解并验证正运动学问题及逆运动学问题。

4.仿真操作

三人一组，各自分工在VisualOne仿真平台上完成ABB IRB 2600工业机器人设备仿真以及运动学问题的仿真操作验证。

5.总结评价

教师组织组内互评、教师讲评、组间互评、教师点评，并总结本节课的任务完成情况。根据课前任务20%，课上表现30%，课堂任務30%;课后作业20%比重评分。

（六）教学反思

遵循使用翻转课堂理念，以学生为主进行教学设计;实施中采用混合式教学方式，激励为主，多元评价、仿真平台虚拟物化成果，可以有效地提升学生的学习兴趣和课堂教学质量;通过小组协作、教学做一体，可以提高学生的团结协作意识;在验证方案设计等环节反复强调标准意识，提高学生的职业素质。

四、结论

本文从工业机器人课程的特点及高职院校的办学理念出发，利用翻转课堂和VisualOne虚拟仿真软件等手段，按“理虚实一体化”教学模式，论述了该课程的教学设计和实践。既克服了实训资源紧张的问题，提高了工业机器人资源利用率，也提升了学生的学习兴趣和学习过程中虚拟设备的作用，增强了学生应用工业机器人的能力。

参考文献：

[1]杨嶶，叶辉，胡威.仿真教学应用在工业机器人技术课程教学中的必要性[J].科技视界，2014（32）：18，36.

[2]李佳玉，彭见辉.基于“理虚实一体化”的“工业机器人技术”课程改革[J].新课程研究，2014（32）：18-19.

[3]张金磊，王颖，张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志，2012（4）：46-51.

[4]曹鲁辉.信息化技术在提高机器人专业教学有效性中的应用[J].职业，2018（4）：126-127.

[5]姚刚.仿真技术在高职工业机器人专业教学中的应用[J].时代农机，2017（9）：172-175.

◎编辑 马燕萍