工业机器人可视化创新教学模式探索与实践

浦建峰

（嘉兴技师学院，浙江 嘉兴 314036）

0 引言

工业机器人专业在中等职业院校开设以来，经过近些年教学实践经验的累计，已经初步达到了特有的教学模式。工业机器人技术在生产企业的应用中，以机器人机械维保和机器人编程示教为主，相较于其他机电类技术，工业机器人技术的学习难度较大，专业性较强，若缺乏良好的教学模式引导、教学过程监控和完善的教学评价体系，则无法达到最佳的教学效果。本校在开展工业机器人专业的实训教学的数年里，通过不断创新，始终在丰富工业机器人教学手段方面悉心探索，总结了一套工业机器人可视化创新教学模式，并采取教学试点实践，得到了良好的效果。

1 传统工业机器人实训教学概述

工业机器人技术的课程具有专业性强、难度大、新颖性强等特点，在刚开设机器人专业时，教学设备、师资力量和教学手段均较为欠缺，很多学校是在“摸着石头过河”以及与兄弟院校交流中不断探索，经过几年的实践与经验积累，逐步形成了一套较为完整的工业机器人应用人才的培养体系。但是即便如此，工业机器人技术的革新速度始终领先教学改革速度，因此，对于工业机器人的教学改革没有“终点”。

传统的工业机器人专业课教学，主要分为理论课程与实训课程独立、理实一体化教学这两种形式，并且这两种教学手段各有利弊，但无论如何，对于工业机器人的实物操作教学是绕不开的难题，很多学校陷入“设备少、学员多、课时分配不均”的困境[1]。在此背景下，教师在实训课的授课过程中，一般是先进行集中讲解，然后集体操作训练，而这种操作模式，教师无法监控每一位学生操作的全过程，只能通过巡回指导的方式片面了解学生操作动作[2]。这种情况极易发生学生操作事故或者没能及时纠正学生操作过程的错误和隐患，导致教学未达到预期效果。

为了解决这一问题，我校曾采用教师配课的方式进行教学，即由1 名主讲教师授课，然后再由1 名或2 名教师辅助教学，在实操的过程中，3 名教师分组教学和观察学生操作，这样可以保证学生操作过程的70%以上均有教师参与监督与指导。在新专业的实训教学中，尤其是工业机器人这种具有一定风险性操控的实操过程中，教师能够100%全程关注学生的操作，一方面可有效提高学生学习效率，另一方面可有效管控操作过程中的风险隐患。

但这种教学方式对师资要求较大，不仅需要2-3倍的教师数量，还需要配课教师也具有很扎实的工业机器人知识，众所周知，目前从事工业机器人教学的教师需求量更大，短期内很多学校无法解决师资的缺口，故这种改革方式的尝试虽然解决了短期的授课指导过程，但无法满足长期人才培养的需求[3]。总之，在工业机器人实训教学模式的改革中，还需进一步优化教学模式，提高教学效果。

2 “可视化”创新教学的概述

为解决传统工业机器人实训课操作环节中教师数量不足和教师精力不够的问题，着眼于“教师无法100%全程关注学生操作”的关键点，本校经过全面调研和慎重研讨，开创了一种“可视化”创新教学模式。这种将实训过程全程可视化的创新教学模式，必须有较为成熟的硬件支持，即对现有工业机器人实训教学区域进行升级和改造，以达到改革的目的。

“可视化”是指在教学过程中，采用高清实时摄像头监控设备，对实训的操作区域“无死角”监控，并将实时画面展示在公共区域。这种可视化有3 种含义，分别是“演示可视化”“即时可视化”“全过程可视化”。

“演示可视化”是教师在学生操作之前进行的设备演示操作。在以往的授课过程中，学生一般是围绕在教师周边观看教师演示，由于设备空间有限，导致部分学生无法完整观看到教学中的每一处细节，降低了教师演示的效果。采用了“演示可视化”的教学手段，学生不仅可以在教师周边观看操作过程，还能配合电视屏幕上的监控视频，多角度观摩教师操作过程，避免遗漏操作细节。这种“演示可视化”实际上是实时教学过程对操作现场观察手段的补充，是提高教学效率的有效手段之一。

“即时可视化”是学生在操作工业机器人设备的过程中，教师可以通过多屏方式观看学生的操作过程，及时掌握学生操作的方式。这种操作过程可以大大提高教师对学生实操过程的观察率，特别是在即将出现操作隐患时，教师可以及时发出制止指令，保护学生安全的同时还可以保护实训设备，提高了教学效率和对教学设备的保护。

“全过程可视化”是指教师和学生操作的过程中，不仅仅可以在电视屏幕中展示教师或学生的实时操作过程，还能将整个画面录制并保存，方便教师和学生课后下载回顾，可作为教学评价视频、教学素材视频或是师生留作纪念。这种回放的可视化解决了传统机器人操作出现问题后，由于教师没有看见、学生不会描述导致的无法“复盘”错误，导致学习效率的下降。而采用录像记录的形式，在出现问题后，教师可以第一时间下载视频，和学生一同分析导致问题的原因，若是共性问题，还可以提示全部学生“有则改之无则加勉”。这种回顾可视化的形式，类似于施工记录仪，通过视频和声音记录的形式，发现问题、解决问题、总结问题并在日后避免问题。

3 工业机器人可视化创新教学模式实践

3.1 工业机器人可视化实训基地的建设与改造

可视化创新教学模式主要依赖监控设备和显示屏幕的建设，这种建设方式是以现有工业机器人实训基地的基础上进行改造即可，这样可有效节省资源，避免重新建设工业机器人实训场地。如图1 所示为可视化实训基地改造后的工位效果图，在工业机器人实训设备的上方屋顶处，安装了2 个高清监控设备，可以从垂直上方角度和侧面角度对工业机器人工位区域进行实时监控；每个工位处还配备了一个50 寸液晶电视显示屏，用以播放实时画面或回放视频。

图1 可视化实训基地改造后的工位效果

在本校的工业机器人基地可视化改造的先期阶段，暂时只安装了2 个摄像机监控设备，未来，可在工业机器人的左侧和后方再加装2 个监控设备，便可以更全面地对学生操作过程进行细致观察，但是其成像过程和后期应用的难度随之增加。在先期的改革探索与实践中，笔者团队在垂直上方摄像头和右侧摄像头的监控中已经调校出较为优质的监控视角，几乎可以满足日前的全部教学可视化要求，达到了既定目标。并且考虑到视频存储空间成本和日后管理工作，2 个摄像头的可视化工位优化为最优方案。

除了监控设备和电视显示屏的安装外，还需要构建存储、实时转播、调用等操作环节，具体做法是在实训基地的讲台区域建立一个总控系统，方便画面的时会转播、调用、展示和存储等工作。

3.2 可视化教学的授课方式

在完成工业机器人实训设备和工位改造的基础上，开展基于“可视化”的创新教学过程也是本研究的重要内容之一，即如何应用可视化手段。

基于可视化教学手段的工业机器人实训课程中，依然保持“理实一体化”的教学方式，即在原有的集中教学区完成理论集中授课活动，在原有的实训区域内完成实训。在实训操作环节中，一般由教师先行演示工业机器人运动方式，此时学生可以围站在教师附近的安全区域内，然后结合教师现场操作动作和电视显示屏上的实时画面，从不同角度感受教师操作的过程，从而更全面的了解学习内容。对教师的要求是，在操作演示前需将“可视化”系统设置为“演示模式”，然后完成相应的演示动作，演示完成后，交由学生分组在各工位完成操作任务。

学生操作时，将“可视化”系统设置为“学生操作模式”，此时可视化系统将在教师处的总屏幕处汇总出各工位所有的实时画面，可以由教师和助理教师边巡查、边看屏幕，以及时了解学生操作的过程。实训操作时，学生2 人一组或独立完成各项操作任务，此时设备上方的电视屏幕会显示出2 个摄像头的分屏画面，学生在操作机器人时也可以参考监控的实时影像，以提升初学者的学习效率。在熟练操作后建议学生在不观看画面的前提下独立完成操作。

学生在操作过程中，若出现机器人碰撞、操作错误或其他情况时，教师及时赶到工位，通过调取可视化系统中的监控录像，与学生在工位共同分析产生问题的原因，并现场指导学生实现正确操作。当本节课程操作全部结束后，学生可以将本节课的操作视频拷贝至自行携带闪存设备中，用以日后学习或留作纪念。

4 工业机器人可视化创新教学模式的效果

4.1 教师可视化

应用可视化创新教学模式后，教师实现了对学生实时操作状态的可视化，能够及时了解当前学生的操作状态，也可通过可视化系统回看学生操作过程，肯定学生操作的同时，为学生提供更好的操作建议，从而提升学生的学习效率。通过教师可视化，还能够在学生遇到问题的时候调取相应画面，即使教师不在学生出错的第一现场，也可以通过回看来了解学生的出错点并给予正确的指导，相较于传统工业机器人实训过程，教师可视化可使教学过程事半功倍。

4.2 学生可视化

学生可视化是工业机器人可视化创新教学模式的核心和关键点。学生是教学的主体，教师是教学过程中辅助，学生在操作中通过丰富的可视化环境，能够更为积极主动地参与到教学中，体现了学生主体性。通过实验性教学后对学生的调查与反馈中可知，学生从之前对机器人“片面的操作感”转变为对工业机器人的“全面感受”，增强了操作的体验感，提升了学生的操作兴趣，学生操作的成功率也随之提高。学生可视化不仅是在操作过程有明显提升，在教师演示阶段也更加清晰地了解教师演示的过程，改变了传统“学生看不清、害羞不敢问”的情况，提升了教师演示的教学效率，也为课堂教学节省了演示时间，从而将更多的时间交还给学生操作，因此从整体上提高了教学效率，使学生课堂参与感更强。

4.3 诊断可视化

诊断可视化是创新教学模式的“闪光点”。传统的教学中，学生一旦出现错误，可能一个动作往往在一瞬间，教师不在身边看不见，学生初学者也不会描述。而可视化教学模式通过录像的方式，在出现问题式可以调取相应时段的画面片段，使得教师通过回看的方式了解了“事故”发生的情况，节省了教师询问学生和猜测可能性的时间，提高了整体效率。同时，教师可以将该部分片段提取，作为日后课程的“反例”，警示更多同学，避免同学出现类似错误。通过视频展示的方式，学生可以更加直接地“吸取教训”，这种诊断的可视化极大地促进了教学过程。

4.4 评价可视化

评价是理实一体化的课程中不可或缺的环节，是对一堂课程中教学目标、学生掌握程度和综合素养的全面监控，也是贴近企业生产评价的不可或缺环节。评价可视化是将每位学生操作的全过程视频下载展示，由教师和学生共同评价操作者在操作中的优缺点。传统的工业机器人实操过程中，学生只能自顾自地完成自己的操作，由于没有视频记录的方式，无法在评价时全面了解别人的操作过程。而应用了评价可视化就解决了这个问题。因此评价可视化使课堂整体更加立体化，学生可能用90 min 上一节课，而用另一个90 min 去悉心研究本节课程，这种“课堂1+1”的形式，能使学生对本节课程学习任务的掌握程度更深，学习效率更高。

5 结语

工业机器人的操作教学历来是一个难点，可视化教学就是将工业机器人实训课程中散开的各个“点”集中起来，构建一堂立体感的实训课程，使教师和学生可以不错过任何一项操作过程，甚至可以通过可视化学习过程中不断交流、相互促进，使得工业机器人实训课程的教学效果不断提升。可视化创新教学模式的应用不仅于此，未来，在现有基础上仍有很大的发展空间亟待探索。