“機器人技術基礎”課程虛擬仿真實驗教學研究

陳光榮， 陳亞瓊

（北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044）

0 引言

實驗教學與理論教學相輔相成，共同構成高等教育教學體系，其水平的高低直接影響著人才培養(yǎng)質量［1］。虛擬仿真實驗教學項目建設是推進現代信息技術融入實驗教學、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措［2］。虛擬仿真實驗教學是目前國家信息化教育戰(zhàn)略的重要實踐，是高等教育信息化建設、高校實驗室建設與實驗教學改革的重要內容［3］。

高校虛擬仿真實驗教學在人才培養(yǎng)、科學研究、學科建設和產學研合作方面具有不可替代的作用［4］。為提高信息化背景下高等學校實驗教學質量和實踐育人水平，教育部從2017年起開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作，推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，形成專業(yè)布局合理、教學效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系［5］。例如華中科技大學持續(xù)推進的“VIRTUAL”模式［6］、南開大學的虛擬仿真實驗教學項目群共享平臺［7］、天津大學的“自動化系統(tǒng)綜合設計”課程線上項目式教學改革［8］等，都是對虛擬仿真實驗教學項目建設的積極探索。

雖然虛擬仿真實驗教學項目建設的提出始于疫情之前，但是線上教學的剛性需求無形中提高了虛擬仿真項目在實驗教學中的重要性［9］。雖然虛擬仿真實驗教學的效果難以與現場實驗設備實踐教學相媲美，也存在需要權衡思考的諸多優(yōu)點和缺點［10］，但是其具有獨特的經濟性、安全性、便捷性、多樣性，弊大于利［11］。因此，本文以北京交通大學機械與電子控制工程學院測控技術與儀器專業(yè)“機器人技術基礎”課程為例，從具體實施的微觀層面對虛擬仿真實驗教學項目展開研究，圍繞疫情防控常態(tài)下實驗教學，推進虛實結合的實驗教學體系建設，開發(fā)虛擬仿真實驗項目，創(chuàng)新實驗內容，提高實驗教學質量。

“機器人技術基礎”相關課程在機械電子、電氣工程與自動化領域具有重要的地位，它是一門專業(yè)基礎課程，它的應用貫穿了整個專業(yè)各個方向的理論知識，已成為大學生必須掌握的基本技能之一，該課程可以為后續(xù)課程的學習、畢業(yè)設計和科學研究打下基礎。國際上，美國的卡內基梅隆大學、麻省理工學院和澳大利亞的伍倫貢大學早已將機器人類課程正式列入本科和研究生教育階段的教學計劃。在國內，如清華大學、北京大學、北京理工大學和北京交通大學等大多數高校電氣類專業(yè)（包括機械電子、自動化、電氣工程及其自動化、電子信息工程等）均開設了機器人類課程。國際上有名的斯坦福大學公開課“機器人學Introduction to Robotics 2008”中未見有關機器人類課程的虛擬仿真研究，國內對機器人類課程的虛擬仿真研究也不多。已有的虛擬仿真研究相對比較簡單籠統(tǒng)，課程內容和虛擬仿真內容結合度不夠，也缺少案例研究。因此，結合課程教學內容，有機設計虛擬仿真項目，以項目為導向，貫穿聯結機器人技術基礎理論知識學習與實踐，有效地提高虛擬仿真促進教學實效，具有重要意義。

1 虛擬仿真實驗教學項目建設架構

1.1 建設體系

虛擬仿真實驗教學項目建設總體思路為：以成果為目標導向，以學生為中心［12］，采用逆向思維的方式進行課程的虛擬仿真項目案例設計、教學改革與建設，并進行教學評價和持續(xù)改進。構建虛擬仿真項目導向的課程實驗教學實踐體系如圖1所示。主要技術路線如下：

圖1 虛擬仿真項目導向的課程實驗教學實踐體系

（1）案例設計（兩個虛擬仿真項目，貫穿每一章節(jié)）。以“貫穿每一章節(jié)”為基礎，根據每一章節(jié)課程內容展開針對性的虛擬仿真項目案例探索與設計。針對每一章節(jié)的講授內容探索設計兩個虛擬仿真項目：機械臂和四足機器人，通過虛擬仿真軟件與各章節(jié)的邏輯關系保持一致和對應，配合章節(jié)的作業(yè)和參觀演示實驗環(huán)節(jié)，保證虛擬仿真項目的數量、質量和強相關性。

（2）教學實踐（OBE +BOPPPS 模式，有機融入教學與實踐）。采用OBE +BOPPPS +培養(yǎng)目標+培養(yǎng)方案+畢業(yè)指標點的課程教學、實驗與虛擬仿真實驗教學設計，精心設計教學環(huán)節(jié)和課堂互動，有機融入虛擬仿真項目案例，有效提高學生學習效果和教學質量，使課程和實驗內容與虛擬仿真內容的環(huán)環(huán)相扣、相輔相成，渾然一體。

（3）體系成形（兩個虛擬仿真項目創(chuàng)新性融合，建立系統(tǒng)的實踐體系）。在虛擬仿真實驗教學中，將兩個案例的小虛擬仿真項目進行融合，形成一個臂足協同的大虛擬仿真項目；在課程教學中，將兩個虛擬仿真項目作為小作業(yè)，在基礎理論知識鞏固學習的基礎上加入臂足協同機器人拓展性研究專題，統(tǒng)一成一個研究專題報告；同時配合協作機械臂、四足機器人和臂足一體化機器人3 個演示參觀實驗，建立系統(tǒng)的虛擬仿真項目實踐體系，實現創(chuàng)新性有機融合。

（4）成效分析（學生問卷反饋與達成度評價，指導深度建設與改進）。精心設計教學、實驗與虛擬仿真項目一體化的調查問卷，形成綜合全面的調查報告，對比上一學年與本學年的調查結果和課程目標達成度評價，對虛擬仿真實驗教學項目建設成效進行雙維度評價分析，并提出持續(xù)改進意見和具體措施。

1.2 建設內容

項目主要建設內容如圖2所示，以理論教學為基礎，以實驗實踐為參考，以虛擬仿真軟件和搭建的虛擬仿真平臺為媒介，進行虛擬仿真實驗教學項目的開發(fā)和設計，形成與課程教學和實踐內容緊密關聯的項目案例［11］。在實際教學實踐過程中，理論教學是必須的，但是實驗實踐和虛擬仿真實驗教學可以根據課時安排和實際情況兩者選其一或穿插進行、或同時開展，豐富了教學內容，同時提高了教學自由度和靈活性。

圖2 虛擬仿真實驗教學項目建設內容

2 建設理念

虛擬仿真實驗教學項目建設應當始終遵循“理論聯系實際，在實踐中檢驗真理”科學內涵，秉承“一切從實際出發(fā)、實事求是”宗旨，并不是拋開實踐講理論，一味地紙上談兵，也不是拋開理論去實踐，純粹的盲人摸象，做到虛擬仿真實驗教學項目內容精彩、構思巧妙、技術先進、做法靈活、評價客觀、形神一體，既有廣度又有深度，實驗時間與理論教學平衡發(fā)展［13］。因此，基于“機器人技術基礎”課程教學改革與建設過程中的不斷探索與實踐研究，形成了“一個體系、兩大特點、三個結合、四大特色、五個步驟、六大專業(yè)”特色鮮明、內涵深厚的建設理念，如圖3 所示。

圖3 虛擬仿真實驗教學項目建設理念

2.1 一個體系

一個體系，即為圖1 所示的虛擬仿真項目導向的課程實驗教學實踐體系。該體系涵蓋了理論教學、實驗實踐和虛擬仿真實驗教學，通過精心設計兩個虛擬仿真項目和有機融合的一個研究專題報告，將理論教學與實驗實踐進一步深度融合。在理論教學上體現為兩次小作業(yè)和一次大報告；在虛擬仿真實驗教學上體現為兩個小虛擬仿真項目和一個大虛擬仿真項目；在實驗實踐上體現為三個演示參觀實驗。當然，在課程目標不變的前提下，該體系可以靈活多變，簡單易改。

2.2 兩大特點

“知行”為北京交通大學校訓，寓意“學以致用”。“知”表示對理論知識的掌握；“行”表示對理論知識的實踐。在虛擬仿真實驗教學中，將兩者合一，即要求學生通過對個章節(jié)內容的學習理解，通過虛擬仿真軟件和平臺實現兩個虛擬仿真項目和一個研究專題報告。

“虛實結合”具有兩個層面的意思。第1 個層面的意思是：“虛”代表理論教學的課堂內容，是看不見的理論知識；“實”代表實驗實踐的技術能力，是看得見的實物操作。第2 個層面的意思是：“虛”代表虛擬仿真實驗教學，通過虛擬仿真項目和平臺實現；“實”代表傳統(tǒng)的實驗教學，通過現場實驗設備實現。

2.3 三個結合

很少有理論先修課程的實踐課程，理論學習為實驗實踐提供操作指導，實驗實踐對理論知識加以鞏固夯實。因此，虛擬仿真實驗教學項目的建設需要理論實踐兩者共融互促。

虛擬仿真實驗教學項目解放了教學方式，既可以線上或線下使用，也可以線上線下結合使用。虛擬仿真實驗教學項目也解放了實驗室，既可以課上或課下使用，也可以課上課下結合使用。學生可在自己的計算機上安裝虛擬仿真軟件和平臺即可隨時隨地進行虛擬仿真實驗學習與實踐。

2.4 四大特色

除了具有學校特色的“知行”校訓，課程也重點突出“飲水思源，愛國榮校”的校風，在虛擬仿真實驗教學項目進行過程中指導學生學以致用，回顧理論教學知識點，啟發(fā)學生溫故知新，重點講解兩個虛擬仿真項目在軌道交通領域進行建設、檢修和維護等方面的應用前景。同時進行課程思政教育，通過講授我國機器人技術發(fā)展的差距和瓶頸，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和家國情懷。

我校機械與電子控制工程學院具有機械工程國家級和北京市級實驗教學示范中心，“機器人技術基礎”課程依托該中心展開虛擬仿真實驗教學項目的建設，在建設課程虛擬仿真項目的同時也進一步豐富中心的實驗教學資源。課程建設的虛擬仿真實驗教學項目也以機械工程為基礎，以測控技術與儀器和機械電子工程為主導，配合其他專業(yè)的課程體系和培養(yǎng)目標，符合學院自身定位和發(fā)展方向，以及各專業(yè)的課程需求。

測控技術與儀器專業(yè)面向工業(yè)4.0、智能制造，構建機械、電子、人工智能、物聯網、智能感知與控制等多學科交叉融合課程體系，其中，在綜合實踐模塊中設置了以四足機器人為對象的智能測控系統(tǒng)設計與實現系統(tǒng)認知、需求分析、方案設計和系統(tǒng)實現4 個環(huán)節(jié)。如圖4 所示，“機器人技術基礎”是該課程體系中必不可少的一環(huán)，且虛擬仿真實驗教學項目所設計的四足機器人也與多級項目強實踐的四個階段高度契合，緊密相連，具有承上啟下的作用，互為支撐。

圖4 測控技術與儀器專業(yè)新工科建設方案

“機器人技術基礎”課程虛擬仿真實驗教學主要由理論課和實驗課任課教師負責建設，以培養(yǎng)目標、畢業(yè)指標點和課程目標為依據，通過調研當前機器人人才市場需求，并征詢學生學習該課程前后的意見和建議，結合學校、學院與專業(yè)特色和新時代機器人技術發(fā)展前景，建立具有課程特色的虛擬仿真項目，進一步形成機器人技術相關的虛擬仿真平臺加以推廣共享，協助其他課程虛擬仿真項目的融入與互聯。

2.5 五個步驟

虛擬仿真實驗案例設計主要包含一個機械臂和一個四足機器人兩個小的虛擬仿真項目，以及兩者融合而成的一個大的臂足協同虛擬仿真項目。

與理論教學融合主要是將兩個小的虛擬仿真項目與兩個小作業(yè)相對應，將一個大的虛擬仿真項目與一個研究專題報告相對應，并進行有機融合設計。與實驗實踐融合主要是精心設計3 個演示參觀實驗：協作機械臂，四足機器人、臂足一體化機器，分別與前兩步的3 個內容一一對應。雖然是演示參觀實驗，但是通過簡單有效的編程調試和對比實驗展示，加深學生的理解。

系統(tǒng)化教學實踐主要是對虛擬仿真項目導向的課程實驗教學實踐體系的優(yōu)化，通過實踐對比理論教學+實驗實踐、理論教學+虛擬仿真實驗教學、理論教學+實驗實踐與虛擬仿真實驗教學穿插、理論教學+實驗實踐與虛擬仿真實驗教學并行這4 種模式，持續(xù)優(yōu)化實驗教學實踐體系。

教學實施與評價改進主要是在系統(tǒng)化教學實踐的基礎上，結合學生大創(chuàng)等機器人相關學科競賽和全員導師計劃，以賽促教、以賽促學、以賽促創(chuàng)、教學創(chuàng)相長，同時將比賽作為第三維評價指標作為教學持續(xù)改進的參考。

2.6 六大專業(yè)

截至2021年，我校機械與電子控制工程學院6 個本科專業(yè)（測控技術與儀器專業(yè)（2019）、機械電子工程專業(yè)（2021）、機械工程專業(yè)（2020）、車輛工程專業(yè)（2019）、能源與動力工程專業(yè)（2021）、工業(yè)工程（2020））均入選了國家級一流本科專業(yè)建設點名單。學院積極開展一流本科專業(yè)建設，頂層設計各專業(yè)新工科建設方案，構建以“智能制造與智能裝備”為專業(yè)內涵的機械類本科人才培養(yǎng)方案，為傳統(tǒng)機械專業(yè)插上人工智能的翅膀，賦予新時代內涵。如圖5 所示，機器人技術是一個涉及生物、機械、電子、信息、控制、材料和計算機等多學科交叉領域，“機器人技術基礎”課程虛擬仿真實驗教學項目建設可為專業(yè)和學科的發(fā)展提供助力。目前，課程已開設專業(yè)有機械工程、測控技術與儀器和機械電子工程專業(yè)（課程名為“機器人學和柔性自動化”），課程建設目標之一是希望先將本課程在學院內推廣到其他專業(yè)成為全院選修課，再將本課程打造成與本研跨學科課程“機器人技術前沿”一樣的全校選修課。

圖5 學院專業(yè)設置及內涵與“機器人技術基礎”課程關聯

3 評價與成效

3.1 達成度評價

課程設置作業(yè)、實驗、研究性專題和期末考試4 個考核環(huán)節(jié)，其中實驗又分為兩個虛擬仿真實驗項目，且各考核環(huán)節(jié)的考核內容均包含機構構型、數學模型、軌跡規(guī)劃和測控實現四個部分。為能夠獨立評價虛擬仿真實驗教學項以及其他考核環(huán)節(jié)的達成度，設計了各考核環(huán)節(jié)獨立的評價方法，通過綜合計算各考核環(huán)節(jié)中的各考核內容的平均分、總分和所占比重得出單個考核環(huán)節(jié)的達成度。相同地，設計了各考核內容獨立的評價方法，通過綜合計算各考核內容的在各考核環(huán)節(jié)的平均分、總分和所占比重得出單個考核內容的達成度。該達成度結果與平均分類似，與傳統(tǒng)的課程目標達成度不同，可逆向作為各考核環(huán)節(jié)的設計參考，也可正向作為各教學環(huán)節(jié)的指導依據［14］。

課程需要支撐的畢業(yè)要求有專業(yè)知識、模型構建、方案設計和仿真分析四大方面。專業(yè)知識和模型構建由理論教學支撐，方案設計由研究性專題支撐，仿真分析由虛擬仿真實驗項目支撐。專業(yè)知識對應了考核環(huán)節(jié)作業(yè)和期末考試的軌跡規(guī)劃和測控實現兩個部分考核內容，模型構建對應了考核環(huán)節(jié)作業(yè)和期末考試的機構構型和數學模型兩個部分考核內容，方案設計對應了研究性專題考核環(huán)節(jié)，仿真分析對應了實驗考核環(huán)節(jié)，并通過權重進行合成［15］。

3.2 建設成效分析

對學生來說，不僅可以深化改革課程教學內容，加深學生對課程知識的理解與應用，而且通過設計與強化理論教學、實驗實踐和虛擬仿真實驗教學的關聯，可以提高學生學習積極性和學習效果；同時，系統(tǒng)性的虛擬仿真項目導向的課程教學實踐體系，可以增強學生的實踐創(chuàng)新能力，提高學生對課程和專業(yè)認識的全面性。

對教師來說，更易于建立靈活多變，豐富多樣的教學模式，且虛擬仿真項目的信息化建設也有利于教師的教學與科研相輔相成，科教相長。

對課程來說，不僅可以使課程內容更加豐富多彩，而且可以有力地支撐其他課程、專業(yè)課程體系和新工科一流本科專業(yè)的建設，且與全校跨學科高級課程群公共選修課“機器人技術前沿”交相呼應。

對專業(yè)來說，更容易促進多學科交叉，增加受益面，在為本科生提供教學資源的同時，實驗室所提供的大量科研仿真軟件資源，可為碩士、博士研究生的學歷教育提供充分的科研條件，發(fā)揮他們的創(chuàng)新意識和分析問題、解決問題的能力。

對學院來說，不僅可以有效緩解了實驗室的設備、時間、空間、安全和內容等條件限制、還可以大幅提高實踐教學經費的使用效率，節(jié)約實踐教學經費。

對學校來說，可以有效地提升了實驗室的開放程度，更容易地做到優(yōu)勢資源整合，更進一步實現教育推廣和普及。

4 結語

虛擬仿真實驗教學項目建設是國家級一流本科專業(yè)建設點的重要任務，也是高校推進虛擬仿真實驗教學改革、優(yōu)化實驗教學資源結構、提升實驗教學資源使用效益的必然要求［6］。線下教學在疫情時代背景下受到了新的沖擊與考驗。在此背景下，現場實驗實踐教學也面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)［16］。虛擬仿真實驗教學項目與各類公開共享的金課、精品課和線上一流課程相互支持和補充，已成為信息化和疫情時代背景下實驗教學的剛性需求。隨著高等學校實驗教學改革的不斷深入以及實驗教學模式的變革，“機器人技術基礎”課程通過系統(tǒng)化的虛擬仿真實驗教學項目建設，持續(xù)提升虛擬仿真實驗教學水平，推進實驗教學信息化更好更快地發(fā)展，也為推動高等教育教學改革和創(chuàng)新人才培養(yǎng)做出有益的探索，對未來網絡化教學也具有重要而深遠的意義。