工業機器人的虛擬仿真實驗課程探索

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【摘要】本文以工業機器人的虛擬仿真實驗教學為切入點，針對當前工業機器人實驗教學面臨的問題探索教學改革方案，提出虛擬現實技術與在線課堂相結合的混合式教學模式來開展工業機器人虛擬仿真實驗教學，通過虛擬現實技術構建適用于學科建設要求的新一代實驗教學平臺，既能夠生動地展現工業機器人的組成原理和操作細節，又可以避免實驗危險因素，提高學生的學習熱情，使學生對課程知識有更深刻的理解和熟練的掌握。

【關鍵詞】工業機器人；智能制造；虛擬仿真實驗；虛擬現實；在線課堂

1引言

為打造具有國際競爭力的制造業，我國提出“中國制造2025”戰略計劃——實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領來應對未來國際制造產業日益激烈的競爭挑戰。工業機器人是智能制造的重要組成部分，在工業自動化改造的需求刺激下，工業機器人的需求逐年增長，因此對培養實用型專業技能人才隨之提出新的要求。從工業機器人教學質量來看，需要改進上課的教學手段，進行教學改革，加強實踐操作，為提升課程質量必須加快推進信息技術與教育教學的深層次融合，將互聯網、遙操作、虛擬現實等技術深度應用到教育教學中來，以此培養出更多優秀的工業機器人專業化人才[1]。

2傳統工業機器人實驗教學中存在的問題

2.1教學過程的問題

工業機器人的實驗，主要有兩種方式：離線編程及示教編程。因為現有的離線編程效果得不到保證，仍需要在示教編程上進行修改，無法滿足教學需求，所以還是需要用到示教模式來進行教學。但是示教在線編程過程繁瑣，效率低，且示教器種類過多，學習量過大，對實際的機器人進行示教時要占用機器人，使用時間過長，不利于實現教學的高效原則，教學效果差。在現實環境中，操作過程往往依賴示教器進行現場編程，初學者容易發生事故，輕則撞壞設備，重則撞傷人，容易造成人為的機械故障，而且對于復雜的路徑，示教在線編程難以取得令人滿意的效果。對于新手來說，誤操作率較高，不利于學習及實踐，降低了教學效益。目前的工業機器人教學模式仍是多媒體授課，教學手段單一，教師在講臺講解，學生在下面聽講，造成較沉悶的單向灌輸式教學的課堂氛圍，缺乏師生之間的有效溝通互動，學生一直處于被動吸收的狀態，缺少自主思考時間，所以學習積極性也隨之降低，思維容易固化，無法實現培養學生拓展思維的目標。在課堂中老師不能及時地收到學生的學習反饋、了解學生的認知水平、掌握學生學習情況及實時評估效果，以至于無法及時地調整教學手段和內容。學生在課前預習時因為沒有實驗設備及操作視頻可供參考，造成預習效果不佳，無法完全吸收課堂知識，聽課質量下降。在教師演示操作過程時學生會因為看不清操作細節，以及無法記住繁雜的操作步驟而使教學效果大打折扣，以至于在老師講完實驗過程之后，學生仍處于一種云里霧里不知從何下手進行實驗的狀態。在課后復習時，學生無法在沒有老師陪同下單獨使用危險度較高的實驗設備進行回顧和鞏固所學知識，導致實驗教學質量往往比理論教學低的現象。

2.2教學資源的問題

學生人均教學資源不足。因為限制于課程學時安排、實驗室空間、器材成本、實踐安全問題，所以分配給每個學生的教學資源不夠充裕，不利于學生進行課前預習、課后回顧復習及練習，上課有問題無法及時與老師交流，造成學生看不見，老師“教不了”的現象，削弱學生接收知識的積極性，課堂效率下降，降低實驗教學質量水平，教學達成度較低。學校教學資源浪費嚴重。在時代更迭快的背景下，教學設備需要跟上時代更新的步伐才能培養出新一代的優秀人才，但是在設備更新的同時，意味著舊設備將被閑置，且新設備費用昂貴，加重學校的負擔。在教學過程中因為學生的操作失誤往往會造成設備磨損毀壞及材料的嚴重浪費，增加維護保養負擔。

3應用“虛擬現實+在線課堂”創新實驗教學

隨著時代的進步與發展，傳統的教學模式發生了巨大的改變。在大數據時代，信息的交流顯得尤為重要,師生之間有效的學術交流在網絡載體上得以擴大實現。網絡技術的不斷更新和科技的進步也使得學生接受教育的方式和途徑更加多樣化[2]。在此提出一種使用虛擬現實技術與在線課堂相結合的混合教學模式來解決傳統工業機器人實驗教學中存在的問題。

3.1虛擬現實技術的應用

利用虛擬現實技術可以將人與電子設備連接，實現虛擬實驗過程，將實驗的全部活動及所需資源再現在電腦上，實現機械設備被電腦模型代替，用計算機虛擬工業機器人示教編程代替現實實驗過程來進行機器人實驗教學，使得學生可以在這逼真的虛擬環境中產生觸覺、視覺等共同作用的仿真效果，沉浸式投入學習過程中。采用RobotStudio2019工業機器人仿真實驗平臺進行教學，RobotStudio軟件利用強大的仿真能力實時仿真工業機器人及配套設備的運動控制，對初學者學習工業機器人應用有非常大的幫助，有利于學生開展項目制的學習。如采用“理實一體化”的教學模式、“項目引導—任務驅動”的教學模式。設計實際工況環境，了解機器人應用編程與外圍傳感器以及PLC等設備的聯系，以做到更為全面的“教、學、做”為一體的教學體系，實現教學與工作崗位的最大程度的銜接[3]。應用虛擬現實技術構建工業機器人虛擬仿真實驗教學系統來模擬虛擬操作環境可以解決教學過程操作危險的問題及打破高成本、不可逆的實驗難題，減少事故發生率，提供多人次、多場次的沉浸感受式教學環境，彌補教學設備不足的問題，打破時間、空間及實驗場地的限制，有效解決了學生人均資源不足的現狀，縮短教學時間，提高教學效率，突破紙上談兵的不足。大幅度降低教學支出，杜絕了設備及材料浪費、實物磨損毀壞的情況，并且能夠及時更新豐富教學資源，接上時代的正軌，培養出優秀的工業機器人專業化人才。對學生而言，使用VR技術的新奇方式進行上課，通過電子設備輕而易舉地實現身臨其境于實驗中的感覺，通過虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能在虛擬的學習環境中扮演一個角色，全身心地投入學習環境中，有利于學生的技能訓練[4]。激發學習動機，增強學習體驗，提高學生學習興趣，提升學生自主學習能力，實現良好教學達成度，而且還可以減少試驗成本和操作危險性，保證了學生的安全。虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能在虛擬的學習環境中扮演一個角色，全身心地投入學習環境中，有利于學生的技能訓練[5]。對教師而言，虛擬現實技術可以將現實中不可見、隱藏性的實體結構完全呈現給學生，讓學生更好地了解工業機器人的結構，增益教學效果。也可以仿真學生在實踐過程中出現的不恰當操作，記錄在軟件的評估結果里，可以對教學效果進行實時評估，極大地提高教學效益。將虛擬現實應用到實訓中不僅拓展知識“寬度”，提升技能“深度”，而且降低管理“難度”，減輕教師“強度”[4]，使教學手段多樣化，提高實驗教學質量水平。

3.2在線課堂的應用

雨課堂是清華大學和學堂在線共同研發推出的混合式教學工具，借助智能手機微信平臺加深師生互動，完成課前文字資料、視頻的傳輸，課中的實時互動，課后的數據總結等工作，覆蓋優化課前-課上-課后的教學環節。在課前，老師可以將PPT實驗操作視頻等教學資源上傳至雨課堂，供學生在課前進行完整的預習，將學習的決定權交給學生，充分利用課堂寶貴的時間，讓學生直觀地了解上課流程，對不懂的知識點做到心中有數，直接帶著問題進行實驗，提高聽課質量和實驗質量水平。而且老師在教師端可以利用“雨課堂”的數據分析機制收集學生的全方位預習信息，實時掌握學生的預習進度，預習效果，了解學生對知識的掌握程度，根據學生預習情況適當小幅度地調整和改進課堂內容，重點講解大多數學生在預習中遇到的問題，在課堂上留更多的時間給學生進行討論思考，增強學生的自主思考能力，調動學生的學習積極性。在課后，老師可以直接在“雨課堂”平臺上布置練習作業，直接對學生的學習結果進行評估，減少教師的負擔，將更多精力用于提升課堂內容及課后答疑上。學生也可以不受時空限制與老師進行及時的溝通解決疑惑，并且可以及時地復習上課內容，消除中間的空白過渡期，夯實所學知識，達到“溫故而知新”的目的。

3.3虛擬現實技術與在線課堂結合的教學框架的優點

該教學框架重塑“教與學”模式。以虛擬現實教學資源和以大數據、人工智能算法為基礎的互聯網作為新式教學媒介，將虛擬現實的特性與互聯網的協作性、便捷性、共享性深度融合，開創以教師為基點，輔以虛擬現實實驗資源和云平臺手段的、圍繞學生這一核心的新型“虛擬現實+在線課堂”實驗教學模式[1]。虛擬教學的主要特點為:（1）將知識要點附加到三維模型上，實現知識要點的三維可視化；（2）三維結構可以任意旋轉、縮放,互動拆裝；（3）工作原理三維動畫展示；（4）計算仿真結果三維可視化；（5）三維電路仿真接線及測試；（6）虛擬場景，可自由行走、體驗、觀察[6]。學生使用虛擬現實設備進行在線課堂的模擬工業機器人操作實驗，能夠在360度沉浸式的3D教學環境中獲得更好的學習體驗，對實驗的理解更加清晰。在這種教學模式下豐富了學生可用的教學資源，打破傳統教學模式的限制，激發學生學習的潛能，提高課堂質量水平。

4結語

隨著虛擬現實技術的發展進步，將虛擬仿真技術與教育教學相結合，逐步融入實踐教學當中，已成為當前的熱門研究。未來，人類進入虛擬空間進行學習是一種新的學習形式和發展趨勢，虛擬現實教學是傳統教學適應現代人才培養的一種新型教學模式。在“虛擬現實+在線課堂”的新教學模式下，將教師、學生和教學資源串有機結合在一起，形成沉浸感受式、交互聯動式、自主探索式的學習模式。結合在線平臺可以實現隨時隨地的操作，不受實驗資源條件約束，能夠滿足工業機器人實驗教學的實踐性需求。

參考文獻

[1]陳清奎,魏鑫鑫,何芹,等.基于“VR+云平臺”的機械類專業實驗教學模式改革與實踐[J].實驗技術與管理,2020,37(7):1-4.

[2]趙翔,何燕麗.“雨課堂”與虛擬現實技術的結合式教學[J].科教導刊(電子版),2019(22):3.

[3]孫紅英.基于RobotStudio的機器人碼垛工作站虛擬仿真設計研究[J].科技資訊,2019,17(21):25-26.

[4]劉揚,陶福春,魯德才,等.工程訓練中心“互聯網+技能訓練”教學模式探索與實踐[J].中國管理信息化,2018,21(22):184-185.

[5]嚴慧萍.虛擬仿真在中職實訓教學中的應用研究[D].福州:福建師范大學,2014:21.

[6]魯言輝,陳清奎.鍛造技術VR實訓教學系統的研究與開發[J].模具工業,2020,46(4):75-78.

作者： 張帆  單位：廣東技術師范大學