“线上线下，虚实结合”的工业机器人实践教学模式设计与实现

冯凌云，王彩芳，郭灿彬

（广东机电职业技术学院 电气技术学院，广东 广州 510515）

目前，工业机器人在自动化、智能化、定制化生产制造领域的应用日益广泛，是实施制造强国战略《中国制造 2025》、推动制造业转型升级的强力技术手段[1]。据2019年9月18日国际机器人联合会发布的《全球机器人2019》报告显示，中国工业机器人市场年销量连续第六年位居世界首位，总装机量占全球市场的 36%，超过欧洲和美洲装机量之和[2]。为了满足社会发展需求，许多高职院校开设了工业机器人相关课程，教育教学工作者通过探索与实践对该类课程的实验实践教学提出了许多行之有效的建议：依托工业机器人实体训练设备设计实验任务，注重学生“实操能力”的培养[3-5]；采用工业机器人虚拟仿真设备或软件开展实践教学，解决了学生数量多而实训设备不足的矛盾，具有性价比高与安全性好的特点[6-9]。笔者认为，工业机器人技术实用性很强，如果不动手操作实际设备，一切都是纸上谈兵，但其自带的高度信息化特点，决定了教师应该同时将信息化技术和仿真技术充分融入实践教学过程，达到以更便利的方式和更丰富的内容培养人才的目的。

本文针对高职院校工业机器人课程实践教学现状及存在问题，将传统教学模式与信息化教学模式有机结合，提出“线上线下，虚实结合”的工业机器人实践教学模式，旨在拓展实践教学内容的广度和深度，延伸实践教学的时间和空间，提升实践教学的质量和水平[10]。

1 高职院校工业机器人实践教学存在的问题

1）实践条件不足，教学效率不高。

工业机器人是一门实践性和应用性很强的课程，该课程的有效学习离不开在实际设备上的操作和编程。高职院校因经费、场地等原因，普遍难以购置足够数量的工业机器人实验实训设备，实践教学条件受到限制。课堂上每位学生独立操作的时间非常有限，学生如果对设备和操作步骤不熟练，很难完成实验任务，降低了课堂教学效率，不利于教学计划的正常推进。

2）课前预习不到位，课后延伸难落实。

工业机器人技术综合性强，实验任务通常涉及程序设计、运动轨迹规划、示教、I/O配置、与外部设备通信、编程等较多知识内容，采取传统实践课“原理讲授、教师示范、学生模仿、巩固提高”的环节进行教学时，教学时间非常紧凑，需要师生共同在课下做好充足准备。但是高职学生学习的积极性和主动性较之本科生有一定差距，大多数学生没有课前预习和课后复习与拓展的习惯，在课上师生难以默契配合，教学效果不理想。

3）学习过程管理粗放，考核评价方式单一。

考核评价是实践课的重要环节，也是学生关注的焦点。目前工业机器人实践教学评价方式较为单一，大多以实操考试或实践任务达成度等终结性评价作为学生的考核成绩。虽然也会将出勤、课堂表现等列入平时成绩作为参考，但总体上还是缺乏对学习过程的有效管理和科学评价，不利于激发学生自主学习的积极性。

2 “线上线下，虚实结合”混合式实践教学模式的构建

针对目前工业机器人实践教学中存在问题，结合课题组近几年的实践教学经验，提出“线上线下，虚实结合”的混合式实践教学模式。即在实践教学过程中，将虚拟仿真实验与实体实验有机结合，通过将实验任务在线上和线下的合理分解与分配，形成以“学生为主体，教师为主导”的高效课堂。该教学模式框架如图 1所示，主要包括 PDCA循环闭环与翻转课堂。

图1 “线上线下，虚实结合”教学模式流程图

2.1 PDCA循环闭环

PDCA循环又叫质量环，是管理学通用模型，20世纪50年代被成功运用于持续改善产品质量过程[11]。其核心思想是通过计划（plan）、执行（do）、检查（check）、处理（act）四个阶段的周而复始、不断循环，实现质量的持续改进。PDCA虽然是企业管理中用来提高产品质量的一种方法，但其工作思路和方法同样适用于教育教学和人才培养。在工业机器人实践教学中引入 PDCA理念，将教学过程分为四个阶段，以促进教学质量和水平的持续提高，如图1外圈所示。

1）计划阶段（教学准备）。

教学准备是整个教学活动的第一阶段，即PDCA的计划阶段。本阶段的主要工作，一是进行教学内容设计，一份优秀的教学设计就是教学成功的一半；二是准备各类数字化教学资源，包括讲解/演示/案例视频、PPT课件、实验指导书、测试/测验题库、扩展阅读等；三是挑选合适的网络教学平台，一般应具备课程创建、课程建设、任务发布、互动答疑、作业/考试、督学督导等功能，为工业机器人线上线下实践教学的顺利开展提供技术支持；四是选择一款工业机器人离线编程软件，支持实验/实训室中实体机器人设备仿真，便于学生在个人电脑上进行离线编程和仿真实验。

2）执行阶段（教学实施）。

教学实施是教师根据教学设计之计划组织开展教学活动，使教学目标得以实现的关键环节，即 PDCA的执行阶段。采用翻转课堂教学法，分课前、课中、课后三个环节实施教学。其中在课前和课后，教师引导学生在线上自主学习并进行虚拟仿真实验，同时利用碎片化时间进行答疑；在课中，教师组织学生在线下课堂集中学习并进行实体实验，如图1中的虚线框内所示。

3）检查阶段（教学评价）。

教学评价是判断教学目标是否达成的重要环节，即PDCA的检查阶段。依托网络教学平台丰富的应用功能可以有效开展教学评价工作，包括对学生的评价和对教师的评价[12]。合理有效的教学评价体系有助于发现教学过程中存在的问题和影响因素，并及时改进，从而促进师生共同发展和提高。

4）处理阶段（教学反思）。

教学反思在教学中具有重要的调节作用，即PDCA的处理阶段。本阶段的主要任务是对检查阶段发现的问题进行研究，总结成功的经验和失败的教训，据此对教学方法、教学重难点等作出合理的改进或调整，进一步完善实践教学。随后再次进入教学准备阶段，开始第二轮PDCA循环，以此类推，形成一个阶梯式上升的实践教学PDCA循环。

2.2 翻转课堂

翻转课堂译自英语“flipped classroom”，也可译为“颠倒课堂”。其基本思路是，重新调整课堂内外的时间分配，通过使学生先行在课外自主学习基础知识，使课堂内的更多宝贵时间能够留作师生互动和深度学习，从而达到更好的教学效果[13]。得益于信息技术的飞速发展，互联网与虚拟仿真教学资源日趋丰富完善，为教师实施翻转课堂提供了良好条件。依托线上线下平台，在工业机器人实践教学中引入翻转课堂理念，将整个教学实施过程分为课前自学演练、课中巩固实操、课后拓展提高三个阶段。

1）课前自学演练。

教师在课前完成教学准备工作，并借助网络教学平台发布各类数字化教学资源。以任务为驱动，以案例为载体，激发学生学习兴趣，引导学生带着问题预习。学生通过客户端在线自主学习，熟悉与本次实验相关的理论知识，完成相应的测试，并通过工业机器人离线编程软件进行仿真实验，以虚拟设备代替真实设备进行演练，从而对实验目的、方法、步骤和注意事项更加明确。

2）课中巩固实操。

课堂上教师通过多媒体手段将企业真实案例作为任务导入，构建实践教学情境，并根据学生线上学习情况，重点对学生普遍反馈的疑难问题和实验中的关键步骤进行讲解。之后学生以小组为单位协同开展实验，教师巡回指导、点评。由于学生在课前完成了虚拟仿真实验，编制好了工业机器人离线程序，只需将程序做少量调整便可在实体设备上运行验证，因此大大减少了现场编程时间。即便实训设备数量不足也能顺利完成教学任务，而且还能留有练习时间，让学生巩固操作、编程、调试等技能。

3）课后拓展提高。

在完成基本实验的基础上，教师对实验项目做进一步延伸，发布更具综合性、创新性的任务目标，引发学生更深层次的思考。学有余力的学生，可在课后使用工业机器人离线仿真软件完成拓展任务，促进知识、技能迁移能力的进一步提高。

3 “线上线下，虚实结合”混合式实践教学模式的具体实现

产品分拣是工业自动化生产中的一个重要生产环节，采用工业机器人进行分拣作业能够显著提高分拣的速度和质量[14]。本文以“工业机器人分拣”实验项目为例，阐述“线上线下，虚实结合”混合式实践教学模式的具体实现。

3.1 教学准备

图2所示为我校与广东雅达电子股份有限公司合作开发的 ABB机器人教学实验平台。实验任务是：工业机器人初始化后处于等待状态，当检测到传送带末端视觉检测区有物料到达时，使用吸盘工具将金色/红色/蓝色的圆形物料块分别分拣至对应仓位，模拟休闲食品生产企业使用工业机器人将不同颜色的糖果从输送线分拣到对应包装盒中。

为便于实践教学的开展，按照课前、课中、课后三个环节设计实验内容，任务目标分解和分配情况如表1所示。线上教学使用超星网络教学平台，依托平台准备各类数字化教学资源。选用 ABB公司的工业机器人离线编程仿真软件 Robotstudio开发虚拟实验工作站，籍此开展仿真实验。

3.2 教学实施

图2 ABB机器人教学实验平台

学生课前使用超星学习通APP自主学习，熟悉项目背景和理论知识，完成仿真实验任务，课中把宝贵的时间用来实操和互动讨论，完成实体实验任务，课后完成拓展任务，实现线上线下课堂相互配合衔接，虚拟实体实验相互结合补充。

表1 工业机器人工件分拣实验内容设计

3.2.1 仿真实验

学生自行从学习通下载与实体设备高度一致的虚拟实验工作站文件，使用Robotstudio软件打开后进行仿真实验。具体实验步骤包括设计分拣程序流程图、构建程序结构、设计抓取及放置点计算方案、规划分拣搬运运动轨迹、示教关键点、编写离线程序、最后观察并上传虚拟仿真运行结果，如图3所示。

3.2.2 实体实验

线下课堂上，将课前编好的离线程序导入真实工业机器人中，再结合实验设备的实际情况完成系列实验步骤，包括：创建吸盘工具的工具坐标数据和物料块底盘的工件坐标系、配置I/O信号、示教关键点（如工作原点、物料抓取基准点、物料放置基准点等），以及调试机器人与相机的socket通信程序、根据设备实际尺寸修改抓取及放置点计算程序等，最后形成可完成工件分拣任务的工业机器人程序，程序结构及流程如图4所示。

图3 仿真实验效果

图4 工业机器人分拣程序结构及流程图

课后，教师在本次实验基础上布置的拓展任务是，将不同颜色的方形物料块分拣至对应的仓位中。与圆形物料分拣任务相比，不仅要考虑物料颜色和位置偏移的因素，还要考虑物料块旋转角度的影响，学有余力的学生可在学习通上使用仿真软件完成拓展任务。

3.3 教学评价

借助超星网络教学平台“成绩管理”和“问卷调查”系统灵活便捷的自定义功能，可以建立多维度的教学评价与反馈体系，如表2所示。对学生的评价采用线上与线下相结合、过程性评价与终结性评价并重的多元化评价体系[15]。通过配置成绩管理系统内各项指标的权重，实现对学生学习过程的有效管理和科学评价。利用问卷调查功能可以即时收集学生关于教学的反馈和建议，所获得的反馈结果是后续课程教学过程改进的重要依据。

表2 教学评价体系

3.4 教学反思

采用“线上线下，虚实结合”混合式实践教学模式的我校工业机器人技术专业1815、1816班，与采用传统实践教学模式的1715、1716班相比，课堂实体实验的达成度有了明显提升，学生课前/课后学习情况也从无据可查变为有据可依，部分实验任务的完成情况如表3所示。统计数据表明线上任务完成情况普遍较好，课后拓展任务满足了部分学有余力学生的求知欲望，激发了他们的探索精神、创新精神。新教学模式激发了学生的学习积极性，达到了良好的教学效果。

表3 实验任务达成度对比

学生问卷调查反映的意见与建议，一是建议操作演示视频能根据实验步骤分段录制；二是建议将线上平台的部分文档内容配以视频资源加以说明，这与表 3 中视频任务较阅读任务完成度高的结果基本吻合。说明短小精悍的教学视频更易于被高职学生接受，这是在今后的实验课教学准备过程中拟改进和完善的方面。

4 教学效果

经过两个学期的教学实践，我校2018级工业机器人技术专业学生对“工业机器人技术基础”和“工业机器人编程与应用”两门专业核心课程实验教学的认可度高达 100%，课程平均成绩比往届也有较大幅度提升，87.6%学生认为自己获得了公正的评分，前述的工业机器人实践教学存在的三方面问题均得到有效解决。由部分学生组建的两支代表队，在2019年广东省职业院校技能大赛工业机器人技术应用赛项中，均获省赛一等奖，其中一支代表队晋级国赛并获得三等奖。教学团队在“线上线下，虚实结合”混合式实践教学模式的探索与实践过程中，教科研能力也得到提升，团队成员的2个项目获得2019年度广东省普通高校科研立项，以本文所述教学方法为核心内容参加2019年广东省职业院校教学能力比赛，获得全省一等奖。

5 结语

“线上线下，虚实结合”工业机器人实践教学模式的构建，基于PDCA循环理念，并结合翻转课堂形式，使教师的主导作用和学生的主体地位在教学过程中都得到了良好的体现。依托线上平台和线下课堂开展实践教学，发挥了仿真实验和实体实验各自优势和长处，突破了传统实践教学的时空限制，有效解决了高职院校工业机器人实践教学中实践条件不足、学生课下学习积极性不高、学习过程监管困难等问题。当然，工业机器人实践教学改革是一个长期积累的过程，要运用PDCA循环理念进行不断改进和完善，从而促进教学水平和教学质量的持续提升。