基于數字孿生技術的中職服務機器人實訓課程教學模式探討

婁明珠

（上海信息技術學校 上海 200331）

隨著信息技術與制造業的緊密融合，制造業向著智能化、數字化的方向發展，對人才的需求由單一技術型人才向復合型人才轉變。數字化轉型不僅是職業教育基于數字技術賦能提升適應性的必然要求，也是推動職業教育教學改革、人才培養模式創新，實現高質量發展的重要支撐[1]。數字孿生技術是信息技術的一種，將教學活動和技術手段深度融合才能更好地促進數字化教學，更好地對接企業產業升級和技術變革對人才培養的需求，以適應新技術、新業態、新職業的要求。

1 基于數字孿生技術的服務機器人專業應用分析

1.1 服務機器人專業教學困境及數字化教學的必要性

1.1.1 服務機器人專業的數字化教學需求

中職服務機器人專業對于學生的工程思維、邏輯推理等思維方式有較高要求，結合新技術開展數字化教學，可使學生直觀形象地理解教學內容，激發學生學習的興趣，提高課堂效果。教師根據服務機器人專業的特點，將數字化教學設備及信息技術手段融入教學，有助于實踐性技術技能型人才的培養，以適應社會可持續發展。

1.1.2 服務機器人專業教學困境

服務機器人技術是一門綜合性很強的學科，融合了機械、電氣、控制、計算機等多學科的綜合知識。服務機器人設備本身技術要求高，應用場景多樣化，要完成各種任務其需要在真實工作場景中進行實踐，但又受實訓場地、實訓設備等限制，許多仿真項目交互性、體驗感不足。

1.1.3 虛擬仿真實訓教學

虛擬仿真線上線下混合實訓教學模式，可拓展實訓教學內容的廣度和深度，拓寬實訓教學的時間和空間，促進實踐教學。但虛擬仿真教學的學習環境與實際工作情境有所差別，學生沒有沉浸式的訓練環境，與服務機器人專業的核心課程結合度不高，實訓交互單一。

1.2 服務機器人教學數字孿生技術應用的可行性

1.2.1 物理空間的真實鏡像映射

數字孿生是利用數字化技術在數字空間建立與物理世界實體一模一樣的虛擬孿生體，學生可以在孿生空間獲得數字孿生體的運行過程，修改虛擬模型的參數和程序等信息，并導入實體設備運行，達到真正的虛實結合實訓教學，實現“虛擬的也是真實的”“所見即所得”“仿真與實際相統一”。

1.2.2 構建虛擬仿真實訓環境

基于數字孿生的“虛實實時交互”技術，同步開展數字孿生建模及其三維模型設計[2]。利用數字孿生技術，構建高度仿真的服務機器人虛擬實訓環境，包括場景、機器人本體、傳感器等，解決實訓教學“高投入”和“難實施”的問題。在虛擬實訓環境中開展實訓教學，將學生帶入沉浸式工作情境中，提高課程的實踐性和趣味性。

1.2.3 技能訓練更為方便

數字孿生技術可以使每位學生都擁有一個機器人數字孿生體，按照他本人適應的節奏進行學習和訓練，達到個性化教學的目標。通過數字可視化方式監控，預測教學實施過程中的故障及安全情況，對學生的學習表現進行監測和分析，及時發現問題和進行干預，確保人機安全，保障教學質量。

2 基于數字孿生技術的教學模式的內涵和特點

基于數字孿生技術的教學模式是指，在教學過程中，將數字孿生技術與教師的教學及學生的學習過程緊密結合。通過對教學過程中學生及教師教學數據的采集，形成教學場景的數字孿生體，物理空間及數字空間的數據交互，構建教育共同智能體[3]。基于數字孿生技術的教學模式的特點有：

2.1 提供真實的沉浸式學習

對教學設備進行仿真建模，學生在虛擬仿真中像在真實場景中一樣進行不同型號的機器人應用能力訓練，沉浸式學習使學生更直觀、更真實地體驗工作情境。

2.2 達到虛實動態交互

在實訓課中，讓學生在虛擬環境下進行方案對比、安全試錯、反復訓練，發現問題、解決問題。學生還可依照自己的想法創新設計和應用拓展，培養了學生的創新意識和工程思維能力。數字孿生的虛擬操作也能有效規避學生的實操風險，提供了更大的容錯性和安全性。

Docker容 器（Docker container） 是 Docker系統從鏡像創建的運行實例。通過對容器指定特定的文件系統、網絡參數、計算參數等主機資源配額參數，可以使容器執行所需的服務進程。容器可以被啟動、停止、刪除，每個容器之間都是安全的隔離的空間。

2.3 提供實時反饋及預測功能

通過數字孿生技術，實時采集服務機器人在虛擬環境中的運行數據，對學生的操作技能進行評估和實時反饋。學生經歷虛擬調試、孿生實踐、實體驗證的操作流程，落實了教學過程中的重難點，提升了實訓教學的有效性。

3 基于數字孿生技術的服務機器人實訓課程教學模式構建

3.1 實訓平臺技術框架

智能服務機器人云端實訓平臺技術框架基于合作企業達闥云端機器人開放平臺，包括基于UE 軟件的物體實體數字化三維應用場景建模、RDK（Robotics Development Kit機器人開發套件）孿生體的構建及動作優化、藍圖編程，物理世界和孿生空間的機器人安全專網等幾個部分，如圖1 所示。

圖1 智能服務機器人云端實訓平臺技術框架

實訓平臺部署在云端系統，通過機器人安全專網連接至機器人操控單元，再登入云端完成相應的配置，實現機器人語音交互、視覺處理、機器人運動功能等。實訓平臺借助RDK 開發環境，在系統中進行應用場景建模，學生通過圖形化連線的方式創建藍圖編程，實現了機器人孿生體在虛擬環境中的仿真訓練及對機器人進行能力開發。

3.2 基于數字孿生技術的教學模式設計

3.2.1 教學任務設計

引入企業真實項目，把服務機器人典型應用案例轉化為實訓教學項目，工作任務轉化為學習任務，促進學生在真實職業環境中學習應用知識、技術和技能。如服務機器人技術應用基礎這門課程，圍繞智慧酒店典型應用場景，設計服務場景搭建、大堂迎賓、客房虛擬管家、智能安保共四個項目。

圍繞機器人服務場景多樣化、難再現的教學難題，基于崗位的技能需求和人才綜合培養的需要，校企合作開發與之匹配的虛擬仿真教學資源。利用虛擬仿真技術創建虛擬的工作情境，讓數字孿生機器人在虛擬環境中真實模擬實訓，通過人機交互的虛實結合操作訓練，加強學生對知識技能的掌握和應用。

傳統項目式教學是將教學內容設置為一個個項目，考核方式簡單，缺乏對學生工程實踐能力的訓練和工程思維能力的培養。在服務機器人專業實訓課程中，以真實應用場景為載體，構建情境化學習[4]。采用工程項目應用教學方法，參照產品交付的工作流程，映射到教學過程中，培養學生“現場交付”所應具備的工程能力和職業素養。

3.2.3 教學評價設計

基于服務機器人應用技術員崗位素養和產品交付標準，針對課前、課中及課后三個階段，從學習過程評價和交付成果評價兩個維度對教學效果進行評價。評價主體和評價方式多元化，包括教師評價，小組成員互評、自評，成果交付驗收考核評價。

4 基于數字孿生技術的服務機器人實訓課程教學模式實施

本文以服務機器人技術應用基礎課程“大堂迎賓”項目子任務“機器人文字轉語音”的任務為例，闡述數字孿生技術融入實訓課程教學模式的實施環節。教學活動分為課前探究、課中實踐、課后拓展三個階段，按照任務情境、方案制定、虛擬調試、孿生實踐、實體驗證五個步驟展開，如圖2 所示。

圖2 典型應用案例的任務教學活動設計

4.1 課前探究

教師基于教學資源或企業的工作手冊指南，設計工作任務單并在智庫云平臺發送，學生預習相關知識并完成線上測試。后臺自動統計學生的預習和測試情況，以便教師及時調整進行更具針對性的教學。

4.2 課中實踐

課中搭建孿生虛擬環境，構建數字孿生體。首先，情境化導入機器人在智慧酒店前臺播報歡迎來賓的工作場景視頻，讓學生了解服務機器人的工作場景，激發學生的學習興趣。接著，學生先對任務的內容進行規劃并進行方案設計。教師在這個過程中，要實時指導各組的方案內容及設計情況，提出指導意見協助學生完成方案。最后，每位學生使用開發者賬號登錄機器人云端開放平臺，在開放平臺上創建數字孿生體機器人，配置機器人角色管理和技能管理。在已搭建的孿生場景中開展RDK 的藍圖編程虛擬調試和孿生實踐操作，通過虛實同步孿生預演，實現方案優化和實時反饋。孿生實踐成功后，直接導入真機進行實體驗證，完成任務交付。

4.3 課后拓展

課后要求學生填寫好機器人驗收交付單，將工作任務演示過程視頻上傳至教學資源庫。學生根據自己的學習掌握情況，選取教師發布的拓展練習，完成拓展任務。

4.4 教學效果

實踐教學表明，在數字孿生環境中進行孿生體設備的仿真調試和反復訓練，學生的實踐能力得到了顯著提高，對服務機器人的理解和掌握程度加深。在課程結束時的項目展示環節，學生展示了豐富的實踐成果。虛擬訓練提升了學生實訓的沉浸感，解決了服務機器人實訓課程中的企業情境性以及企業項目認知操作性不強的問題。

5 結論與展望

基于數字孿生技術的服務機器人實訓課程教學模式，通過構建虛擬實訓環境、建立實時監控與評估系統，實現真實的沉浸式教學、虛實交互的技能訓練和實時反饋及預測。

在今后的教學中，我們將繼續探討和完善基于數字孿生技術的服務機器人實訓教學模式，加強對教師的培訓和指導，校企共同開發課程資源，以便更好地將數字化教學手段融入日常教學，培養滿足新時代要求的高素質技術人才。