“机器人技术基础”课程虚拟仿真实验教学研究

陈光荣， 陈亚琼

（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044）

0 引言

实验教学与理论教学相辅相成，共同构成高等教育教学体系，其水平的高低直接影响着人才培养质量［1］。虚拟仿真实验教学项目建设是推进现代信息技术融入实验教学、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措［2］。虚拟仿真实验教学是目前国家信息化教育战略的重要实践，是高等教育信息化建设、高校实验室建设与实验教学改革的重要内容［3］。

高校虚拟仿真实验教学在人才培养、科学研究、学科建设和产学研合作方面具有不可替代的作用［4］。为提高信息化背景下高等学校实验教学质量和实践育人水平，教育部从2017年起开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系［5］。例如华中科技大学持续推进的“VIRTUAL”模式［6］、南开大学的虚拟仿真实验教学项目群共享平台［7］、天津大学的“自动化系统综合设计”课程线上项目式教学改革［8］等，都是对虚拟仿真实验教学项目建设的积极探索。

虽然虚拟仿真实验教学项目建设的提出始于疫情之前，但是线上教学的刚性需求无形中提高了虚拟仿真项目在实验教学中的重要性［9］。虽然虚拟仿真实验教学的效果难以与现场实验设备实践教学相媲美，也存在需要权衡思考的诸多优点和缺点［10］，但是其具有独特的经济性、安全性、便捷性、多样性，弊大于利［11］。因此，本文以北京交通大学机械与电子控制工程学院测控技术与仪器专业“机器人技术基础”课程为例，从具体实施的微观层面对虚拟仿真实验教学项目展开研究，围绕疫情防控常态下实验教学，推进虚实结合的实验教学体系建设，开发虚拟仿真实验项目，创新实验内容，提高实验教学质量。

“机器人技术基础”相关课程在机械电子、电气工程与自动化领域具有重要的地位，它是一门专业基础课程，它的应用贯穿了整个专业各个方向的理论知识，已成为大学生必须掌握的基本技能之一，该课程可以为后续课程的学习、毕业设计和科学研究打下基础。国际上，美国的卡内基梅隆大学、麻省理工学院和澳大利亚的伍伦贡大学早已将机器人类课程正式列入本科和研究生教育阶段的教学计划。在国内，如清华大学、北京大学、北京理工大学和北京交通大学等大多数高校电气类专业（包括机械电子、自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程等）均开设了机器人类课程。国际上有名的斯坦福大学公开课“机器人学Introduction to Robotics 2008”中未见有关机器人类课程的虚拟仿真研究，国内对机器人类课程的虚拟仿真研究也不多。已有的虚拟仿真研究相对比较简单笼统，课程内容和虚拟仿真内容结合度不够，也缺少案例研究。因此，结合课程教学内容，有机设计虚拟仿真项目，以项目为导向，贯穿联结机器人技术基础理论知识学习与实践，有效地提高虚拟仿真促进教学实效，具有重要意义。

1 虚拟仿真实验教学项目建设架构

1.1 建设体系

虚拟仿真实验教学项目建设总体思路为：以成果为目标导向，以学生为中心［12］，采用逆向思维的方式进行课程的虚拟仿真项目案例设计、教学改革与建设，并进行教学评价和持续改进。构建虚拟仿真项目导向的课程实验教学实践体系如图1所示。主要技术路线如下：

图1 虚拟仿真项目导向的课程实验教学实践体系

（1）案例设计（两个虚拟仿真项目，贯穿每一章节）。以“贯穿每一章节”为基础，根据每一章节课程内容展开针对性的虚拟仿真项目案例探索与设计。针对每一章节的讲授内容探索设计两个虚拟仿真项目：机械臂和四足机器人，通过虚拟仿真软件与各章节的逻辑关系保持一致和对应，配合章节的作业和参观演示实验环节，保证虚拟仿真项目的数量、质量和强相关性。

（2）教学实践（OBE +BOPPPS 模式，有机融入教学与实践）。采用OBE +BOPPPS +培养目标+培养方案+毕业指标点的课程教学、实验与虚拟仿真实验教学设计，精心设计教学环节和课堂互动，有机融入虚拟仿真项目案例，有效提高学生学习效果和教学质量，使课程和实验内容与虚拟仿真内容的环环相扣、相辅相成，浑然一体。

（3）体系成形（两个虚拟仿真项目创新性融合，建立系统的实践体系）。在虚拟仿真实验教学中，将两个案例的小虚拟仿真项目进行融合，形成一个臂足协同的大虚拟仿真项目；在课程教学中，将两个虚拟仿真项目作为小作业，在基础理论知识巩固学习的基础上加入臂足协同机器人拓展性研究专题，统一成一个研究专题报告；同时配合协作机械臂、四足机器人和臂足一体化机器人3 个演示参观实验，建立系统的虚拟仿真项目实践体系，实现创新性有机融合。

（4）成效分析（学生问卷反馈与达成度评价，指导深度建设与改进）。精心设计教学、实验与虚拟仿真项目一体化的调查问卷，形成综合全面的调查报告，对比上一学年与本学年的调查结果和课程目标达成度评价，对虚拟仿真实验教学项目建设成效进行双维度评价分析，并提出持续改进意见和具体措施。

1.2 建设内容

项目主要建设内容如图2所示，以理论教学为基础，以实验实践为参考，以虚拟仿真软件和搭建的虚拟仿真平台为媒介，进行虚拟仿真实验教学项目的开发和设计，形成与课程教学和实践内容紧密关联的项目案例［11］。在实际教学实践过程中，理论教学是必须的，但是实验实践和虚拟仿真实验教学可以根据课时安排和实际情况两者选其一或穿插进行、或同时开展，丰富了教学内容，同时提高了教学自由度和灵活性。

图2 虚拟仿真实验教学项目建设内容

2 建设理念

虚拟仿真实验教学项目建设应当始终遵循“理论联系实际，在实践中检验真理”科学内涵，秉承“一切从实际出发、实事求是”宗旨，并不是抛开实践讲理论，一味地纸上谈兵，也不是抛开理论去实践，纯粹的盲人摸象，做到虚拟仿真实验教学项目内容精彩、构思巧妙、技术先进、做法灵活、评价客观、形神一体，既有广度又有深度，实验时间与理论教学平衡发展［13］。因此，基于“机器人技术基础”课程教学改革与建设过程中的不断探索与实践研究，形成了“一个体系、两大特点、三个结合、四大特色、五个步骤、六大专业”特色鲜明、内涵深厚的建设理念，如图3 所示。

图3 虚拟仿真实验教学项目建设理念

2.1 一个体系

一个体系，即为图1 所示的虚拟仿真项目导向的课程实验教学实践体系。该体系涵盖了理论教学、实验实践和虚拟仿真实验教学，通过精心设计两个虚拟仿真项目和有机融合的一个研究专题报告，将理论教学与实验实践进一步深度融合。在理论教学上体现为两次小作业和一次大报告；在虚拟仿真实验教学上体现为两个小虚拟仿真项目和一个大虚拟仿真项目；在实验实践上体现为三个演示参观实验。当然，在课程目标不变的前提下，该体系可以灵活多变，简单易改。

2.2 两大特点

“知行”为北京交通大学校训，寓意“学以致用”。“知”表示对理论知识的掌握；“行”表示对理论知识的实践。在虚拟仿真实验教学中，将两者合一，即要求学生通过对个章节内容的学习理解，通过虚拟仿真软件和平台实现两个虚拟仿真项目和一个研究专题报告。

“虚实结合”具有两个层面的意思。第1 个层面的意思是：“虚”代表理论教学的课堂内容，是看不见的理论知识；“实”代表实验实践的技术能力，是看得见的实物操作。第2 个层面的意思是：“虚”代表虚拟仿真实验教学，通过虚拟仿真项目和平台实现；“实”代表传统的实验教学，通过现场实验设备实现。

2.3 三个结合

很少有理论先修课程的实践课程，理论学习为实验实践提供操作指导，实验实践对理论知识加以巩固夯实。因此，虚拟仿真实验教学项目的建设需要理论实践两者共融互促。

虚拟仿真实验教学项目解放了教学方式，既可以线上或线下使用，也可以线上线下结合使用。虚拟仿真实验教学项目也解放了实验室，既可以课上或课下使用，也可以课上课下结合使用。学生可在自己的计算机上安装虚拟仿真软件和平台即可随时随地进行虚拟仿真实验学习与实践。

2.4 四大特色

除了具有学校特色的“知行”校训，课程也重点突出“饮水思源，爱国荣校”的校风，在虚拟仿真实验教学项目进行过程中指导学生学以致用，回顾理论教学知识点，启发学生温故知新，重点讲解两个虚拟仿真项目在轨道交通领域进行建设、检修和维护等方面的应用前景。同时进行课程思政教育，通过讲授我国机器人技术发展的差距和瓶颈，培养学生的创新意识和家国情怀。

我校机械与电子控制工程学院具有机械工程国家级和北京市级实验教学示范中心，“机器人技术基础”课程依托该中心展开虚拟仿真实验教学项目的建设，在建设课程虚拟仿真项目的同时也进一步丰富中心的实验教学资源。课程建设的虚拟仿真实验教学项目也以机械工程为基础，以测控技术与仪器和机械电子工程为主导，配合其他专业的课程体系和培养目标，符合学院自身定位和发展方向，以及各专业的课程需求。

测控技术与仪器专业面向工业4.0、智能制造，构建机械、电子、人工智能、物联网、智能感知与控制等多学科交叉融合课程体系，其中，在综合实践模块中设置了以四足机器人为对象的智能测控系统设计与实现系统认知、需求分析、方案设计和系统实现4 个环节。如图4 所示，“机器人技术基础”是该课程体系中必不可少的一环，且虚拟仿真实验教学项目所设计的四足机器人也与多级项目强实践的四个阶段高度契合，紧密相连，具有承上启下的作用，互为支撑。

图4 测控技术与仪器专业新工科建设方案

“机器人技术基础”课程虚拟仿真实验教学主要由理论课和实验课任课教师负责建设，以培养目标、毕业指标点和课程目标为依据，通过调研当前机器人人才市场需求，并征询学生学习该课程前后的意见和建议，结合学校、学院与专业特色和新时代机器人技术发展前景，建立具有课程特色的虚拟仿真项目，进一步形成机器人技术相关的虚拟仿真平台加以推广共享，协助其他课程虚拟仿真项目的融入与互联。

2.5 五个步骤

虚拟仿真实验案例设计主要包含一个机械臂和一个四足机器人两个小的虚拟仿真项目，以及两者融合而成的一个大的臂足协同虚拟仿真项目。

与理论教学融合主要是将两个小的虚拟仿真项目与两个小作业相对应，将一个大的虚拟仿真项目与一个研究专题报告相对应，并进行有机融合设计。与实验实践融合主要是精心设计3 个演示参观实验：协作机械臂，四足机器人、臂足一体化机器，分别与前两步的3 个内容一一对应。虽然是演示参观实验，但是通过简单有效的编程调试和对比实验展示，加深学生的理解。

系统化教学实践主要是对虚拟仿真项目导向的课程实验教学实践体系的优化，通过实践对比理论教学+实验实践、理论教学+虚拟仿真实验教学、理论教学+实验实践与虚拟仿真实验教学穿插、理论教学+实验实践与虚拟仿真实验教学并行这4 种模式，持续优化实验教学实践体系。

教学实施与评价改进主要是在系统化教学实践的基础上，结合学生大创等机器人相关学科竞赛和全员导师计划，以赛促教、以赛促学、以赛促创、教学创相长，同时将比赛作为第三维评价指标作为教学持续改进的参考。

2.6 六大专业

截至2021年，我校机械与电子控制工程学院6 个本科专业（测控技术与仪器专业（2019）、机械电子工程专业（2021）、机械工程专业（2020）、车辆工程专业（2019）、能源与动力工程专业（2021）、工业工程（2020））均入选了国家级一流本科专业建设点名单。学院积极开展一流本科专业建设，顶层设计各专业新工科建设方案，构建以“智能制造与智能装备”为专业内涵的机械类本科人才培养方案，为传统机械专业插上人工智能的翅膀，赋予新时代内涵。如图5 所示，机器人技术是一个涉及生物、机械、电子、信息、控制、材料和计算机等多学科交叉领域，“机器人技术基础”课程虚拟仿真实验教学项目建设可为专业和学科的发展提供助力。目前，课程已开设专业有机械工程、测控技术与仪器和机械电子工程专业（课程名为“机器人学和柔性自动化”），课程建设目标之一是希望先将本课程在学院内推广到其他专业成为全院选修课，再将本课程打造成与本研跨学科课程“机器人技术前沿”一样的全校选修课。

图5 学院专业设置及内涵与“机器人技术基础”课程关联

3 评价与成效

3.1 达成度评价

课程设置作业、实验、研究性专题和期末考试4 个考核环节，其中实验又分为两个虚拟仿真实验项目，且各考核环节的考核内容均包含机构构型、数学模型、轨迹规划和测控实现四个部分。为能够独立评价虚拟仿真实验教学项以及其他考核环节的达成度，设计了各考核环节独立的评价方法，通过综合计算各考核环节中的各考核内容的平均分、总分和所占比重得出单个考核环节的达成度。相同地，设计了各考核内容独立的评价方法，通过综合计算各考核内容的在各考核环节的平均分、总分和所占比重得出单个考核内容的达成度。该达成度结果与平均分类似，与传统的课程目标达成度不同，可逆向作为各考核环节的设计参考，也可正向作为各教学环节的指导依据［14］。

课程需要支撑的毕业要求有专业知识、模型构建、方案设计和仿真分析四大方面。专业知识和模型构建由理论教学支撑，方案设计由研究性专题支撑，仿真分析由虚拟仿真实验项目支撑。专业知识对应了考核环节作业和期末考试的轨迹规划和测控实现两个部分考核内容，模型构建对应了考核环节作业和期末考试的机构构型和数学模型两个部分考核内容，方案设计对应了研究性专题考核环节，仿真分析对应了实验考核环节，并通过权重进行合成［15］。

3.2 建设成效分析

对学生来说，不仅可以深化改革课程教学内容，加深学生对课程知识的理解与应用，而且通过设计与强化理论教学、实验实践和虚拟仿真实验教学的关联，可以提高学生学习积极性和学习效果；同时，系统性的虚拟仿真项目导向的课程教学实践体系，可以增强学生的实践创新能力，提高学生对课程和专业认识的全面性。

对教师来说，更易于建立灵活多变，丰富多样的教学模式，且虚拟仿真项目的信息化建设也有利于教师的教学与科研相辅相成，科教相长。

对课程来说，不仅可以使课程内容更加丰富多彩，而且可以有力地支撑其他课程、专业课程体系和新工科一流本科专业的建设，且与全校跨学科高级课程群公共选修课“机器人技术前沿”交相呼应。

对专业来说，更容易促进多学科交叉，增加受益面，在为本科生提供教学资源的同时，实验室所提供的大量科研仿真软件资源，可为硕士、博士研究生的学历教育提供充分的科研条件，发挥他们的创新意识和分析问题、解决问题的能力。

对学院来说，不仅可以有效缓解了实验室的设备、时间、空间、安全和内容等条件限制、还可以大幅提高实践教学经费的使用效率，节约实践教学经费。

对学校来说，可以有效地提升了实验室的开放程度，更容易地做到优势资源整合，更进一步实现教育推广和普及。

4 结语

虚拟仿真实验教学项目建设是国家级一流本科专业建设点的重要任务，也是高校推进虚拟仿真实验教学改革、优化实验教学资源结构、提升实验教学资源使用效益的必然要求［6］。线下教学在疫情时代背景下受到了新的冲击与考验。在此背景下，现场实验实践教学也面临着新的机遇与挑战［16］。虚拟仿真实验教学项目与各类公开共享的金课、精品课和线上一流课程相互支持和补充，已成为信息化和疫情时代背景下实验教学的刚性需求。随着高等学校实验教学改革的不断深入以及实验教学模式的变革，“机器人技术基础”课程通过系统化的虚拟仿真实验教学项目建设，持续提升虚拟仿真实验教学水平，推进实验教学信息化更好更快地发展，也为推动高等教育教学改革和创新人才培养做出有益的探索，对未来网络化教学也具有重要而深远的意义。