基于虚拟仿真技术的课程思政教学设计与实践

摘要：针对传统工业机器人现场编程实训课程教学现状及特点，开展基于虚拟仿真技术的线上线下混合式教学设计。通过课堂教学实施，在一定程度上解决了由于工业机器人技术应用平台价格昂贵、设备数量少，设备操作有一定的安全隐患等带来的弊端，学生的实践能力和操作水平有了明显的提高，教学效果显著。通过将中华优秀传统文化、地域文化、品德教育等要素有机地融入实践教学中，培养学生专业技能的同时，增强学生的爱国情怀，提升对工匠精神的理解，从而达到立德树人的目的。

关键词：虚拟仿真技术；混合式教学设计；工匠精神；立德树人

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.20.088

1实训教学现状与问题分析

工业机器人现场编程实训是工业机器人技术专业核心课程，该课程通过工业机器人现场编程设备的使用，实现学生掌握工业机器人系统方案设计、规划与仿真方法的目标。所选教材为校本教材，该教材围绕全国职业院校技能大赛平台，对接工业机器人应用编程职业技能等级标准，整合了工业机器人现场编程（数字化教材）等教学资源。随着参加实训人数的增加，现有实训教学模式的问题逐渐凸显，主要体现为以下3个方面：

授课对象为工业机器人专业二年级学生，通过前期教学内容，发现学生存在的问题：

（1）学习了机器编程基本指令，但是指令综合应用能力较弱；

（2）由于工业机器人技术应用平台价格昂贵、设备数量少。平均每位同学使用现场设备示教编程的概率低，导致示教器使用不熟练，这样在实操过程中易出错，耽误时间；

（3）工业机器人设备有一定的安全隐患，部分学生因操作不熟练可能会存在畏难心理，不敢创新实践。

2虚实结合的实践教学设计

通过对机器人工件搬运的虚拟构建，学生能够通过软件模拟工业机器人系统的搭建过程，对工业机器人的示教编程进行深入学习。在虚拟环境下进行新建坐标、参数设定，程序编写，示教编程，在实际操作前检查可能存在的干涉因素等情况。通过仿真实训，可大大降低实操环节的误操作及设备损坏的频率，既节约了设备使用成本，也为学生更好地学习数控知识打下了坚实的基础。实操环节后，学生仍然可以通过虚拟软件进行巩固复习，强化实训成果。

从企业实际搬运工作过程出发，提炼工作任务。通过虚拟示教器和机器人虚拟仿真软件完成工业机器人搬运程序演练，随后通过真实设备平台进行联调，以虚促实，锻炼学生对知识和技能的综合运用能力。充分运用信息化教学资源和教学手段，构建虚实结合的多维课堂，包括示教器编程、3D虚拟仿真软件、机器人运动轨迹规划、搬运程序调试方法等教学内容。展开了以学生为主体，教师为主导的理实一体、虚实结合的特色项目化教学。传递知识技能的同时，对学生进行职业素养和价值观方向的引领。将爱国精神、工匠精神、创新精神等融入本节教学中，激发学生民族自豪感以及学习工业机器人技术的使命感，树立文化自信，增加学生的学习荣誉感和学习兴趣，提升教学效果。

以全国职业院校技能大赛工业机器人技术应用平台，融入工业机器人应用编程职业技能等级考核点。根据“以赛促教，以赛促改”的教学理念，开展基于线上线下、虚实结合的混合式教学。教师作为引导者，激励者，综合运用多种教学方法（情景教学、案例教学、示范教学等），实现“做中教”。打破了传统教学中的时间、空间、资源等的限制，坚持线上与线下相结合。学生作为学习者、探索者，在教师的引导下，通过自主探究，小组合作等学习方法，实现“做中学”。充分运用在线学习平台、视频、机器人虚拟仿真等整合教学资源，优化教学过程，打造数字化、网络化、信息化为一体的理实、一体教学环境。

3以虚促实的课程思政教学实施

传统的实践教学，由于设备有限，教师先进行示范演示，学生观看教师示范，然后分组实操，教师巡视，学生学习效果不佳。为了缓解现有实训时间及设备不足的状况，提高学生的实践创新能力，在教学过程中引入机器人虚拟仿真软件，基于虚拟技术的仿真实验打破了传统实验教学的不足。现以“工业机器人水平搬运虚拟仿真实训教学”为例，说明虚拟仿真实训教学过程的设计与实施。以企业真实任务工业机器人搬运为驱动，开展线上线下、虚实结合的混合式教学，并将教学过程分解为课前探学、课中导学、课后延学3个阶段。

3.1课前探学

教师活动：课程开始前一周，发布学习资料（虚拟示教器使用教程、虚拟仿真软件视频）和学习任务（熟悉示教器的使用，通过虚拟示教器编写简单的机器人搬运程序），如图3和4所示，将作品上传到学习平台（超星学习通）。根据课前测试初步掌握学生的学习情况，及时调整教学策略。

学生活动：学生结合课程资源和学习视频资料，完成布置的任务，完成课前测试题。

设计意图：通过虚拟示教器的使用，进一步熟悉示教器的各项按键操作功能和程序编写，帮助操作人员熟悉现场示教器的使用方法、安全简便。通过与机器人仿真系统互联，初步完成机器人虚拟工件搬运，确保学生初步掌握程序的编写思路。既为课堂教学做充分的准备，还突出了学生的主体地位，培养自主探究的科学精神。

3.2课中导学

环节一：视频导学（5分钟）

教师活动：播放视频——埃夫特里的工业机器人。带学生走近“智造专家，埃夫特打破国外机器人的垄断、制造出中国人自己的机器人”。提问：视频中工业机器人都有哪些应用？

学生活动：认真观看视频，思考老师提问，积极互动。根据已学知识，温故工业机器人的典型应用领域。为随后内容工业机器人搬运教学内容作铺垫。

设计意图：引出本节课的教学内容，明确其重要性。爱国，学技能报国。强烈激发学生民族自豪感以及学习工业机器人技术的使命感，唤起学生的家国情怀和民族情怀，树立文化自信，更深刻认识到只有自身能力的提升才能为国家的发展和强盛作出贡献。

环节二：作品展示（15分钟）

教师活动：点评课前学生作品，解决学生的问题。同时，提出实际示教器与虚拟示教器的不同点，实际使用中需要注意的问题？归纳虚拟仿真软件中搬运工件编程的步骤：

（1）搭建虚拟仿真平台

（2）建立虚拟仿真平台与虚拟示教器通信

（3）虚拟示教器中编写搬运程序

学生活动：作品汇报演示，积极讨论，回答教师问题。认真听课，查缺补漏。

设计意图：针对学生自主学习中遇到的共性和易错问题进行讲解，学生在这种轻松汇报作品的同时又学习了知识点，寓教于乐。培养学生乐于思考，善于总结的能力。

环节三：虚拟仿真（25分钟）

教师活动：（1）介绍本次教学内容，将G7和G9工位的工件A，B，C，D，E，F，G，H搬运到对应的G8工位中，完成装配流水线上不同工件类型的搬运。

（2）指导学生分组，抽取所需搬运的工件类型。

（3）教师巡导，及时解决学生问题。

学生活动：明确任务，抽取所需搬运的工件类型。思考设计程序编写流程，按任务书要求在虚拟仿真软件中完成任务程序的编写、调试、运行，模拟演示搬运过程。

设计意图：学生结合具体任务，通过虚拟示教器和机器人3D虚拟仿真软件模拟实际工业机器人搬运序编写，很好地完成了技能训练。实现知识在实际中的迁移应用。同时降低了后续实操的出错率，提高了安全性。既为后面实践操作打下坚实的基础，还突出了学生主体地位，使学生在愉悦的学习中轻松地解决教学过程中的重点问题，提升了学生技能水平的同时，也提高了他们的自信心。

环节四：实践操作（35分钟）

教师活动：（1）实际操作设备前对学生进行安全教育

（2）演示如何由虚拟程序导入实际示教器：

①虚拟示教器中导出程序，修改IO编程语法程序。

②下载到实际示教器中。

③现实示教器读取程序，手动运行监测点位准确，进行点位调整。

（3）教师巡查，并作必要的指导。完成各项任务测评，记录学生操作过程中的问题。

学生活动：（1）学生以3人为一小组操作，认识实验平台，摆放工件。

（2）小组合作根据任务书，进行搬运运行轨迹示教编程，并将视频上传至学习通平台。

（3）提出加工中遇到的问题，通过教师指导解决加工问题。

设计意图：学生以小组为单位进行合作学习，实践教学中学生技能得到强化和补充。培养学生工作过程中的团队合作精神和安全意识。有效提升学生的实践能力与创新精神。实际操作中需要微调示教点位，否则会出现搬运工件位置不准确，这就要求同学们要有足够的耐心、细心和一丝不苟、精益求精的工匠精神。

虚实对比加深对工业机器人搬运应用的理解，以虚促实，有效解决了教学重点，突破了教学难点。如图5所示

环节五：总结评价（10分钟）

教师活动：对学生实操进行点评，了解学生的学习效果。评出实践部分“优秀小组”和“优秀个人”，让学生获得满足感。并将其推荐进入工业机器人技能竞赛团队。

学生活动：展示作品、互评作品。登录平台，查看自己得分。倾听老师归纳总结本节课知识点，做好笔记。

设计意图：成果分享，增强获得感。通过教师点评和学生自评，强化学生职业素养。

3.3课后延学

教师活动：教师展示一段机器人虚实联动的搬运工件视频？让同学们思考如何去实现？引入数字孪生的概念。

学生活动：巩固本次课的教学内容，思考问题，登录平台，评价教师教学效果，完成拓展学习。

设计意图：拓宽学生的知识面，强化学习内容。引导学生增强勇于探索的创新精神，使知识点内化。鼓励学生参与社会活动，将知识进行推广，课堂得以延伸。

本次课采用平台评价、学生自评、教师评价的过程考核，围绕课前自学、课中教学、课后拓展3个阶段中生成的评价数据。体现评价主体多元化，内容多维化，使评价结果更客观，让学生注重学习过程的每一步，激发学生学习积极性，促进学生的全面发展。

4特色与创新

（1）量身制定出“课前虚拟打基础，课中以虚促实练技能”两虚一实的教学环节。课前通过机器人虚拟仿真软件，多次练习示教器的使用、学习搬运指令的综合应用。解决了设备平台少，操作危险性的问题。课中根据实际生产任务完成虚拟仿真软件中程序的演练，最后真实设备平台验证，783659bc9f026ffe085e386ec77d4630层层递进，环环相扣，保证了教学质量。有效突破了教学重难点，提高了教学效果。

（2）整个教学内容依托全国职业院校技能大赛“工业机器人技术应用”赛项设备平台，以工业机器人搬运为例，融入工业机器人应用编程“1+X”技能考核点。强化教学内容的职业技能性要求，加强对学生职业技能的培养。将爱国精神、工匠精神、创新精神等思政主题巧妙贯穿教学全过程，形成全方位立体的思政教学体系，逐层递进式地实现德育目标。

5效果

（1）本次课主要借助学习平台、虚拟仿真软件及工业机器人技术应用设备平台等多种形式实施教学，使得每位学生都能随时进行无实物编程。进一步巩固示教编程方法，随后进入实践环节，学生的出错率大大降低。实现学生知识到能力的转化，从实践现场和结果考核来看，教学质量大幅度提高。教学效果得到提升。

（6）多种信息化手段应用，激发了学生的学习热情，学生参与度大大提高。多元化的评价体系和有效的奖励机制，让学生多方位提高自己的排名，增强了学生的自信心。另外，思政元素的有机渗透，使得学生获得职业技能的同时，也提升了职业素养。

6结语

本文引入虚拟仿真技术解决主传统实训课程的问题，实践证明，虚拟仿真可以很好地解决，激发教师和学生持续教与学的热情，提高了学习效果。为了全面落实校企融合教育理念，后续邀请企业导师参与评价，进一步完善考核评价体系。机器人虚拟仿真软件强大的功能让大部分同学产生极大的兴趣，随着新技术、新工艺的不断更新，后续还要继续更新课程资源和企业案例。保证资源的实用性和时效性。

参考文献

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