基于虚拟仿真技术的中职工业机器人专业课程教学研究.pdf

专业领航ZHUANYE LINGHANG教师TEACHER 1262023 年 7 月Jul.2023一、国内外研究现状国外关于将虚拟仿真技术应用于教学的研究开展得较早，也取得了较多的成果。1HaslinaA.提出机器人在社会发展中的角色越来越重要，但是机器人教学存在教学资源不足等问题，因此建议引入虚拟仿真技术进行教学，以克服教学资源不足的问题。随着近些年中国的飞速发展，国内也有较多的学者进行了相关教学研究，但是系统性的教学研究偏少。辽宁省交通高等专科学校在轨道交通课程中引入“地铁线路控制虚拟仿真”并进行了教学实践，取得了较好的教学效果。多款虚拟仿真平台在国内学校得到了应用，这种新的教学手段大大提高了高校课程尤其是工科课程的教学效果，但是由于虚拟仿真技术应用于教学还处于起步阶段，相关的虚拟仿真技术软件及平台太多，但都不是特别成熟。各个学校间使用的虚拟仿真平台不一致，无法实现校际交流合作，导致各平台资源的使用率较低，教学效果得不到保障。总体来说，专门针对虚拟仿真技术应用的教学模式研究偏少。二、中职工业机器人专业课程教学中存在的问题及解决措施（一）存在的问题随着中国社会的迅猛发展，近些年工业机器人技能人才需求量巨大，而工业机器人专业课程又是培养工业机器人技能人才的主要课程，因此该课程教学效果决定了专业人才培养效果。但现阶段工业机器人专业课程教学过程中仍然存在诸多问题。1.教学资源不足工业机器人专业课程教学过程中需要用到工业机器人工作站（以下简称“工作站”）、场地等教学资源，但是工业机器人工作站普遍价格较高，学校一般不会购买较多的工业机器人工作站，教学资源不足导致学生在学习过程中操作练习时间偏少，这严重影响了学生工业机器人职业能力的培养。2.安全隐患多工业机器人全身都是金属制造的，电机转动速度可以很高，如果机器人和人发生碰撞，将会对人体造成非常大的伤害。2同时，操作机器人的安全程度还取决于使用者的技术水平和保养及维修等诸多因素。但是由于学生刚刚接触工业机器人工作站，且学生大部分还未成年，因此安全意识不够，缺乏职业素养，由此，工业机器人专业课程教学过程中存在许多的安全隐患。3.企业对接滞后在工业机器人专业课程教学过程中，由于资金的限制及政策要求，学校无法根据行业企业的变化更换工作站，这导致了课程教学无法跟上行业企业发展的步伐。（二）解决措施1.应用虚拟仿真技术，进行辅助教学以实际工作站为蓝本，开发和实际工作站相似的虚基于虚拟仿真技术的中职工业机器人专业课程教学研究丁海涛，徐金鹏摘 要：文章在国内外研究现状的基础上，以集美工业学校为例，分析了中职工业机器人专业课程教学中存在的问题及解决措施，探索了基于虚拟仿真技术的教学模式，具体分析了教学理念，提出根据人才培养方案及教学实际确定工业机器人专业课程的教学目标，进行了基于虚拟仿真技术的“教学做”一体化教学模式研究，分析了其教学效果。文章对基于虚拟仿真技术的中职工业机器人专业课程教学进行了研究，以期为相关教师提供参考。基金项目：本文系2021年度厦门市教育信息技术研究课题“机器人虚拟仿真实训教学环境建设与应用”（XMKT2101）；2021年福建省中青年教师教育科研项目“典型钣金加工焊接产品柔性制造生产线方案设计”（JAT210561）的研究成果。作者简介：丁海涛（1984），男，湖北黄冈人，讲师，硕士研究生，研究方向：工业机器人、柔性制造；徐金鹏（1987），男，山东潍坊人，一级实习指导教师，研究方向：工业机器人、机械制造及自动化。中图分类号：G642 文献标识码：A 收稿日期：2023-02-25 文章编号：1674-120X（2023）19-0126-03关键词：工业机器人专业；虚拟仿真技术；教学模式（集美工业学校，福建厦门361022）专业领航1272023 年 7 月拟工作站，建设工业机器人虚拟仿真工作站，让每位学生在教学过程中都可以同步学习，这保证了学生的操作练习时间，使得工业机器人专业课程的教学不完全依赖于实际工作站，大大降低了经费及场地的要求。以集美工业学校为例（以下简称“我校”），具体教学条件对比如表 1 所示。2.应用虚拟仿真技术避免设备损耗和人员伤害通过虚拟仿真技术让学生先在虚拟工作站上进行练习尝试，在学生熟悉工业机器人的操作之后再让学生上实际工作站练习，这避免了学生的错误操作对设备的损耗和对人员的伤害，同时大大提高了学生的实际动手能力。3.及时根据行业发展开发典型应用虚拟工作站通过虚拟仿真技术能够灵活地构建企业的生产任务及情境，让教学紧跟企业发展步伐；通过虚拟仿真技术，师生可以进行创新应用，引入新的案例，丰富课堂内容，这有助于培养师生的综合能力和创新精神。三、基于虚拟仿真技术的工业机器人专业课程教学模式的建构（一）教学理念新建构主义理论是以学生为中心建设工业机器人专业课程的理论基础。在教学过程中，学生探索工业机器人实际案例的解决方法与策略，教师引导学生进行探索学习，最终学生通过讨论得出解决方案，这提高了学生解决实际问题的能力。同时，学生在学习过程中深入理解理论知识，提高了操作能力和团队协作能力，完成了对工业机器人专业知识的思考、探索、总结和反思，从而有效地建构与内化了知识。情境学习理论是基于学生的学习心理建设工业机器人专业课程的理论基础。将工业机器人的知识具体化和情境化，可以提高学生的学习效率。在具体课程开发过程中，利用虚拟仿真软件和教学场所搭建工业机器人行业典型真实的工作环境，让学生有身临其境的感觉。由此，学生更加容易接受专业知识，在学习的过程中也更加专注和投入，从而提高学习积极性和主动性。（二）教学目标工业机器人专业课程的教学目标是依据工业机器人技术应用专业人才培养方案制订的，再结合学情、教学硬件、合作企业、合作高校等现实因素，最终确定适合本校工业机器人专业课程的教学目标。3根据布鲁纳认知结构学习理论，可将工业机器人专业课程的教学目标分为知识与技能目标、过程与方法目标、情感态度价值观目标。1.知识与技能目标（1）掌握工业机器人操作与编程等基础知识。（2）掌握工业机器人工作站安装、操作、调试、维护的知识和能力。（3）掌握工业机器人行业典型应用编程和调试等能力。（4）具有控制和调试工业机器人工作站周边设备的能力。2.过程与方法（1）以学生自主探索为主，教师负责督促、评价。（2）通过小组合作学习等方式，锻炼学生的合作学习能力。3.情感态度价值观（1）培养学生爱国意识、安全意识和精益求精的工匠精神。（2）能分析和解决问题，在过程中保持专注和严谨。（3）具备较强的沟通、协调、分析和判断能力，良好的人际交往能力和团队精神。（三）基于虚拟仿真技术的“教学做”一体化教学模式“教学做”一体化教学模式4就是将“教、学、做”有机结合起来，让学生体会到“教、学、做”不是独立进行的，而是有机结合的。基于虚拟仿真技术工业机器人工作站工业机器人虚拟仿真工作站包含模块绘图、搬运、检测排列、码垛、汽车涂胶装配、装配绘图、搬运、检测排列、码垛、汽车涂胶装配、装配、火花塞搬运、玻璃涂胶、车灯涂胶、玻璃装配、弧焊应用、点焊、综合应用等成本31 万/台，购买六台工作站共花费 186 万0.5 万/台（DELL成铭 3967+robotstudio6.08），购买 45 台虚拟工作站共花费 22.5 万教学 45 人班级需要的时间（以简单绘图模块为例）4h0.5h包括的机器人系统IRB120IRB120、IRB1200、IRB140 等、搬运机器人、并联机器人、协作机器人、SCARA 机器人、喷涂机器人、通过变位机和导轨实现外轴移动的机器人工具绘图笔、吸盘工具、夹爪工具可以用 solidworks 软件进行建模设计导入机器人工作站使用成本定期维护、维修，电脑电脑改造潜力基本无法改造进行电脑、robotstudio 软件升级、教学资源开发，花费较少，基本可以无限改造表 1 工业机器人工作站和虚拟仿真工作站教学条件对比（以集美工业学校为例）专业领航1282023 年 7 月的“教学做”一体化教学模式，主要通过虚拟仿真技术辅助教学，在这个过程中，师生的角色发生了改变，教师由传统的知识的传授者变为引导者，学生由以前的被动听课变为积极参与学做一体的教学实践活动；教学组织也发生了变化，由传统的教室上课转变为学生在工业机器人虚拟仿真教室边学边做边练，同时分组教学使得学生可以互相交流，以“教”促“学”；教学方式由原来的讲授变为信息化、智能化教学。与此同时，将教师的引导、师生头脑风暴、实际企业任务贯穿于整个教学过程当中。在此教学模式下，学生的“主人翁意识”被充分激发，学习积极性提升，学生在知识学习中体验到了更多的学习乐趣，更积极地参与教学活动当中，最终达到以学生为主体的教学目的。在“教”的环节中虚拟仿真技术的运用使得理论知识具体化和实操知识情境化，加深学生对理论知识的“学”，同时学生在虚拟仿真工作站上操作任务，大大提高了学生“做”的能力。借助工业机器人虚拟仿真软件，虚拟仿真环节的教学能实现理论教学与实际操作的衔接。虚拟仿真既承上启下又贯彻始终，通过虚拟仿真试验对比，学生可以清晰地认识到工业机器人指令各参数的含义、各程序段的意义、各例行程序的作用，从而对理论知识进行验证，加深对理论知识的理解。通过虚拟仿真技术，学生可以先在虚拟仿真工作站上进行操作练习，从而大大缩短学生在工作站上的试错时间，保护人员和设备的安全，锻炼学生的实操能力，培养学生的职业素养和安全意识。以我校虚拟仿真教学为例，虚拟仿真教学内容主要包括实时可交互（VR）模块、机器人虚拟工作站模块、工业互联模块，三个模块教学所涉及的知识与能力包括工业机器人结构认知、安装及维护，工业机器人基本操作与编程，工业机器人工作站的功能调试与实施，周边设备的控制与调试，职业素养，工业机器人数据传输能力，智能制造工业互联，数据采集与分析能力，如表 2所示。而这些能力恰恰满足了企业需求，同时是工业机器人专业人才培养方案提出的目标。在整个教学过程中，5对学生进行过程性评价，这便于教师及时发现学生存在的问题并进行指导，能促进学生形成良好的职业素养。在总结性评价环节，让学生进行组间相互展示，可以提高学生的沟通和表达能力，同时能培养学生的集体荣誉感和竞争意识。（四）教学效果分析我校通过前期教学实践，将学生的期末考试成绩、课堂表现同之前的进行对比，发现接受采用基于虚拟仿真技术的“教学做”一体化教学模式的工业机器人专业课程教学的学生成绩优于之前，学生的满意度也优于之前，而且学生在课堂上的参与度较高，教学效果较好。四、总结随着社会的发展，越来越多的学校将虚拟仿真技术应用于教学。将虚拟仿真技术应用于工业机器人专业课程尤其是工科相关课程教学，是一种新的趋势。采用基于虚拟仿真技术的“教学做”一体化教学模式，不但能节约工业机器人专业课程教学成本，而且能使工业机器人专业课程教学内容和形式更加多元，更具创新性，从而使学生的主动性和积极性大大提高，提高教学效果，促进学生专业发展。研究基于虚拟仿真技术的“教学做”一体化教学模式能为工业机器人专业课程教学提供参考，同时能为学生的就业和升学打下良好的基础。参考文献：1 徐传浩.基于理虚实一体化的中职工业机器人编程与操作课程开发研究 D.天津：天津职业技术师范大学，2022.2 张世翔.关于工业机器人的事故分析及其对策 J.工业安全与环保，2002（3）：26-29.3 岳宇航.基于工作过程系统化的中职工业机器人操作与编程课程开发 D.桂林：广西师范大学，2020.4张立清，丁 原，于晓雯.基于“教、学、做”的一体化教学模式研究 J.贵阳学院学报（自然科学版），2017，12（3）：37-39.5 汪 倩，张 强，戚 歆.基于“智能+教育”的虚拟仿真金课教学模式构建以航海技术专业为例 J.武汉职业技术学院学报，2021，20（2）：101-105.虚拟仿真形式 虚拟仿真内容所培养的专业知识技能实时可交互VR、AR 等工业机器人的结构、安装、维护工业机器人虚拟工作站绘图1.工业机器人基本操作与编程；2.工业机器人工作站的功能调试与实施；3.工业机器人周边设备的控制和调试能力；4.职业素养。搬运检测搬运码垛汽车涂胶装配装配工业互联数字孪生1.数据传输；2.智能制造工业互联；3.数据采集与分析能力。边缘计算表 2 工业机器人专业课程虚拟仿真教学