应用型本科高校工业机械臂虚拟仿真教学实践研究

刘奎立，张广磊，刘思邦，王 涛

(周口师范学院 物理与电信工程学院，河南 周口 466000)

工业机器人自动化生产线已成为自动化设备的主流和未来发展方向，并已在国内外许多领域得到广泛应用.虚拟机器人模拟生产线中的各种因素和生产过程，可以有效降低生产成本和安全风险.通过模仿和分析，可以预测生产中的各种事件，按时缩短流程，完成复杂的生产任务并将自动化生产线转变为智能生产线.为了满足技能教学的需求，许多高校都开设了工业机器人课程，但工业机器人价格昂贵，教学设备的维护成本高，数量难以满足教学需求[1].随着虚拟仿真教学的引入，合理分配教学资源成为现实，可以确保学生有足够的时间进行练习，同时减少教学过程中的安全隐患.因此，在工业机器人的教学中特别需要使用虚拟仿真技术.

1 工业机械臂虚拟仿真实践教学

虚拟仿真实践教学使用诸如虚拟技术、互联网技术和人机通信之类的信息技术来集成到传统的实践教学方法中.它具有漫游、演示、交互等功能，是对传统机械的教学方法优化和改进.将虚拟仿真技术结合到工业机械臂的实践教学中，在虚拟环境中对操作过程和场景进行“真实”的重构，使学生能够“沉浸”在真实的模仿系统中，并将其真正地集成到真实的工业机器的生产中[2].将虚拟仿真纳入实践教学中，突破传统练习时间和空间的界限，可以在课堂内外随时随地在线和离线进行虚拟仿真教学.在任何地方进行练习，学生可以根据实际需求和自己的知识重复并自然地安排学习时间，这增加了课程教学的广度和深度，节省了实践成本，并且工业机器臂虚拟教学不需要考虑购买数量众多的机器人设备，只需要购买相应的虚拟模拟器软件和计算机，软件升级的迭代成本很小[3-5]，教学效率高.虚拟仿真工业机械臂真正再现了从设计到应用的真实工艺机械臂的全过程，学生可以使用虚拟仿真软件界面检查并运行不同的过程，不断调整参数，从而对工业仿真实现不同的设计和修改效果.

2 教学“金课”改革背景下工业机械臂虚拟仿真教学实践的建设

2.1 教学内容

2.1.1 科学设计教学内容

在设计教学内容之前，要对学生的学习需求进行研究和分析，获得该学科的基础知识，了解学生学习的薄弱环节.使用虚拟仿真软件，设计符合课程特点和教学目标的教学内容，在内容上注重理论教学，并根据学生的薄弱环节讲授基础知识，逐步遵循内容的改进、工件设计工具、硬件工作站设备、路线计划算法的实现和优化等[6].实验教学内容包括：基础实验(硬件基础知识、软件基础知识)、设计实验(工作站的构建、轨道规划和优化)、综合实验(实际仿真和定位、工程实践案例)和其他实际案例.在课堂教学材料中增加非教学性的教学材料，例如：工业机器人技术的各种科研项目竞赛、创新创业竞赛等，结合学生团队和指导老师，鼓励学生参与.学校联系学生去相关公司实习，以便学生了解当前工业机器人的发展趋势和技术[7].

2.1.2 建立教学资源库

作为一门效率高、工程学高的学科，有必要增加学习知识的广度和深度，使用的虚拟仿真软件可以根据需要，设计和指导不同类型的机械臂、工具、工件和外围设备，并支持学生上传和共享自己的设计数据[8].建立丰富的资源集合的方法有三种：一种是鼓励师生独立设计手臂机器人，工件、工具、外围设备和教学资源，并参与共享和上传;二是与其他大学建立联系，共享机器人学习资源的虚拟模拟器;三是与相关用人单位建立紧密联系，实现案例共享资源.

2.2 教学方法

2.2.1 线上教学

(1)首先，通过对工业机械臂的理论知识、规划过程和设计过程以及工业机械臂工作场所的教学案例，使学生可以对工业机械臂技术的基本理论、工作方法有清晰的认识，了解技能和计划流程.

(2)模拟教学使用的仿真系统执行模拟仿真操作.包括四个步骤：场景设计、轨道设计、模拟仿真和实际操作.这些步骤是渐进且紧密相关的，学生可以熟练掌握工作站的构造和分析，以解决课程计划和优化问题.

(3)实际验证操作轨道规划设计完成后，通过仿真软件生成相应的程序代码，并将生成的程序代码传输到实际的机械臂中进行确认和分析,解决实际路线规划中的各种问题.

(4)作业提交.学生在进行实际操作时，除了查看操作的结果和现场的数据外，学生还可以通过虚拟仿真软件提交作业.教师可以登录，随时随地访问软件系统，并审查学生提交的作业，提出适当的意见和建议[9].同时，学生可以随时随地登录系统以查看教师的评论，根据评论查找问题，然后使用虚拟仿真软件解决问题.重复此步骤以提高学生发现、诊断和解决问题的能力.

2.2.2 线下教学

教师在线下教学过程中采用启发式教学法和以问题为导向的教学设计.解释重点和难点的知识时考虑学生的独立思维，形成发现问题、诊断问题、讨论和给予反馈的过程，教师的指导形成封闭的过程.老师根据自己对当前问题的理解为学生开设课程，供他们查看和交流，并且教师可在线响应.同时，设置一些思考性问题，使学生可以找到信息和答案，以便学生通过查找参考资料发现存在的问题并解决问题.教师将实践材料结合起来，形成独特的综合讨论式教学方法，将新知识逐步融入实际的工程案例中，并培养学生的综合实践技能.

2.3 教学考核

在教学过程中，建立机械臂虚拟仿真课程库，使用虚拟仿真的教程视频、机械臂的设计技巧、机械臂虚拟仿真方法等;其次，通过实践操作，讨论问题，收集反馈意见，修改调整策略，实现金课的动态教学;再次，工业机械臂虚拟仿真金课的考核采取过程性考核，每一次仿真实践都是一次考核，课程总成绩就是过程性考核的平均成绩，具体形式可以采用多种组合，包括虚拟仿真结果、机械臂设计结果、研究报告、现场仿真结果、实践(实验)报告、在线教学过程记录等.学生的综合评价，也是过程性评价的综合.学生能力的评价是各因素的综合评估.

(1)平时成绩占60%，形式有实训操作和实训报告，其中实训操作50%，实训报告50%，以百分制计.实训预习：该项为做实训的必备部分，无预习报告者不准参加本次实训，由实训指导教师在实训前进行检查.实训过程：该项占50%，由实训指导教师在实训结束时打分，以百分制计，学生在规定时间未完成实训，该实训应重做.实训报告：该项占50%，由任课教师批改实训报告时打分，以百分制计.全面评价实训报告、包括测量结果、理论计算、误差分析、结论、思考与建议等.

(2)考试成绩占40%，形式有设计、连线、测试、验证、分析.对学生掌握的实训操作技能、分析问题能力、初步的系统设计能力等实训基本技能进行实训测试，考题内容包含实训依据的原理、实训测试方法、常规仪器的使用、实训技能等方面.

2.4 教学评价

2.4.1 典型等级评价.实验预告、实验过程和实验报告.在预告中，评估学生对理论知识的掌握程度.在实验过程中，将评估学生的实践能力以及发现和解决问题的能力.团队需要共同努力以实现目标，在协作期间，根据团队的协作能力和实践创新能力对学生进行评估.实验报告中的内容是对实践内容的全面评估，包括结果、理论计算、错误分析、结论、思想和建议等，评估学生的概括和写作能力.

2.4.2 测试评价.测试方法使用随机的实际问题进行评估.评估涵盖所有工作，包括：实际准备、实际操作、现实结果、展示和评估以及设备放置五个部分.学生以报告的形式总结他们的实践技能，教师组织学生讨论和交流，互相评价，并从教师那里获得反馈.

3 结语

工业机械臂虚拟仿真教学金课的实施，一方面培养学生发现、思考和解决问题的能力；另一方面，发展学生的创新思维能力和提高实践技能.培养具有独立动手实践操作能力和综合素养是高等教育的重要目标,所以实践课程应得到更大的重视和投入,将工业机械臂虚拟仿真实践课程提升到与理论课程同等重要的位置上，合理安排实践和理论课时.