機器人虛擬仿真實驗的課程資源設計與開發

摘"要：為了提高機器人工程專業人才培養的質量，使學生在機器人技術方面有更扎實的專業基礎和更強的實踐能力，運用實驗教學的方式，對機器人虛擬仿真實驗的課程資源開發需求進行討論，強調了提升實驗教學質量、優化實驗過程與設計以及滿足學生學習需求的重要性。經過需求分析，對機器人虛擬仿真平臺的功能提出要求，指出該平臺應該具備實驗學習便捷性、實驗器材充足性、實驗教學開放性、教學反饋多元化以及實驗綠色安全等優勢。綜合考量后，進行機器人虛擬仿真資源開發，包括搭建虛擬仿真工作站和開發一系列實驗項目。

關鍵詞：實驗教學；機器人技術；課程資源；虛擬仿真

中圖分類號：TP242；G482""文獻標識碼：A

1"概述

傳統的機器人實驗教學方式受限于課程設置、實驗場地、設備成本以及實驗風險等因素，難以滿足現代教學的需求。因此，探索新的機器人實驗教學方法，提高實驗教學的效率和質量，已成為當前機器人教育領域亟待解決的問題［12］。

已有許多學者對開展機器人虛擬仿真實驗進行了深入研究，探討了虛擬仿真技術在機器人教育中的應用，分析了虛擬仿真實驗的教學優勢和挑戰，并提出了相應的解決方案。例如，有研究者通過構建機器人虛擬仿真實驗平臺，為學習者提供了豐富的實驗資源和交互體驗［3］；還有研究者通過改進虛擬仿真實驗的教學方法，提高了學習者的學習效果和興趣［4］。

本文結合教學實踐經驗，對機器人虛擬仿真實驗課程資源的設計與開發進行深入研究，旨在開發一套完整的機器人虛擬仿真實驗課程資源，為機器人教育提供更加豐富、多樣的教學資源選擇。本文將從以下幾個方面展開研究：首先，分析機器人虛擬仿真實驗的教學需求，明確本次研究的目標和要求；其次，明確機器人虛擬仿真實驗的教學平臺的功能，保障課程資源的質量和效益；最后，設計機器人虛擬仿真實驗的課程資源，包括實驗場景、實驗設備、實驗流程等。

2"課程資源開發需求

2.1"增加實驗學時

傳統的教學方式過于注重知識的傳授，而缺乏對學生實踐能力的培養。為了彌補這個缺陷，需要開發更多與實踐緊密結合的教學資源。具體而言，首先，應構建與之相適應的機器人虛擬實驗平臺，利用現代仿真技術，可以構建高度逼真的機器人控制虛擬仿真環境，使學生在理論學習的基礎上，能夠方便地通過虛擬仿真平臺自主設計、搭建和測試機器人控制系統。這樣，學生不僅能夠更深入地理解理論知識，還能夠通過實踐操作加深對機器人控制技術的真實應用場景的認知。其次，需要設計綜合性實驗項目。結合機器人工程實際應用，可以設計一系列綜合性實驗項目，讓學生在完成項目的過程中，將理論知識與實際操作相結合。通過這些項目，學生可以更加全面地了解機器人控制技術在實際工程中的應用和價值，提升分析和解決問題的能力。

2.2"優化實驗過程與設計

通常開發的實驗往往過于固定化、模板化，導致學生缺乏主動思考和探索的動力。因此，需要重新設計實驗項目，實驗流程再造，引入更多的未知因素和變量，增加實驗的挑戰性和探索性，讓學生在實驗過程中面臨更多的挑戰和選擇。這樣不僅可以激發學生的好奇心，還可以培養他們的創新思維和解決問題的能力。在實驗指導方面，教師需要發揮引導性作用，教師不僅需要明確每個實驗的目的和步驟，還需要在實驗過程中引導學生發現問題、分析問題并解決問題。教師可以通過提問、討論等方式激發學生的思考，引導學生從多個角度審視實驗過程和結果。同時，教師還可以鼓勵學生之間進行交流和合作，分享彼此在實驗過程中的經驗和見解，進一步拓寬學生的思路和視野。

2.3"創新教學方式和內容

開展開放式實驗教學。首先，應允許學生利用本課程資源在一定范圍內自主選擇實驗項目，鼓勵學生自主設計實驗方案，然后按照既定方案達成實驗目的。學生可以便捷地將實驗方案、實驗數據、實驗結果和報告提交給教師或分享給同學。其次，引入探究性實驗。探究性實驗能夠讓學生在探究過程中發現問題、解決問題，提升科學研究素養。可以設計一些具有探究性的實驗項目，讓學生在實驗過程中主動思考、積極探索。最后，加強實驗與科研的結合也是創新實驗教學方式和內容的重要手段。可以將科研成果轉化為實驗教學資源，分等級、分難度，通過課程資源引導學生參與科研項目，體驗科研過程。通過這種方式，學生可以更加深入地了解科學研究的方法和思路，提升他們的科研意識和能力，為將來從事科研項目奠定基礎。

2.4"科學的考核評價

考核評價是檢驗學生學習效果的重要手段，為了解決當前考核評價方式單一的問題，需要建立多元化的考核評價體系，全面反映學生的綜合素質和能力。首先，實施過程性評價。傳統的考核評價往往只注重結果而忽視過程，導致學生只關注成績而忽視學習過程。因此，應關注學生在學習過程中的表現和進步，通過課堂討論、小組合作、項目完成情況等方式進行過程性評價。這樣不僅可以激勵學生積極參與學習，還可以幫助他們及時發現并糾正學習中的問題。其次，強化實踐能力的考核。“機器人控制技術”是一門實踐性很強的課程，因此在考核中應增加對實踐能力的考察比重，可以通過機器人操作、控制系統設計、問題解決等方面的考核來評估學生的實踐能力水平，確保他們具備將理論知識應用于實際機器人控制的能力。最后，引入創新性評價也是創新考核評價方式的重要方面。可以鼓勵學生提出新的想法和解決方案，對具有創新性的成果及時給予適當的加分或激勵。

3"機器人虛擬仿真平臺的功能

3.1"實驗學習的便捷性

通過機器人虛擬實驗，學生不再受限于實驗設備的開放時間或存放位置，只要使用計算機登錄仿真平臺，就相當于進入了虛擬實驗室，可以隨時隨地開展實驗學習。這種靈活性和便捷性不僅極大地方便了學生的學習安排，也滿足了各種特殊學習需求。例如，對于時間緊迫的學生，他們可以利用碎片時間進行虛擬實驗，既節省了時間，又可以利用仿真練習提高現實實驗的成功率。此外，機器人虛擬實驗還能實現實驗教學與理論教學的對接。在理論學習的同時，學生可以通過虛擬實驗平臺進行實踐操作，將理論知識與實際操作相結合，從而更深入地理解和掌握相關知識，這種融合式的學習方式可提高學生的學習效果。

3.2"實驗器材充足

機器人虛擬仿真平臺能夠提供豐富的實驗資源和環境。在傳統的實驗教學中，由于機器人設備、測量儀器、耗材等的臺套數限制，實驗項目往往形式有限且類型單一。而虛擬仿真平臺則可以通過模擬不同的環境和條件，為學生提供各種復雜的實驗項目，以及提供各類已建模和封裝好的元件。這意味著在進行虛擬實驗時，學生可以像在現實實驗室中一樣，自由地選擇和使用各種元件。在虛擬實驗中，學生可以為機器人裝配各種不同類型的工具和對工件實現個性化的加工需求，進行多樣化的機器人操作，而不必擔心實驗器材缺乏，這不僅拓寬了學生的視野，也讓他們能夠在更廣泛的范圍內進行實驗學習和實踐。

3.3"實驗教學的開放性

在課堂上，教師可以將虛擬實驗作為輔助教學工具，通過展示機器人的實時運動和數據變化，幫助學生更好地理解機器人的工作原理和應用場景。同時，教師還可以利用虛擬實驗平臺設計多樣化的實驗任務，引導學生進行探索式學習。實驗教學不再局限于固定的實驗項目和教材，而是可以根據學生的興趣和需求，以及學科發展的最新動態，靈活調整實驗內容，從而極大地豐富了實驗教學的內涵和外延。此外，引入企業案例和實踐經驗，通過邀請企業工程師或行業專家參與課程資源開發，學生可以更加直觀地了解機器人控制技術在實際工程項目中的應用情況和問題，激發學習興趣和動力。在資源開發時預留接口，方便后續與其他在線課程、案例庫等對接。

3.4"教學反饋的多元化

機器人虛擬仿真平臺為學生提供了一個虛擬的實驗環境，允許他們在正式進行實驗之前進行預習和模擬操作，這種預習過程為教師提供了多元化的教學反饋。首先，教師可以通過平臺的數據記錄和日志，了解學生在預習和模擬操作中的表現和困難，從而有針對性地進行課堂講解和輔導。其次，由于學生在虛擬環境中已經對實驗有了初步的了解和掌握，教師在課堂上的講解可以更加精煉和深入，從而提高教學質量。最后，虛擬仿真平臺還提供即時的反饋機制。學生在模擬操作中出現錯誤時，平臺會立即給出提示和糾正建議，幫助學生及時發現問題并改正。通過對學生實驗過程進行數據采集與分析，實現對學生學習情況的全面信息收集。這種基于大數據的量化評估方式能減少教師評價方式的主觀性影響，為學生提供更加全面的評估結果。

3.5"實驗綠色安全

在虛擬環境中進行機器人實驗時，學生可以反復練習，直至熟練掌握實驗技能。即使出現誤操作，也不會對實體設備造成損害，從而降低學生誤操作帶來的風險，減少了不必要的損耗和維修成本，使學生更加放心地進行實驗。這種安全的環境讓學生在不接觸實際危險的情況下進行實驗學習，不僅保障了學生的安全，還提升了學生的自信心。

4"虛擬仿真資源開發

利用三維設計、仿真等軟件開發和搭建機器人集成系統的虛擬仿真工作站，資源開發流程大致包含三維建模、場景轉換、虛擬場景構建、仿真動畫制作、系統發布、格式轉換等［56］。利用三維設計軟件開發機器人集成工作站的各單元設備、組件及模塊等的三維仿真模型，并制作仿真演示動畫。將開發的三維仿真模型轉換成機器人仿真軟件可支持的文件格式，達到能夠在其導入并進行工作站布局與搭建的目的。如下圖所示，在仿真軟件中進行機器人集成系統的虛擬仿真工作站搭建，隨后可進行系統各參數設置、信號配置、編寫RAPID程序指令及示教等操作。

結語

機器人虛擬仿真實驗的課程資源設計與開發對于提升實驗教學質量具有重要意義。通過構建功能豐富的虛擬仿真平臺，優化教學資源，創新教學方式，能夠有效滿足學生的學習需求，促進實驗教學的現代化與科學化。虛擬仿真實驗項目按照真實的輪轂加工流程進行設計，可以較好地還原碼垛、裝配、雕刻、打磨、拋光、吹屑、送料、沖壓、檢測、分揀等各個環節，使教學做到虛實結合。隨著技術的不斷進步和教育教學理念的更新，機器人虛擬仿真實驗將在教育教學領域發揮更加重要的作用。

參考文獻：

［1］叢佩超，張欣，尹輝俊，等.基于虛擬現實技術的機械類實驗教學資源建設與應用［J］.工業和信息化教育，2022（02）：7780+85.

［2］陽能軍，王友才，袁曉靜，等.虛擬仿真實驗在工程機械結構原理與維修教學中的應用［J］.現代制造技術與裝備，2023，59（7）：222224.

［3］王帥，吳成東，賈子熙，等.虛實結合的機器人實驗教學平臺設計與教學實踐［J］.中國現代教育裝備，2021（07）：6972.

［4］劉景泰，許麗，孫月，等.虛擬仿真融合機器人技術賦能教學模式創新探索［J］.中國現代教育裝備，2023（15）：1112.

［5］邢曉莉，馬騫，張麗.虛擬仿真資源在工業機器人實訓教學中的設計與應用［J］.現代信息科技，2023，7（20）：177180.

［6］陳櫻利，金霞，趙亮，等.機器人虛擬仿真實驗平臺的設計開發［J］.機械制造與自動化，2022，51（02）：135137.

基金項目：廣東省本科高校教學質量與教學改革工程建設項目（粵教高函〔2023〕4號）“基于裸眼3D技術的智能制造類課程實驗教學改革與實踐”；廣東技術師范大學2022年校級教學改革研究項目“基于裸眼3D虛擬仿真技術的智能制造類課程實驗教學改革與實踐”（項目編號：JGYB202230）

作者簡介：鐘灼臻（1994—"），男，漢族，廣東廣州人，碩士研究生，助理實驗師，主要研究方向為工業機器人技術及應用、智能制造技術；陳楚瀅（2001—"），女，漢族，廣東茂名人，本科，主要研究方向為工業機器人技術及應用、三維建模；黃文錦（2002—"），男，漢族，廣東茂名人，本科，主要研究方向為智能制造技術。