基于MR(混合现实)工业机器人标准化教学模式与效果评价研究

刘翠莲

（兰州现代职业学院，甘肃 兰州 730000）

当下，工业机器人在智能化、自动化以及量产化加工制造领域上的应用愈发广泛，也成为全面推进向加工制造业智能化转型的重要技术手段之一。根据《全球工业机器人2022 年》报告显示，我国的智能量产化工业机器人在世界市场上居世界首位，约占总加工制造数量的1/3，超过了欧洲制造总量之和。为了更有效地将智能化工业机器人技术普及大众，许多高校已经陆续开展了基于MR 工业机器人等信息技术的标准化实践教学模式，教育工作者在应用该技术过程中得到了许多的标准教学实践心得：教育者通过输入特定的标准化教学编程，采用实体工业机器人的形式来开展教学实践任务，注重学生的实际操作培训；也可以利用工业机器人开展虚拟现实技术来开展标准化教学，具备良好的教学安全性与可靠性。本文经过多年的教学实践摸索，认为若要开展基于MR 工业机器人的实践教学，就一定要使信息化中的虚拟技术与工业机器人实体操作进行有机结合，这就使得学生无论在理论抑或是实操均可得到一定培养。因此，本文以当前高校利用该技术应用实践教学的基本现状为着眼点，将传统与信息两大教育模式有机结合起来，提出了虚实结合的标准化实践教学模式，以期进一步拓展和延伸该技术应用于实践教学的深度与广度。

1 高职院校工业机器人标准化实践教学存在问题

1.1 标准化实践教学效率不高

工业机器人作为理论性与实践性较强的一门课程，要想高质量地向受教育者传授相关知识，就离不开系统的标准化理论学习与实际操作。而部分高职院校由于教学场地、实验经费等一系列问题，很难设置科学的场地与购买数量充足的实验设备，这就使得标准化实验教学条件受到很大限制。在工业机器人的课堂上，每一位受教育者的实际操作时间得不到有效保障，就难以熟练使用相应的智能化设备，进而降低了标准化课程的实践教学效率。

1.2 标准化课程拓展延伸不到位

工业机器人课程是一门综合性极强的课程课程，其理论通常会涉及程序编写、通信设置、轨迹规划以及I/O 设定等诸多知识内容，如果采用传统的“填鸭式”进行标准化教学实践，则势必会导致各个知识点的授课时间十分紧凑，需要授课者和受教育者进行大量的前期知识储备。而部分高等院校学生缺少课前知识准备的习惯，这也就使得工业机器人这一课程的标准化教学的拓展于延伸很不到位。

1.3 标准化课程评价指标单一

工业机器人课程中的考核评价指标是授课者和受教育者最关注的要点之一。当前对该门类课程的考核指标多局限于理论试卷答题与试验工具操作的期末考核成绩。尽管授课者也会将日常的课堂考勤与表现纳入期末考核中，但整体上仍然缺少对该门类课程的宏观把控，不利于有效地激发受教育者的主观学习能动性。

2 “传统与虚拟”结合式标准化实践教学模式的构建

根据上述对工业机器人标准化实践教学存在问题的系统剖析，并结合近年来对工业机器人课程标准化实践教学的心得体会，提出了“传统与虚拟”结合式的标准化教学模式。即在工业机器人课程中的实践操作部分中，将实操课堂进行线上线下、现实虚拟的科学分配，并结合翻转课堂与PDCA 循环等教育理念，进而形成教师引导，学生为主的高质量水平教学课堂，教学框架详见图1。

图1 教学模式流程图

2.1 PDCA 循环

（1）标准化教学准备。作为PDCA 循环中的计划阶段，标准化教学准备的主要工作包括：①标准化教案设计，经过优化完善的教案设计就是教学成功的一半；②标准化教学信息资源准备，其中包含教学内容的知识点讲解、操作案例解读、理论实践测试以及延伸阅读等；③构建数字教学平台，通常应具备数字化的相关课程设计、建设、任务以及督查等功能模块，为工业机器人提供现实虚拟实践教学的全面开展提供信息化支撑。

（2）标准化教学实施。作为PDCA 循环中的执行阶段，主要是让既定的标准化教学目标得以实现，本次将教学授课环节分为课前、课中、课后三个部分，教学课中由授课教师组织学生进行集中理论与实践学习，课前、后则在授课教师引导下，指示学生积极开展线上自主学习作业，并在合理时间范畴内进行疑难知识点解读。

（3）标准化教学评价。作为PDCA 循环中的检查阶段是评判其是否达成既定标准化教学目标的重要环节。本次拟依据构建的具丰富教学应用功能的数字信息平台进行切实有效的标准化教学评价活动，这里面既包含对学生的考核评价，又有对教师授课效果的考核评价。科学准确的标准化教学考核评价有助于及时发现教学中存在的问题，对于提升实践教学效果十分有益。

（4）标准化教学反思。作为PDCA循环中的收尾阶段，对于标准化教学具有一定的调节反馈作用。该环节主要是对存在的问题进行系统整理与归纳，进而对标准化教学进行科学优化和整合。然后进一步开展下一次的PDCA循环作业，已形成更高层次的标准化实践教学PDCA循环。

2.2 翻转课堂

（1）课前自学。授课教师在教学前完成教案设计，并将各类数字信息化教学资源上传完毕，学生通过多功能教学信息化平台自主开展线上学习，熟悉相关知识点与实操手册，并进行工业机器人方针操作模拟实验，对于后续实际操作注意事项具有感官认知。

（2）课中实操。课中授课教师利用实操案例视频将学生进行情境导入，并通过学生线上学习情况，有针对性地开展疑点难点剖析解读。再将学生进行试验分组并展开设备实操试验，由于在课前学生已经进行了离线实操模拟，因此只需要将虚拟实操数据进行略微调整，即可导入实体设备中，极大地提升了实操编程效率。

（3）课后延伸。在完成既定理论知识与实际操作等既定标准化实操任务后，授课教师可以提升一定的实践课程难度，以便激起学生的主观学习能动性，进而利用工业机器人虚拟仿真程序进行延伸任务的完成，促进自身的知识技能得到进一步提升。

3 教学案例

3.1 标准化教学准备

本次标准化教学设计采用课前、课中、课后三个教学实践环节进行授课，各环节任务详情见图2。线上应用经优化后的网络教学超星平台，并录入各类型数字信息化教学平台；线下选取与我校合作某电子股份有限公司旗下的工业机器人实验平台，并配备有离线试验操作数据记录功能模块，以此来进行模拟与现实的实操仿真模拟任务。

图2 标准化教学各环节任务图

3.2 标准化教学实施

由于学生在课前已经利用线上虚拟教学平台进行了理论与实操预习，对于理论知识中的疑难点与实操中的注意事项均产生了一定认知，因此，在课程实施过程中学生的学习效率将会极大提升，工业机器人的实操完成度将会有较高标准，在课后也会完成相应的延伸训练模拟实操任务，充分实现了线上与线下、现实与虚拟间的标准化教学体系相互补充与结合。

（1）线上仿真。学生需要自行在标准化教学网络平台上下载工业机器人虚拟操作相关文件，并使用特定软件进行线上仿真模拟试验操作。具体仿真实操模拟步骤如下：构建工业机器人分拣程序、设计分拣调控设计方案、规划分拣线路轨迹、设定关键节点、编写离线操作仿真程序、观察仿真实操模拟结果。

（2）线下试验。在线下进行标准化教学实验时，可以将学生进行仿真模拟操作后的离线程序导入工业机器人实体设备中，而后根据教学既定要求积极开展试验，具体实验步骤如下：创建工作底板分拣坐标节点、设置固定通讯信号、规划分拣线路轨迹以及分拣点放置程序等，进而形成完整的工业机器人分拣流程，详见图3。实验教学完毕后，授课教师可以依据学生不同的实操完成情况，设置不同的模拟仿真操作任务。

图3 工业机器人分拣流程图

3.3 标准化教学评价

本次采取理论考试、现实实操以及调查问卷的形式对授课教师、上课学生进行标准化教学实践考核评价，在对学生的评价中涉及线上（仿真实验、理论考试）、线下（考勤、活跃度）等诸多方面的综合考量，而对教师的考核评价则主要通过调查问卷的形式，对其教案设计、传授内容等方面进行客观评判。除此以外，根据统计学原则对各类评定指标进行合理的权重评定，以此成为改进标准化教学质量的重要客观依据。

3.4 标准化教学反思

本次采用“传统与虚拟”结合式标准化实践教学模式应用于我校智能制造专业某班，与传统教学模式相比，课堂的教学试验完成度有了显著的提升。根据后续调查统计，应用创新标准化试验的班级学生实体完成率高达92.3%，而采用传统教学的实体完成率仅为60.8%，详见表1。统计数据说明，创新标准化教学模式充分激发了学生的主观能动性，初步形成了我想学习、我爱学习的良好学习氛围。

表1 实验任务完成度对比

3.5 标准化教学效果

笔者经过一学期的标准化教学实践，我校智能制造专业学生对工业机器人编程与应用这门专业教学课程的认可度达到90%以上，学生理论水平与实体操作达成度均提升较高，上述存在的教学问题也得到了一定程度的优化与改善。教学团队在“传统与虚拟”结合式标准化实践教学模式的不断探索中，其标准化教学能力也得到了显著提升。

4 结语

基于MR（混合现实）工业机器人标准化教学模式的构建，是结合了翻转课堂方式与PDCA 循环原则，以现实手段与虚拟技术相融合的前提下，进行的教师引导、学生主学的标准化教学实践体系，不但突破了传统教学中的时空限制，而且有效地解决了学生自主学习积极性不高、实体操作条件不足等诸多难题，对未来的创新模式标准化教学具有一定的理论与实践借鉴意义。