基于翻轉課堂和虛擬仿真的工業機器人教學設計與實踐

周廣宏　胡俊平

[摘要]工業機器人教學過程中最困難的莫過于操作，鑒于實際資源的有限性和獨占性，提出借助于虛擬仿真平臺，既可以提供接近真實的實踐操作環境，又拓展了工業機器人的應用。應用翻轉課堂和虛擬仿真，對工業機器人課程進行了教學設計和實踐，學生取得了相應的知識理解和動手操作能力。

[關鍵詞翻轉課堂;虛擬仿真;工業機器人

[中圖分類號]G712??????????? ??????? [文獻標志碼]? A???????? ?????? [文章編號]? 2096-0603（2018）34-0048-02

一、引言

隨著社會經濟和現代技術的發展，工業機器人被“中國制造2025”列為十大重點發展領域之一，高職院校不僅開設了工業機器人專業，而且在制造類相關專業中也開設了工業機器人技術相關課程。根據高職院校的辦學理念，課程內容側重實踐和應用，注重理論和實踐結合[1]。本文根據我校“工業機器人技術及應用”課程具體情況及外校“工業機器人技術”課程教學現狀，利用翻轉課堂和虛擬仿真等手段進行了該課程的教學實踐和探索[2-4]。

二、理虛實一體化的必要性

（一）工業機器人課程特點

本課程涵蓋了機械、傳感、控制、通信、系統等技術，通過本課程的學習，學生能夠掌握工業機器人的構成、運動學、驅動方法，基本掌握工業機器人中涉及的傳感器應用技術，熟悉工業機器人控制功能的基本要求，能夠進行簡單的機器人編程，具備維護工業機器人的初步能力等，為今后從事工業機器人的應用打下一些基礎。

作為本課程教學載體的工業機器人具有：（1）價格非常昂貴;

（2）拆裝維護難度高;（3）操作的安全性要求高;（4）在線學習利用率不高等特點。

（二）VisualOne虛擬仿真平臺

常見的工業機器人仿真軟件有RobotStudio、RobotWorks、Robotmaster等，能夠支持工業機器人離線編程等操作，但大部分軟件只支持制造商自己的工業機器人，比如RobotStudio仿真軟件是ABB工業機器人的配套產品。[5]

而VisualOne虛擬仿真平臺是一種全方位工業智能制造虛擬仿真系統，能夠將工業機器人、電氣及周邊設備進行三維虛擬仿真，便于生成豐富的貼近現實案例的教學資源。能夠提供ABB、KUKA、FANUC、Yaskawa等34個機器人品牌1200多組工業機器人虛擬仿真組件，在教學實施過程中，教師可以布置多樣化的工業機器人應用案例，引導學生在課后進行所學知識的遷移和鞏固。比如，在工業機器人路徑規劃編程操作方面，可以通過選擇路徑或者直接生成路徑降，簡化路徑規劃編程實現。

（三）理虛實一體化

目前，基于學校在工業機器人實訓資源不充足的現實情況下，為了滿足工業機器人教學內容側重實踐和應用，提出利用仿真平臺訓練學生，以便掌握工業機器人技術。在仿真平臺上進行學習和離線編程，實現資源共享和降低學習難度。

三、教學設計與實踐

本文以我校開設的工業機器人技術及應用課程為例，圍繞“工業機器人的機械結構”進行教學設計并實踐。

（一）設計理念

1.在工業機器人技術及應用課程內容的框架安排上，采用“情境+任務”的模式，以工業機器人技術為主線，以工業機器人應用案例為教學載體，將課程內容分成六個單元，每一單元分為若干學習情境，每個學習情境由若干典型任務組成。

2.以任務為引領，增強學生學習的興趣和主動性。

（1）任務明確：通過VisualOne仿真平臺，實現工業機器人設備仿真、單關節運動以及運動學仿真。

（2）激發興趣：在技術手段方面，以超星泛雅平臺為教學資源，采用動畫、視頻等多媒體形式，以VisualOne仿真軟件進行模擬操作，增強學習興趣。

（3）過程監督：以過程和成果考核為約束，提高學生學習的主動性和持續性。要求學生課前登錄網絡教學平臺，預習相關內容;運行VisualOne仿真平臺，準備好相應工業機器人設備仿真。

3.理虛實一體化，通過“做中學”“學中做”實施理虛實一體教學，使學生在“做”中發現問題、解決問題，提高學生問題處理和實踐動手能力。

（二）學習情境

電氣類高職本、專科各專業畢業生的就業主要崗位為自動化

設備安裝、系統調試與維護、自動化設備工藝實施、小型自動化系統集成等;通過開展行業、企業崗位調研及畢業生調研、同行專家座談等方式，經過排序、歸納后，確定了畢業生的5大培養目標和13項畢業要求，“自動化生產設備的安裝、調試、運行、維護”是一項核心畢業要求，其中涵蓋了“工業機器人技術及應用”這一重要指標點。工業機器人是典型的自動化生產設備，廣泛用于裝配、搬運、堆垛、噴涂、焊接等領域。我們根據工業機器人技術的內容，結合其應用的工業案例和仿真平臺，如圖1所示，將課程內容分為六個單元，每一單元又分為若干情境，每個情境中又分若干任務，以任務驅動方式開展，要求學生掌握工業機器人的機構、感知、驅動、控制、編程以及應用，根據任務要求在仿真平臺上開發工業機器人技術的驗證和應用，所見即所得，直觀且實時獲得反饋。

（三）教學方法

1.任務驅動教學法

課前，教師以任務工單的形式布置探究性學習任務，學生通過查閱網絡教學平臺的資料，對知識體系進行整理、對知識要點進行學習，在完成任務要求的同時，提升了提出問題、分析問題、解決問題的能力，培養了學生獨立思考及自主探究的能力。

2.參與式教學法

以學生為中心，通過課前預習任務，用預習報告講解演示、課堂討論、小組匯報等方式，激發學生的學習興趣;課程中，采用組內、組間互評，鼓勵學生積極參與教學過程，培養學生團隊協作和解決問題的能力。

3.探究教學法

在教師引導下，學生主動探究如何進行驗證方案設計等，培養學生不斷優化、精益求精的工匠意識和學無止境的探究精神。

（四）教學設計流程

本教學設計分為課前準備、課中實施、課后鞏固三部分。

1.課前準備

教師通過超星泛雅平臺推送課前任務單，要求學生通過超星泛雅平臺，學習工業機器人的機械結構知識，仔細分析任務工單，以小組為單位進行工業機器人在Visual One仿真平臺上的構建，提交預習報告。

2.課中實施

通過情境導入，使學生了解本次需完成的任務，即工業機器人機械結構的學習及仿真操作。如圖2所示，第一環節：任務引入。通過“情境導入—小組匯報”等步驟引入任務。第二環節：破難解疑。通過“問題反饋—問題講解”等步驟，破解任務中工業機器人機械結構的難點和疑點。第三環節：仿真操作。學生在VisualOne仿真平臺上進一步完善工業機器人設備仿真，并通過簡單示教實現工業機器人的運動學問題驗證。依次進行“小組討論—任務確認—仿真操作—巡回指導—仿真驗證”等步驟，通過仿真平臺虛擬物化學習成果，提高學生的獲得感。第四環節：總結評價。通過組內互評、教師講評和組間互評全面總結學生的知識掌握情況。依次進行“上傳視頻—組內互評—教師講評—組間互評—教師點評”等步驟，多元評價學生表現。

3.課后鞏固

通過仿真操作視頻和驗證方案，總結反思任務得失;布置課程拓展任務及下個任務的預習要求。

（五）教學實施

1.任務引入

梳理課程知識結構，引入本單元知識：工業機器人的機械結構。

2.破難解疑

老師總結本單元重點、難點知識，進一步解釋學生預習過程中高頻出現的知識問題。

3.主要內容

（1）借助Visual One仿真平臺，講解ABB IRB 2600工業機器人系統的基本組成;（2）討論自由度及其選擇、工作空間、承載能力和重復定位精度等主要技術參數;（3）借助工業機器人應用視頻——全自動無損探傷機器人應用系統方案，講解并驗證正運動學問題及逆運動學問題。

4.仿真操作

三人一組，各自分工在VisualOne仿真平臺上完成ABB IRB 2600工業機器人設備仿真以及運動學問題的仿真操作驗證。

5.總結評價

教師組織組內互評、教師講評、組間互評、教師點評，并總結本節課的任務完成情況。根據課前任務20%，課上表現30%，課堂任務30%;課后作業20%比重評分。

（六）教學反思

遵循使用翻轉課堂理念，以學生為主進行教學設計;實施中采用混合式教學方式，激勵為主，多元評價、仿真平臺虛擬物化成果，可以有效地提升學生的學習興趣和課堂教學質量;通過小組協作、教學做一體，可以提高學生的團結協作意識;在驗證方案設計等環節反復強調標準意識，提高學生的職業素質。

四、結論

本文從工業機器人課程的特點及高職院校的辦學理念出發，利用翻轉課堂和VisualOne虛擬仿真軟件等手段，按“理虛實一體化”教學模式，論述了該課程的教學設計和實踐。既克服了實訓資源緊張的問題，提高了工業機器人資源利用率，也提升了學生的學習興趣和學習過程中虛擬設備的作用，增強了學生應用工業機器人的能力。

參考文獻：

[1]楊嶶，葉輝，胡威.仿真教學應用在工業機器人技術課程教學中的必要性[J].科技視界，2014（32）：18，36.

[2]李佳玉，彭見輝.基于“理虛實一體化”的“工業機器人技術”課程改革[J].新課程研究，2014（32）：18-19.

[3]張金磊，王穎，張寶輝.翻轉課堂教學模式研究[J].遠程教育雜志，2012（4）：46-51.

[4]曹魯輝.信息化技術在提高機器人專業教學有效性中的應用[J].職業，2018（4）：126-127.

[5]姚剛.仿真技術在高職工業機器人專業教學中的應用[J].時代農機，2017（9）：172-175.

◎編輯 馬燕萍