基于虚拟仿真技术的“ 工业机器人与生产线”智慧课程教学的创新与改革

刘怡君 李靖 董玉春 王欢 李秋生

关键词 智慧课堂 教学创新 工业机器人 虚拟仿真技术

1引言

近年来，随着信息技术与制造业的深度融合，智慧工厂随之出现，其提升了企业对相关人才的能力要求，如具备安装、操作、调试、维修工业机器人等能力。为此，我校开设了“工业机器人与生产线”课程，以填补企业的需求缺口。但传统的教学方法无法充分实现既定的培养目标。对“工业机器人与生产线”课程进行教学分析，从教学方式、实验室建设以及考核方式三个方面对该课程进行创新和改革，可以实现培养应用型人才的目标[1] 。

2传统“ 工业机器人与生产线” 课程教学的痛点分析

“工业机器人与生产线”课程涉及多学科、多专业知识内容，理论知识抽象难理解，且与工程应用联系紧密，对教学提出了理论与实际同步培养的挑战。现阶段，“工业机器人与生产线”课程在教学的过程中主要存在以下问题。

2.1传统教学方式

“工业机器人与生产线”课程沿用了传统的教学方式，以教师讲授为主，教学方法单一、内容枯燥、课堂活跃度不高。而该课程又因为其抽象的概念和复杂的算法，进一步降低了学生的学习兴趣，教学成果低于预期是常态。同时，相关实践课程的课时量少且质量不高，很多学生习惯于被动学习，不愿意主动思考，更不会主动提出问题或是和老师讨论问题，很难培养出具有创新精神和实践能力的人才。

2.2实验室建设

依照传统教学思路建设的工业机器人实验室，其设备以工业机器人实物为主，缺点是种类单一、数量有限以及无法满足企业中各种新型工业机器人产品的操作需求。作为数字化工业产品，工业机器人的更新迭代非常快、单价较高，若一味地追求产品更新还会提高实验室的建设成本[2] 。

除此之外，为保证教学安全性，要求学生的实操必须全程在教师的监督指导下完成以及定期对实验室的设备进行检修，但该方式极大地影响了学生的实训进度，难以保证每名学生都能在课程中得到充分的实操技能训练。

2.3考核模式

傳统的学科考核形式多以理论考试为主，由上课出勤、平时作业、期末考试综合组成，仅以考试成绩的好坏评价学生的学习效果，不能准确、有效反馈教学效果。而“工业机器人与生产线”课程注重对学生实践能力的考核，所以传统的考核方式难以真正考查到学生学习该课程的真实水平[3] 。

3教学创新改革实施过程

3.1教学理念变革

3.1.1坚持“以人为本”的教学理念

关注学生的进步和发展，要求教师有“对象” 意识，在教学中确立学生的主体地位，充分发挥学生的自主学习性，提升教学过程中学生的参与度。改变老师课堂授课、学生被动吸收的教学现状，建立“以人为本”的教学理念，以素质教学为根本，培养学生的主动思维能力和创新意识。

3.1.2培养学生理论与实践的结合能力

目前，教育行业存在“高分低能”现象，“工业机器人与生产线”课程具有很强的实践性、创新性，开设该课程的目的是加强应用与实践，所以不能只关注理论考试。在教学的过程中，应结合实际让学生“从实践中来，到实践中去”，在理论教学中穿插实践，在实践时渗透进理论，从而提升学生的学习热情[4] 。

3.1.3对课程思政教育教学改革的探索

由于传统教学更侧重专业技能的训练，因此学生缺乏良好的职业道德规范和精益求精的工作态度。随着高校思政教育的开展，应该调整观念，坚持把立德树人作为中心环节，用好课堂教学主渠道，与思政理论课形成协同效应，把思政工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人。引导学生践行“匠人精神”，树立中国“大国智造”的文化自信和科技自信，从而坚定职业自信心，进而对机器人行业充满自豪感和认同感。

3.2教学过程变革

3.2.1基于虚拟仿真的实验课程教学改革

结合虚拟仿真技术，建立虚实结合的工业机器人教学平台。“虚”主要依赖虚拟仿真可视化软件得以实现。如图1 所示，以Robot master 离线编程软件和宇龙机电控制仿真软件机器人版为基础，构建虚拟仿真实操平台，实现多终端、低延时的数据共享，可为多名学生在虚拟环境中进行集中教学和互动实验。

“实”则依靠实验室的现有设备，通过实物讲解，更好地让学生理解虚拟仿真平台的工业机器人，从而优化实践课程的教学效果。

3.2.2基于数字化平台的理论课程教学改革

课前部分，充分利用在线平台督促学生进行预习。教师则制作相关教学视频并将其上传至数字化学习平台，学生根据具体需求选择学习对象，遇见问题时可以在线上直接跟教师交流、沟通，以提升预习效果。同时，教师也可通过平台实时查看每一名学生的学习进度，为课堂教学设计提供数据支撑。

在进行理论知识讲解时引入PBL 教学理念，创设任务情境，发放任务书，阐明具体要求，通过角色扮演，亲身体验工作过程，既可以提高学生的学习积极性，促进学生理解对应的理论知识，也可以培养学生的职场技能，从而使人才符合用人单位的需求。

课后，教师可以通过数字化平台下发课后作业，学生把完成的作业拍成照片做成Word 文档或拍摄成小视频按作业要求按时提交，教师会及时对其进行批改。为作业出错较多的学生提供详细解析过程（如附图、附视频），并进行评论。学生可根据教师提供的解析过程加深对知识点的理解和巩固，并将此作业成绩记为平时成绩[5] 。

3.2.3案例化教学改革

以ABB 机器人搬运、码垛项目为例，图2 为ABB机器人搬运项目。启动该项目后，机器人将抓取吸盘工具，通过吸盘工具吸取码垛仓A 区红色的工件，搬运码垛到码垛仓B 区，吸取C 区的蓝色工件，搬运码垛到码垛仓D 区。

构建基于工作过程的项目化课程体系，整合教学内容、确定项目、确定任务，可以将每个教学任务对应具体的知识点[6] 。

课前：教师通过数字化平台提前将相关课程资源以PPT、视频、Word 文档的形式上传给学生，学生可根据课程资源提前查阅自己不会的内容，通过线上和教师交流的方法解决顽固知识点，保证课前预习环节的质量。

课中：教师讲解搬运的运动编辑指令后下发项目任务书，学生进行分组讨论，以完成项目目标。在该过程中，教师可以针对学生薄弱的地方进行指导，使学生增加对工作站的直观认识，帮助学生快速地掌握操作步骤、操作技巧，培养实际操作和编程的能力。

课后：在学生实际操作虚拟仿真平台后，教师引导学生对遇到的问题进行详细记录并做最后的总结[7] 。

3.2.4评价方式变革

合理的考核机制既可以为课程的考核提供保障，也能客观公正地检验学生的学习效果，有利于调动学生的学习积极性和主动性，提高学生的综合素质，改善课程教学质量和效果。

“工业机器人与生产线”课程以培养学生的综合能力为导向，整合理论知识和实践环节的两个部分。

在案例化教学模式下，对该课程的考核不再适合单纯依赖平时成绩和考试卷面成绩两部分，而应采用多元化的考核形式，将阶段性考核成绩融入最终成绩。同时，增设附加分机制，对突出掌握某环节的学生给予加分奖励，期末可凭借加分总数兑换奖励。该考核方式不仅可以考查学生对“工业机器人与生产线”课程理论知识的掌握情况，更可以将学生对工业机器人的综合使用、实际离线编程能力融入考试范围，以反映学生的学习效果，从而提高学生的实践能力和综合设计能力以及通过加分奖励机制提高学生的学习兴趣[8] 。

4解决问题的情况及效果

在“工业机器人与生产线”课程创新教学的实施过程中，经过团队成员不断探索、实践和完善，取得了一定的成效，主要表现在以下几个方面。

其一，学生参与度高、学习氛围浓厚，学生由知识的被动接受者转为了知识的探索者。

其二，学生的知识、能力和素养得到全方位均衡发展。数字化平台的建设将无形的知识与实际应用融为一体，虚拟仿真平台为学生提供了实操练习场所，“以学生为中心”的教学方式和全新的考核方式促使学生全方位提升。学生毕业后就业前景良好，工作满意度普遍较高。

其三，成功建设虚拟仿真实验室，后期可将其扩建成虚拟仿真工业生产线、智能制造实验室等，为学生提供更高级别的技能训练资源。

其四，将思政教育融入课程设计。培育学生对“大国智造”的科技自信和民族自信心，促进学生从“中国制造”到“中国智造”的思想理念转变。同时，在实践教学中培育学生的“匠人精神”，引導学生树立正确的职业道德观和价值观。

5结论

通过探索基于虚拟仿真技术和数字化平台的“工业机器人与生产线”课程教学新模式，我们设计了融合虚拟仿真技术的“工业机器人与生产线”课程教学内容，提出了“工业机器人与生产线”课程的理论知识和实验教学研究方法[9] 。虚拟仿真技术、数字化平台与“工业机器人与生产线”课程的深度融合有利于培养学生的“多元化” 能力，满足创新学习的需求，实现学生与所学知识之间的交互，完成“以教师为中心”到“以学生为中心”的个性化教学转变，最终低成本、高效率地提高了学生面向实际工程问题的分析能力和利用工业机器人实现产品制造的工程实践能力。