机器人工程专业虚实结合实践教学模式探索与实践

李泽彬,孔 敏,张 刚,张金仲,张进思,王传胜

(皖西学院 电气与光电工程学院,安徽 六安 237012)

自以“新理念、新结构、新模式、新质量、新体系”为特点的新工科建设提出以来,一轮又一轮的专业建设和改革热潮被掀起[1]。相应地,国内各高校在机器人工程专业的教学中也越来越强调对学生创新能力和解决复杂工程问题能力的培养[2],同时,也在逐渐改变高等教育人才培养方式单一、知识窄化的局限性,形成以优质资源汇集为基础,以“知识-能力-素质”多维度综合为目标的人才培养模式。机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”,相应传统和衍生产业不断的快速增长使机器人专业化人才缺口变得巨大[3]。为此,作为机器人相关的核心专业——机器人工程专业顺势被设立。2016年至今,国内已有300余所本科高校设立了机器人工程专业[4]。机器人工程专业具有明显的学科交叉和产业需求特点,然而,相应的人才培养方案没有统一的标准,而且人才培养效果也需要较长时间的检验,这些都直接影响了该专业人才培养的产业适应性。

机器人工程专业是集机器人技术、机械电子、智能控制系统于一体的多学科交叉专业,其实践性强,对学生的动手能力、创新能力要求高。只有通过硬件的实际操作训练,才能培养契合企业发展需求的高素质人才。然而,很多实验设备和实验场地限制了机器人工程专业学生的实践训练[5]。往往出现多名学生共用一套实验实训装置,尤其高损耗、高污染、高危性的设备得不到有效训练,降低了综合实践的教学效果。随着国家信息化教育战略和工程教育改革的不断推进,《教育部高等教育司2022年工作要点》明确表明,实施虚拟仿真实验教学,能够促进信息化技术与高等教育教学深度融合[6],同时《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》也表明虚拟仿真实验教学是提升实验教学质量和水平的重要举措[7]。这些都为机器人工程专业实践教学改革指明了方向[8-9]。因此,在机器人实践教学过程中,针对机器人硬件实验成本高、损耗高、操作危险大的实践活动,开展机器人虚实结合实践教学,不仅能丰富机器人教学内容,还能提高机器人硬件实验效果和教学质量。为此,依据工程教育认证理念和新工科建设要求,以培养智能制造系统级创新型人才为目标,构建虚实结合实践教学平台。本文初步探索了虚实结合实践教学模式应用于皖西学院机器人工程专业,提升人才培养质量的可行性。

1 虚实结合教学模式的优势

1.1 传统机器人实践教学的弊端

机器人实践所涉及的知识面较广,且具有较强的实践性和综合性。从人才培养标准和学生应具备的知识、能力、素质要求出发,培养智能制造领域创新型人才既要注重培养学生自主学习能力、工程实践能力、资源整合能力和系统思维能力,还要注意培养综合实践训练中的安全意识。因此,这就使传统机器人实践教学过程显现出一些不足。

(1)受传统教学理念影响,在“工业机器人应用技术”“机器人学”“机器人驱动与控制”等课程的教学中往往存在重理论、轻实践现象,这势必会对机器人实践教学产生较大的影响。

(2)工业机器人在产业中涉及多种工业应用,如搬运、打磨、焊接、打螺丝等,所用到的机器人本体实验成本较高。而且,实际产业生产中的工艺环节甚多,不可能在实验室中都进行全部布局,尤其涉及成本高、损耗高、操作危险的实验项目更少,导致实践内容与实际产业工艺环节脱节,不利于学生实践能力的培养。

(3)由于硬件台套数和实践课时有限,往往只有少数学生才能获得实践操作的机会,大大影响实践教学效果。

(4)由于机器人应用平台和实践条件限制,往往导致实验项目类型较少,通常验证性的实验较多,综合性和创新性的实验项目较少,致使学生简单被动操作过多、主动思考探索不足,严重影响了学生自主学习和创新能力的提高。

传统的机器人实践教学除了上述不足以外,还存在一些不容忽视的问题,如课前预习不足,教学不能因材施教平衡学生差异;动手能力差异,没有足够时间进行足够实操;教与学互动不足,疑难反馈路径窄等。

1.2 虚实结合教学模式的优势

传统的机器人实践教学模式改革势在必行,其中采取虚实结合教学就是一种比较有效的模式。通过虚实结合实践中的虚拟平台,不仅可以高逼真仿真实验,还能嵌入课件、视频和相关电子资源,辅助硬件实验。同时,利用虚拟平台还可以发布预习任务和教学内容,促进学生随时随地获取平台学习资源,进行线上虚拟仿真操作;还可以通过平台数据反馈,及时掌握学生的预习情况和虚拟操作情况,有利于因材施教,提高课堂效率与教学质量。尤其对于学时较长的重要的机器人工艺实践环节,虚拟平台可以大大提高实践效率和实验成功率。另外,通过虚拟情景浸入方式,发布任务、开展自主探究式项目,能够促进学生机器人实践能力的培养。因此,开展虚实结合教学具有提高实验教学效果、增强多样化交互方式、突破时间与空间限制和节约实验成本和损耗等优势,还能帮助学生验证理论知识、获得实践经验,有利于培养学生的创新能力和实验素质。

2 虚实结合实践教学模式探索

2.1 虚实结合实践平台建设方案

以皖西学院机器人工程专业人才培养方案和工程认证要求为例,建设一个工业机器人虚实结合实践平台,用于培养学生的机器人实践能力。虚实结合实践平台建设方案如图1所示。通过虚拟仿真与实际机器人相结合,提供一个全面、真实的实验环境,让学生能够进行机器人拆装、维护、编程、运动控制和系统调试等实践性学习。虚实结合实践框架须有两个基本要素共同来组成,即虚拟仿真教学与实物实验教学[10]。结合工业现场机器人主要应用场景,还原实训场景及机器人工程应用,在虚拟环境中,让学生能够直观地了解工业机器人实际的应用场景及其工作过程。学生通过实践平台中机器人结构认知后,可以自主开展机器人拆装、维护、保养,进行运动轨迹设计、程序编辑、运行调试、路径优化、虚拟示教等操作,掌握工业机器人行业典型应用及操作技巧。进而,该实验平台可以服务于机器人学、机器人驱动与控制、机器人建模与仿真、机器人综合实训、机器人综合设计与实训等相关课程。

图1 虚实结合实践平台建设方案

2.2 工业机器人实验内容设计

机器人是技术密集度及自动化程度很高的典型的机电一体化设备[11]。机器人实践教学实践性强、理论知识较为复杂和抽象难以使学生对机器人有感性认识。其次,工业机器人系统和重要的工艺设备复杂、价格昂贵、实验和维护成本较高,因此基于产业需求优化实验内容,开展虚实结合实验是一种高效经济的解决方案[12-13]。

目前虚拟仿真实验软件一般都是安装在客户端电脑上,不适合随时随地进行训练和学习,给自主学习带来了困难[14]。因此,本文以皖西学院智能制造基地工业机器人实训平台为基础,利用Unity3D和3Ds-Max等软件,按照1∶1高逼真三维建模,开发了一个交互式、沉浸式的机器人虚拟仿真系统,为开展虚实结合实践教学奠定了基础。虚实结合实验内容结合工业实际应用情况以基础认知、应用能力提高、综合能力创新层层递进开展。依据建设方案以六轴机械臂硬件平台为蓝本,将工业机器人实验内容划分为认知与基本操作、示教编程与轨迹规划、拆装与维修保养和应用工作站与编程四个板块。其开发的虚拟仿真实验内容,拥有高度逼近真实设备的外观和细节感受,创造出身临其境般的实践体验。一方面,解决了工业机器人实验教学设备不足,无法一人一机的实训问题;另一方面,解决了学生因操作不当等原因而发生的设备损坏和人身安全事故。深入探讨机器人实践课程建设,做到理论与实践结合,将虚实结合实验内容四个板块分解为六个实验项目,即工业机器人结构原理认知、工业机器人拆装与维修保养、工业机器人示教编程与轨迹规划、机器人焊接工作站组站与编程、机器人打磨工作站组站与编程、机器人码垛工作站组站与编程,虚拟实验项目,具体如图2所示。

图2 虚拟实验项目

2.3 虚实结合开放式实践教学模式

在新工科背景下,针对“机器人工程专业”实践教学所面临的各种现实问题,紧密围绕机器人工程专业人才培养目标和方案,结合现代产业发展最新成果和现代信息技术,将虚拟仿真教学作为一种新的教学模式引入到实践教学中,坚持以“能实不虚、虚实结合”为原则、以解决科学问题为导向,重点解决机器人工程中真实实验条件不具备或实际运行困难以及涉及高损耗、高污染、高危性的综合训练,构建实体实验教学项目+虚拟仿真教学项目的工程化项目教学体系,形成原理准确、结构合理的虚实结合项目教学内容。实验内容由浅入深、循序渐进,使教学更加符合工程实际发展规律和学生认知规律,增强学生学习的新鲜感和真实感,同时提供自主探索空间,提高教学效率与质量。

本虚实结合开放式的实践教学模式如图3所示,实验以虚实结合教学模式多层次展开。通过校企合作搭建虚实结合开放式实践教学平台,凸显以虚助实,以实带虚,实践过程层层递进,构建基础验证性、综合探索性实验和模块化设计性实验。通过虚实结合实践教学可以实现“以学为本、以学促学、实践创新、思政引领和实际工程案例”五位一体的实践教学功能,即以学为本完成预习、自主实验和检测与评估,以学促教开展实验教学、课程案例演示和教学改革,实践创新带动创新项目和学科竞赛,思政引领嵌入思政元素、树立专业理想,实际工程案例实现基本实践能力训练和典型案例训练,满足工程项目教学体系的实训需求,同时满足多学科交叉的综合性、系统性的人才培养需求。

图3 虚实结合开放式实践教学模式

通过虚实结合的实践平台可以促进不同学科的融合,也能增强学生的综合素养。学生能够在虚拟仿真和实际机器人实践中获得实际应用经验和复杂问题解决能力,为未来的就业和研究打下坚实基础。通过实践平台记录和分享功能,既可以让教师掌握学生的实践情况,又可让学生相互交流实验经验和学习资源,促进互助和共享。

3 虚实结合教学模式实施与教学效果

虚实结合可以较大幅度提升学生综合素质,也能启发创新思维、锻炼实践动手能力、培养团队合作能力。本校机器人虚实结合教学模式实施和成效可以总结以下几个方面。

3.1 校企合作促实践平台建设

结合现代企业,分别从硬件落地场景使用和虚拟仿真实现两个角度出发,强化校企合作,建设工业机器人虚实结合实践平台,既能确保学习、培训不落伍,又能随时随地学,与实际机器人操作相互印证,减少了设备的误操作带来的危险,以及相关硬件的损耗。

3.2 团队建设促教学资源开发

虚实结合实践平台运行需要依靠教师来具体发挥作用,首先需要培训教师,为机器人工程及相关专业教师提供系统培训和指导,使其熟悉平台的使用和实验教学的方法,在潜移默化中实现机器人教学团队建设。相应地,结合实践平台需要开发与平台相匹配的实验教材和案例,进一步促进了教学资源开发。

3.3 虚实结合促学生实践参与度

一方面通过线上虚拟仿真平台可以开展自主学习和虚拟实验,又可以将学习成果应用于实际机器人,提升学生参与机器人实践训练的兴趣;另一方面通过平台记录和实验成果分享,能够促进学生之间的交流与合作,共同提高实践能力和问题解决能力。

3.4 虚实结合促教学效果提升

现代智能制造工艺中都是由很多单一机器人模块组成。本实践教学平台不仅集成了认知、维护、保养、编程控制等基础模块,还集成了码垛搬运、打磨和焊接工艺环节,形成了较为全面的虚实结合实践平台。通过虚实结合教学过程,全方位、多层次地进行了教学改革,解决了从相对独立的子问题集成到实际应用这一复杂的系统问题,从线上虚拟仿真到线下实际机器人操作实践枯燥问题,从单一成绩到全面综合考核学生实践问题。相应地,学生也在创新思维能力、系统分析能力、模型设计与编程能力等方面都有明显提高。近年,基于虚实结合实践平台,大学生学科竞赛、学生项目立项和教学效果等方面都获得了优异的成绩,图4为近年获得的部分教学成果。

图4 部分近年获得的教学成果

4 结语

机器人实践教学是培养机器人创新型人才的关键环节。为改变传统机器人实践教学的弊端,本文以皖西学院智能制造基地工业机器人实训平台为基础,开发了机器人虚拟仿真实验平台,应用于机器人工程专业的实践教学,探究了虚实结合实践教学模式,不仅取得了良好的教学效果,还打破了实践教学的限制,降低了实践教学成本;同时,学生通过沉浸式和交互式的虚实结合实践方式,不仅调动了积极性,还能直观加深对机器人理论知识的理解和实际应用的把握。实践结果表明,本虚实结合实践教学模式可以提高人才培养的质量。