基于虛擬仿真技術的課程思政教學設計與實踐

摘要：針對傳統工業機器人現場編程實訓課程教學現狀及特點，開展基于虛擬仿真技術的線上線下混合式教學設計。通過課堂教學實施，在一定程度上解決了由于工業機器人技術應用平臺價格昂貴、設備數量少，設備操作有一定的安全隱患等帶來的弊端，學生的實踐能力和操作水平有了明顯的提高，教學效果顯著。通過將中華優秀傳統文化、地域文化、品德教育等要素有機地融入實踐教學中，培養學生專業技能的同時，增強學生的愛國情懷，提升對工匠精神的理解，從而達到立德樹人的目的。

關鍵詞：虛擬仿真技術；混合式教學設計；工匠精神；立德樹人

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2024.20.088

1實訓教學現狀與問題分析

工業機器人現場編程實訓是工業機器人技術專業核心課程，該課程通過工業機器人現場編程設備的使用，實現學生掌握工業機器人系統方案設計、規劃與仿真方法的目標。所選教材為校本教材，該教材圍繞全國職業院校技能大賽平臺，對接工業機器人應用編程職業技能等級標準，整合了工業機器人現場編程（數字化教材）等教學資源。隨著參加實訓人數的增加，現有實訓教學模式的問題逐漸凸顯，主要體現為以下3個方面：

授課對象為工業機器人專業二年級學生，通過前期教學內容，發現學生存在的問題：

（1）學習了機器編程基本指令，但是指令綜合應用能力較弱；

（2）由于工業機器人技術應用平臺價格昂貴、設備數量少。平均每位同學使用現場設備示教編程的概率低，導致示教器使用不熟練，這樣在實操過程中易出錯，耽誤時間；

（3）工業機器人設備有一定的安全隱患，部分學生因操作不熟練可能會存在畏難心理，不敢創新實踐。

2虛實結合的實踐教學設計

通過對機器人工件搬運的虛擬構建，學生能夠通過軟件模擬工業機器人系統的搭建過程，對工業機器人的示教編程進行深入學習。在虛擬環境下進行新建坐標、參數設定，程序編寫，示教編程，在實際操作前檢查可能存在的干涉因素等情況。通過仿真實訓，可大大降低實操環節的誤操作及設備損壞的頻率，既節約了設備使用成本，也為學生更好地學習數控知識打下了堅實的基礎。實操環節后，學生仍然可以通過虛擬軟件進行鞏固復習，強化實訓成果。

從企業實際搬運工作過程出發，提煉工作任務。通過虛擬示教器和機器人虛擬仿真軟件完成工業機器人搬運程序演練，隨后通過真實設備平臺進行聯調，以虛促實，鍛煉學生對知識和技能的綜合運用能力。充分運用信息化教學資源和教學手段，構建虛實結合的多維課堂，包括示教器編程、3D虛擬仿真軟件、機器人運動軌跡規劃、搬運程序調試方法等教學內容。展開了以學生為主體，教師為主導的理實一體、虛實結合的特色項目化教學。傳遞知識技能的同時，對學生進行職業素養和價值觀方向的引領。將愛國精神、工匠精神、創新精神等融入本節教學中，激發學生民族自豪感以及學習工業機器人技術的使命感，樹立文化自信，增加學生的學習榮譽感和學習興趣，提升教學效果。

以全國職業院校技能大賽工業機器人技術應用平臺，融入工業機器人應用編程職業技能等級考核點。根據“以賽促教，以賽促改”的教學理念，開展基于線上線下、虛實結合的混合式教學。教師作為引導者，激勵者，綜合運用多種教學方法（情景教學、案例教學、示范教學等），實現“做中教”。打破了傳統教學中的時間、空間、資源等的限制，堅持線上與線下相結合。學生作為學習者、探索者，在教師的引導下，通過自主探究，小組合作等學習方法，實現“做中學”。充分運用在線學習平臺、視頻、機器人虛擬仿真等整合教學資源，優化教學過程，打造數字化、網絡化、信息化為一體的理實、一體教學環境。

3以虛促實的課程思政教學實施

傳統的實踐教學，由于設備有限，教師先進行示范演示，學生觀看教師示范，然后分組實操，教師巡視，學生學習效果不佳。為了緩解現有實訓時間及設備不足的狀況，提高學生的實踐創新能力，在教學過程中引入機器人虛擬仿真軟件，基于虛擬技術的仿真實驗打破了傳統實驗教學的不足?，F以“工業機器人水平搬運虛擬仿真實訓教學”為例，說明虛擬仿真實訓教學過程的設計與實施。以企業真實任務工業機器人搬運為驅動，開展線上線下、虛實結合的混合式教學，并將教學過程分解為課前探學、課中導學、課后延學3個階段。

3.1課前探學

教師活動：課程開始前一周，發布學習資料（虛擬示教器使用教程、虛擬仿真軟件視頻）和學習任務（熟悉示教器的使用，通過虛擬示教器編寫簡單的機器人搬運程序），如圖3和4所示，將作品上傳到學習平臺（超星學習通）。根據課前測試初步掌握學生的學習情況，及時調整教學策略。

學生活動：學生結合課程資源和學習視頻資料，完成布置的任務，完成課前測試題。

設計意圖：通過虛擬示教器的使用，進一步熟悉示教器的各項按鍵操作功能和程序編寫，幫助操作人員熟悉現場示教器的使用方法、安全簡便。通過與機器人仿真系統互聯，初步完成機器人虛擬工件搬運，確保學生初步掌握程序的編寫思路。既為課堂教學做充分的準備，還突出了學生的主體地位，培養自主探究的科學精神。

3.2課中導學

環節一：視頻導學（5分鐘）

教師活動：播放視頻——埃夫特里的工業機器人。帶學生走近“智造專家，埃夫特打破國外機器人的壟斷、制造出中國人自己的機器人”。提問：視頻中工業機器人都有哪些應用？

學生活動：認真觀看視頻，思考老師提問，積極互動。根據已學知識，溫故工業機器人的典型應用領域。為隨后內容工業機器人搬運教學內容作鋪墊。

設計意圖：引出本節課的教學內容，明確其重要性。愛國，學技能報國。強烈激發學生民族自豪感以及學習工業機器人技術的使命感，喚起學生的家國情懷和民族情懷，樹立文化自信，更深刻認識到只有自身能力的提升才能為國家的發展和強盛作出貢獻。

環節二：作品展示（15分鐘）

教師活動：點評課前學生作品，解決學生的問題。同時，提出實際示教器與虛擬示教器的不同點，實際使用中需要注意的問題？歸納虛擬仿真軟件中搬運工件編程的步驟：

（1）搭建虛擬仿真平臺

（2）建立虛擬仿真平臺與虛擬示教器通信

（3）虛擬示教器中編寫搬運程序

學生活動：作品匯報演示，積極討論，回答教師問題。認真聽課，查缺補漏。

設計意圖：針對學生自主學習中遇到的共性和易錯問題進行講解，學生在這種輕松匯報作品的同時又學習了知識點，寓教于樂。培養學生樂于思考，善于總結的能力。

環節三：虛擬仿真（25分鐘）

教師活動：（1）介紹本次教學內容，將G7和G9工位的工件A，B，C，D，E，F，G，H搬運到對應的G8工位中，完成裝配流水線上不同工件類型的搬運。

（2）指導學生分組，抽取所需搬運的工件類型。

（3）教師巡導，及時解決學生問題。

學生活動：明確任務，抽取所需搬運的工件類型。思考設計程序編寫流程，按任務書要求在虛擬仿真軟件中完成任務程序的編寫、調試、運行，模擬演示搬運過程。

設計意圖：學生結合具體任務，通過虛擬示教器和機器人3D虛擬仿真軟件模擬實際工業機器人搬運序編寫，很好地完成了技能訓練。實現知識在實際中的遷移應用。同時降低了后續實操的出錯率，提高了安全性。既為后面實踐操作打下堅實的基礎，還突出了學生主體地位，使學生在愉悅的學習中輕松地解決教學過程中的重點問題，提升了學生技能水平的同時，也提高了他們的自信心。

環節四：實踐操作（35分鐘）

教師活動：（1）實際操作設備前對學生進行安全教育

（2）演示如何由虛擬程序導入實際示教器：

①虛擬示教器中導出程序，修改IO編程語法程序。

②下載到實際示教器中。

③現實示教器讀取程序，手動運行監測點位準確，進行點位調整。

（3）教師巡查，并作必要的指導。完成各項任務測評，記錄學生操作過程中的問題。

學生活動：（1）學生以3人為一小組操作，認識實驗平臺，擺放工件。

（2）小組合作根據任務書，進行搬運運行軌跡示教編程，并將視頻上傳至學習通平臺。

（3）提出加工中遇到的問題，通過教師指導解決加工問題。

設計意圖：學生以小組為單位進行合作學習，實踐教學中學生技能得到強化和補充。培養學生工作過程中的團隊合作精神和安全意識。有效提升學生的實踐能力與創新精神。實際操作中需要微調示教點位，否則會出現搬運工件位置不準確，這就要求同學們要有足夠的耐心、細心和一絲不茍、精益求精的工匠精神。

虛實對比加深對工業機器人搬運應用的理解，以虛促實，有效解決了教學重點，突破了教學難點。如圖5所示

環節五：總結評價（10分鐘）

教師活動：對學生實操進行點評，了解學生的學習效果。評出實踐部分“優秀小組”和“優秀個人”，讓學生獲得滿足感。并將其推薦進入工業機器人技能競賽團隊。

學生活動：展示作品、互評作品。登錄平臺，查看自己得分。傾聽老師歸納總結本節課知識點，做好筆記。

設計意圖：成果分享，增強獲得感。通過教師點評和學生自評，強化學生職業素養。

3.3課后延學

教師活動：教師展示一段機器人虛實聯動的搬運工件視頻？讓同學們思考如何去實現？引入數字孿生的概念。

學生活動：鞏固本次課的教學內容，思考問題，登錄平臺，評價教師教學效果，完成拓展學習。

設計意圖：拓寬學生的知識面，強化學習內容。引導學生增強勇于探索的創新精神，使知識點內化。鼓勵學生參與社會活動，將知識進行推廣，課堂得以延伸。

本次課采用平臺評價、學生自評、教師評價的過程考核，圍繞課前自學、課中教學、課后拓展3個階段中生成的評價數據。體現評價主體多元化，內容多維化，使評價結果更客觀，讓學生注重學習過程的每一步，激發學生學習積極性，促進學生的全面發展。

4特色與創新

（1）量身制定出“課前虛擬打基礎，課中以虛促實練技能”兩虛一實的教學環節。課前通過機器人虛擬仿真軟件，多次練習示教器的使用、學習搬運指令的綜合應用。解決了設備平臺少，操作危險性的問題。課中根據實際生產任務完成虛擬仿真軟件中程序的演練，最后真實設備平臺驗證，783659bc9f026ffe085e386ec77d4630層層遞進，環環相扣，保證了教學質量。有效突破了教學重難點，提高了教學效果。

（2）整個教學內容依托全國職業院校技能大賽“工業機器人技術應用”賽項設備平臺，以工業機器人搬運為例，融入工業機器人應用編程“1+X”技能考核點。強化教學內容的職業技能性要求，加強對學生職業技能的培養。將愛國精神、工匠精神、創新精神等思政主題巧妙貫穿教學全過程，形成全方位立體的思政教學體系，逐層遞進式地實現德育目標。

5效果

（1）本次課主要借助學習平臺、虛擬仿真軟件及工業機器人技術應用設備平臺等多種形式實施教學，使得每位學生都能隨時進行無實物編程。進一步鞏固示教編程方法，隨后進入實踐環節，學生的出錯率大大降低。實現學生知識到能力的轉化，從實踐現場和結果考核來看，教學質量大幅度提高。教學效果得到提升。

（6）多種信息化手段應用，激發了學生的學習熱情，學生參與度大大提高。多元化的評價體系和有效的獎勵機制，讓學生多方位提高自己的排名，增強了學生的自信心。另外，思政元素的有機滲透，使得學生獲得職業技能的同時，也提升了職業素養。

6結語

本文引入虛擬仿真技術解決主傳統實訓課程的問題，實踐證明，虛擬仿真可以很好地解決，激發教師和學生持續教與學的熱情，提高了學習效果。為了全面落實校企融合教育理念，后續邀請企業導師參與評價，進一步完善考核評價體系。機器人虛擬仿真軟件強大的功能讓大部分同學產生極大的興趣，隨著新技術、新工藝的不斷更新，后續還要繼續更新課程資源和企業案例。保證資源的實用性和時效性。

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