基于虚拟仿真技术的工业机器人课程“三教改革”研究

丁海涛

（集美工业学校 先进制造产业系，福建 厦门 361022）

工业机器人专业是“中国制造2025”及国家制造强国战略的重要支撑专业，同时又是一个新兴专业，目前很多国内中职、高职及本科院校都开设了该专业，少数开设较早的专业已经有了毕业生。职业学校的工业机器人专业培养的是工业机器人及周边设备的日常操作、维护、安装、调试的技能型人才，而中职学校则更注重对学生实际操作和编程能力的培养。由于传统工业机器人课堂教学培养的部分学生连机器人基本编程操作也难以完成，极大影响了社会对学生专业知识技能的认可度，因此引入新技术对工业机器人课程进行教学改革是解决问题的有效手段之一［1］。

一、现阶段工业机器人课程教学存在的问题

（一）购买实训设备及定期升级需要较高的费用

工业机器人课程实践性强的特点决定了该课程无法仅在教室授课，需要使用工业机器人设备辅助教学，但是工业机器人设备价格高昂，以学校的财力无法大量采购，从而导致上课时无法“人手一台”，限制了教学效果，同时由于科技发展迅速，学校无法及时更新设备。而采用虚拟仿真技术进行机器人教学，只需要简单的电脑及软件安装就可以实现机器人专业教学，并且根据行业的发展可以及时进行软件及教学资源的更新。

（二）危险工况无法教学

在真实设备操作中，为了学生的安全并从设备的安全性、经济性考虑，不允许学生进行危险工况的模拟操作。如此一来，学生无法体会危险工况的危害，印象也不够深入，而通过虚拟仿真技术进行危险工况的模拟，让学生能够真正了解危险工况的危害，可有效提高学生的安全操作意识及操作规范，进而提高学生的职业能力。

（三）学生的不规范操作易对设备造成损害

通过虚拟仿真教学平台的应用，学生可以在虚拟仿真平台上学习规范的任务流程、生产工艺及设备操作方法，避免了由于学生的不规范操作对工业机器人造成的损害，从而引领学生养成标准化操作的良好习惯。

（四）固定的实训设备无法适配不同的企业及不同的生产任务

由于机器人是为不同企业生产提供自动化，这一行业特殊性导致机器人所面临的生产环境千变万化，借助虚拟仿真平台，可以开发适配不同企业及不同生产任务的设备软件。

鉴于此，有必要使用工业机器人虚拟仿真技术对工业机器人课程进行辅助教学，而传统的教法、教材、教师在新的技术下又显得格格不入，因此亟须进行“三教改革”研究，从而达到高效课堂。

二、教法改革

咸阳职业技术学院的孙守勇对工业机器人课程进行了现状分析，同时对RobotStudio软件进行了分析，研究了其在教学中的应用形式，总结了该软件对技能大赛的促进作用，以及在教学中要融入课程思政的教学思想［2］。其提出的在机器人教学中融入课程思政概念值得我们学习。天津市机电工艺学院的赵卿对虚拟仿真技术的现状、发展及优点进行了分析，同时针对机器人虚拟仿真教学提出了初步设想，对教学方法提出了改进建议［3］。其对虚拟仿真教学流程进行了初步尝试，取得了一定的教学效果，值得我们借鉴学习。广西科技大学的苏宇进行了工业机器人课程的移动学习研究，提出了通过建立课程教学资源进行移动学习的研究，让学生以自主学习为主，同时教学资源要注意采用任务驱动教学法［4］。其提出的虚实结合、任务驱动教学的改革及设置的任务具有趣味性、引导性，值得我们借鉴学习。江苏省淮阴商业学校的夏中坚首先分析了虚拟仿真技术在实际教学中的作用与优点，接着分析了RobotStudio仿真软件在实际教学中的应用，最后提出了虚拟仿真技术在使用过程中存在的问题，指出要虚实结合，以点带面［5］。

在我校前期教学总结及相关文献启发下，笔者总结的机器人虚拟仿真教学的教学流程如图1所示。布置具有趣味性、实际性的任务，并明确任务；根据任务进行规划，从而确定工作计划、进度表；使用SolidWorks和RobotStudio等专业机器人软件进行创建组件，选择合适的工业机器人，搭建虚拟仿真环境；配置I/O信号，组件间进行连接；根据工艺要求进行工业机器人编程；调试、仿真；虚实结合，在实操平台上进行验证操作，如不成功则重新进行连接、编程。

在教学过程中，有几点需要注意：第一，为了保持学生的学习积极性，所布置的任务应具有一定的趣味性，例如在教授机器人基本运动轨迹时，可布置“机器人写字任务”等。第二，学校不仅是传授知识的场所，更是学生世界观、人生观和价值观塑造的重要一站，学生大部分时间是在校园中度过的，学生三观的形成受学校教育的影响较大。一门好的课程，应该包括对学生的思想政治教育。因此，有必要在教学过程中融入思政元素，比如在机器人操作中加入安全点，可有效培养学生的安全意识；突出标定工具坐标系精度对比这一知识点对应的精益求精元素，在教学中应有意无意地培养学生的职业能力。第三，单纯的虚拟仿真教学容易造成学生纸上谈兵，故应虚实结合，通过实际操作反向验证虚拟仿真，使得虚拟仿真教学效果得到进一步升华。第四，单一、分散知识点的教学效果较差，应设计较综合的任务，由易到难，通过一个任务的解决，将几个知识点串联起来，从而实现以点带面的教学效果。第五，现代社会随着信息技术的发展，移动式、碎片式学习越来越常见，通过在虚拟仿真平台设置几级权限，如管理员权限、教师权限、学生权限、访客权限等，每一级所能观看和学习的知识不同，这样能够保证学生在课外也能进行学习。

三、教材改革

泸州职业技术学院的熊隽首先分析了为什么要在机器人仿真教学中选用活页教材，接着进行了活页教材的制作，每个工作任务为一个工作任务单，包括任务布置、课前导学、工作计划制订、实施过程记录与思考、检查内容及记录、评价内容及记录、课后思考与创新等。然后利用Solid-Works和RobotStudio 软件进行虚拟仿真系统建设，最后以其中一个工作任务为例，进行了实际教学应用［6］。

传统教材已经不适合虚拟仿真技术下的教学，虚拟仿真下的教材应是碎片式、活页式，学生可以灵活决定教材中知识的先后顺序，然后建构出自己的知识体系，因此采用新型活页式教材更有利于学生对教材知识的理解和掌握。

工业机器人虚拟仿真课程新型活页式教材目录如表1所示，将工业机器人编程与操作课程划分为四个学习领域，学习领域一：工业机器人部件结构模块；学习领域二：工业机器人基本虚拟仿真项目；学习领域三：典型应用虚拟仿真项目；学习领域四：工业机器人创新设计模块。其中每个学习领域，又主要分为导言（针对某一学习领域）和多个学习情境（将一个学习领域根据需要分为几个学习情境）。

表1 教材目录

导言主要是对某一学习领域的引入概括，主要包括课程（学习领域的性质）、典型学习内容描述、学习目标、学习组织形式与方法、学习情境的设计（学习情境一、学习情境二、学习情境三……）、学业评价（针对该学习领域进行评价）。针对学习情境设计教学任务，某一学习情境的结构如表2所示，学习情境一分为任务书、获取的咨询、工作计划制订、实施过程记录与思考、评价内容及记录、课后思考与创新、学习情境相关知识。以工具坐标系的应用为例，设置螺旋塔挑战赛学习情境。

四、教师改革

由于教师是教学改革的实施主体，因此基于虚拟仿真背景下的工业机器人课程改革，需要教师进行适当的转变。

（一）教师自我转变

1.教学理念转变。传统的教学中，都是教师讲、学生听的“填鸭式”教学方式，但基于虚拟仿真技术的机器人教学，继续采用此种教学方式会扼杀学生的学习兴趣，而且培养不出能进行机器人编程与操作的学生。这门课程应更加强调学生的学，因此教师要从课堂的教学者转变为学生学习的引导者。

表2 学习情境一

2.产教融合，校企合作。由于虚拟仿真技术更容易实现教学任务与行业企业的一致，因此，相关教师可与企业进行合作，及时了解行业实时动态，进行教学任务及教学资源的开发，在日常教学中，根据企业岗位，对学生进行分工，让学生合作完成任务，从而使学生在校就能提前体验到实际工作，从而提高学生的职业能力。

（二）教师培养

基于虚拟仿真技术的教学改革不仅是要对教师提出要求，同时还要对教师进行培养。

1.虚拟仿真专业知识技能培养，机器人虚拟仿真技术主要包括SolidWorks建模及RobotStudio等专业机器人软件的使用，在进行虚拟仿真教学改革前，各教师应熟练掌握软件的使用及工业机器人基础知识，因此有必要提高教师的工业机器人专业知识技能，进而提高教学效果。

2.虚拟仿真教学理论。传统教学是按照教材进行教学，一个接一个章节的教学，这些章节组合成了编者设定好的知识体系。而采用信息技术手段的虚拟仿真教学，由于学生对未知的好奇及兴趣点不同等因素，学生不一定会按照传统教学的顺序从前往后进行学习，往往先挑自己感兴趣的内容进行学习，这样学生的知识不再体系化，基于此，教师要具有新的教育理念及方式。

（三）打造教学团队

进行教学改革，不是一个教师能完成的，而是需要一个教学团队，因此打造基于工业机器人虚拟仿真技术的教师团队尤为必要。

1.合格的团队必须有共同的目标。对于基于工业机器人虚拟仿真教改团队来说，就是建立与企业实时衔接的教育资源和基于新建构主义理论的“理虚实”教学模式，使得工业机器人专业成为闽南区域范围内学术交流、专业学习、行业认可的团队。

2.合适的人员。在组成团队时，人员的选择非常重要，团队要找的是脚踏实地、实事求是的成员，同时在组建团队时，要取长补短，团队成员要具备丰富的科研与教学经验、熟悉项目开发与管理、丰富的机器人理论与实践经验、较高的三维建模设计水平、较高的教改水平、与企业联系紧密、参加过机器人企业项目的开发等要求中的一项或多项特质。

3.责任明确。在团队中，每个成员的作用是不同的，具体的分工也不会完全相同，这就需要每个成员都明确自己的责任，进行分工合作，提高工作效率，而且必须有主要负责人。

4.奖励大于惩罚。每个成员对团队的贡献是不同的，我们不能一概而论，对于成绩非常突出的成员一定要大力奖励，这种奖励在某种意义上具有促进作用，可以让成员之间互相竞争，当然一定要是良性竞争，杜绝恶性竞争。对于成绩平平或有一些过失的成员，要以引导为主，而非惩罚。

5.团队文化。好的团队，一定要有好的团队组织及氛围，好的团队文化，能使得团队劲往一处使，从而大大提高团队的战斗力，同时好的团队文化也能使团队成员保持一个高昂的战斗状态。

6.名师引领。俗话说蛇无头不行，好的教学团队需有名师引领，在团队遇到问题时，需要名师或领头人进行抉择、进行掌舵。

结语

虽然笔者在学校前期工业机器人课程教学及文献调研的基础上，对工业机器人课程进行了“三教改革”，但同时也暴露出一些问题，还需要在实践中不断修正，以期更适合于基于虚拟仿真技术的工业机器人专业课程课堂教学，从而达到高效课堂的目的。