虛擬仿真技術在工業自動化實驗教學中的應用研究

摘要：從工業自動化生產實驗教學的角度出發，查找分析實驗教學立足于新工科建設課程的不足，利用虛擬仿真技術改進工業自動化實驗教學。首先介紹虛擬仿真建設的必要性，然后結合目前應用于本科教學的工業自動化生產實驗教學，系統闡述虛擬仿真實驗模塊、實驗步驟及實現的主要功能，為新工科建設中自動化專業實驗教學提供有力支撐，最后總結虛擬仿真實驗的教學效果與結論。

關鍵詞：新工科；工業自動化；實驗教學；虛擬仿真

中圖分類號：TP278" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）19-0109-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

為積極應對新一輪產業革新和科技革命，國家迅速行動，先后部署實施了一系列重大戰略舉措。“一帶一路”致力于促進國際合作與發展，“中國制造2025”聚焦制造業的轉型升級，“互聯網+”推動互聯網與各行業深度融合。新技術與新產業驅動的新經濟蓬勃發展，我國急需大批新興工程科技人才。自2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設[1]。

新工科建設緊密貼合時代發展脈搏，聚焦于新興產業與前沿技術領域，探索適應新時代要求的工程技術人才培養新路徑、新方法，是提供智力和人才支持的重大措施。新工科建設將促進高校創新人才的培養，以適應未來工程科技需求。目前，各大高校正全力推進高等教育改革與創新，包括課程體系、新形態教材與教學內容[2-5]、在線開放課程、工程教育師資隊伍與實踐基地等方面[6-8]。

文中從工業自動化生產實驗教學入手，深入查找并細致分析目前實驗教學在融入新工科建設課程體系時所暴露出的短板與不足，有效借鑒虛擬仿真技術在實驗教學中的實戰經驗[9-12]，采用信息化虛擬仿真技術[13]進行工業自動化生產虛擬仿真實驗平臺的建設，探索新工科建設實驗教學的新方法[14]。

1 新工科虛擬仿真建設的必要性

依托河南工學院的實踐課程電工實習和智能制造綜合實踐課程走進智慧工場，面向全校本科專業，我校積極引進了工業機器人產品生產包裝智能產線并投入教學。這條工業自動化智能產線目前應用于本科教學，完全還原了工件（手機模型） 的分揀和包裝過程，為學生提供了真實的工業自動化智能制造場景，但目前也存在以下問題。

實驗空間有限，同時學生人數眾多，導致無法覆蓋所有實驗環節；實驗設備維護成本高，每次開關機會對機器造成一定程度的磨損；實驗操作技能門檻高，操作不當極易對設備造成損壞；現有的單套工業自動化產線已無法滿足4 000余人次/年的實驗需求。

為解決上述問題，依托計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術搭建高度仿真的虛擬實驗環境和對象，建立虛擬仿真實驗平臺，將虛擬仿真實驗和實體實驗相互補充、相互結合，從而優化和完善實驗教學課程結構和課程體系，提升學生的科學素養與創新思維。

2 虛擬仿真實驗的實施過程

工業自動化虛擬仿真實驗課程設計遵循“虛實結合”和“相互補充”的原則，以工件的分揀和包裝兩道工序為主要內容進行仿真設計，構建工業自動化虛擬仿真實驗教學系統，著力打造開放式、網絡化的虛擬仿真實驗教學平臺。秉持以學生為中心的理念，注重知識點與實踐能力的融合，全力激發學生的主觀能動性，提升實驗教學效果。

2.1 虛擬仿真實驗教學平臺

虛擬仿真實驗教學平臺提供了與實體實驗相近的三維實景環境。根據實體實驗的運行環境和設備，三維建模模型包括：六軸分揀機器人、四軸包裝機器人、視覺檢測系統、光電傳感系統、輸送流水線、空氣壓縮機和電氣控制系統等。該虛擬仿真實驗平臺針對實驗前、實驗中、實驗后詳細設計了不同模塊和環節，包括相關知識點的學習、儀器設備的學習、參數的選擇等。

2.2 實驗教學過程

為了達到更好的實驗教學效果，教師針對不同層次和專業的學生進行教學設計，實驗教學的實施過程分為虛擬仿真實驗前、虛擬仿真實驗中和虛擬仿真實驗后三個階段，如圖1所示，合理利用前中后三階段形成閉環銜接，全方位激發學生動力，切實提升實驗教學整體質量。

仿真實驗前，教師在系統后臺發布作業要求，引導學生在線下預習相關基礎知識，學習相關操作視頻。

仿真實驗過程中，教師引導學生注冊、登錄實驗系統，督促學生按照實驗提示依次完成“知識點學習”“儀器學習認知”“虛擬仿真實驗”和“考核”四個模塊，包括工業機器人認知、機器人虛擬示教知識庫、視覺檢測分揀和自動包裝仿真實驗以及考核五個環節。其中，環節3和4安排了線下拓展作業，教師需進行線下輔導和重難點答疑，并批閱學生提交的作業。

在具體的虛擬仿真教學過程中，根據學生所處的模塊和環節，采用啟發式、互動式、任務驅動式等教學方法，以發揮學生主體作用，培養學生的綜合應用能力。

1） 啟發式。

通過提問的方式進行啟發式教學，引導學生學會提問，例如“工業機器人工具坐標系標定原理是什么？工業機器人示教編程原理是什么？工業機器人插補原理是什么？輸送帶生產節拍的確定方法有哪些？機器人視覺檢測參數設置方法如何實現？”等，以激發學生學習主動性，有效促進學習和發展，培養創新思維和自主學習能力。

2） 互動式。

通過課堂討論和小組合作的方式，活躍課堂氛圍，激發學生學習興趣，培養團隊合作能力，促進學生之間的相互學習和共同進步。教師還可根據學生的課堂表現及合作成果進行數據統計，作為教學分析和課程改革的依據。

3） 任務驅動式。

結合學生興趣與實驗內容，教師設計相關實驗任務并制定任務目標。學生根據任務目標，通過詢問他人、查閱紙質資料、網絡搜索等方式，完成項目設計的各個環節，如方案設計確定、計算機仿真、數據分析與處理等。任務驅動式教學充分體現學生的自主性，培養學生的實踐能力和創新能力。

仿真實驗后，教師主要進行跟蹤指導與答疑，并總結學生在實驗中遇到的問題。學生登錄學習平臺后，可在平臺專屬討論區與教師或同學進行更深入的實時互動，強化所學內容，提升學習效果。另外，教師有針對性地引導學生對所學內容進行提升，幫助學生提高項目理論和實踐水平。

3 虛擬仿真實驗演示

學生通過網絡瀏覽器訪問網站地址，登錄虛擬仿真實驗平臺后，開始虛擬仿真實驗。實驗分為四個模塊，分別為“知識點學習”“儀器學習認知”“虛擬仿真實驗”和“考核”，如圖3所示。實驗開始前，只有前三個模塊高亮顯示。學生需依次按模塊順序完成對應內容的學習后，第四個考核模塊隨之點亮，即可進入考核測試。

1） 知識點學習模塊。

知識點學習模塊主要針對本次實驗涉及的知識點進行梳理和概括，使學生能夠全面了解并掌握實驗所應用到的技術、機器人操作語言以及工業自動化生產流程等內容。

2） 儀器學習認知模塊。

儀器學習認知模塊主要介紹實驗所用的設備和儀器，包括四軸工業機械臂、六軸工業機械臂、空氣壓縮機、工業流水線、四軸機械臂示教器、六軸機械臂示教器、電氣控制箱、貨物架、置物機械臂等。鼠標懸停在某個設備或儀器上時，該設備或儀器會高亮顯示，雙擊后即可查看相關介紹或說明。該模塊的學習為下一模塊的順利完成奠定基礎。

3） 虛擬仿真實驗模塊。

圖4為虛擬仿真實驗模塊。該模塊是整個虛擬仿真實驗的核心部分。它包含12個交互步驟，其中核心交互步驟為工件的分揀工序和包裝工序。操作內容包括開啟控制箱、啟動空氣壓縮機、調試六軸機械臂示教器和調試四軸機械臂示教器，具體操作步驟如下。

① 點擊“開始實驗”，開啟控制箱電源。

② 打開氣動閥門，檢查氣壓，確保符合標準。

③ 六軸機械臂示教器調試（分揀工序） ：首先選擇示教模式，并進行伺服上電和氣泵工作調試，進入主程序；然后選擇自動模式，并在該模式下選擇合適的分揀速度。完成以上步驟后，六軸機械臂自動進行分揀工作。

④ 四軸機械臂示教器調試（包裝工序） ：分揀工作完成后需調試四軸機械臂示教器進行包裝，其調試步驟與六軸機械臂示教器調試步驟一致，不再贅述。四軸機械臂示教器調試完成后，進入包裝工序。

⑤ 上述步驟完成后，工件通過流水線進入置物臺，置物機械臂通過精準定位并抓取工件完成入庫工作。

4） 考核模塊。

圖5為考核模塊?？己四K用于對整個實驗進行考核測試，通過該模塊了解學生對學習內容的掌握情況。輸入學號、姓名等相關信息后，選擇“開始考試”即可進入考核，考核完成后系統自動給出考核成績。

本次實驗的綜合成績由五部分組成，分別為考勤成績、后臺作業成績、步驟操作成績、考核成績和實驗報告成績。以上五部分按照一定比例分配，最終得出學生的綜合實驗成績。

4 虛擬仿真實驗教學效果

學生完成虛擬仿真實驗后，能夠熟練選用合適的工業機器人及機械爪具，掌握相關電路和氣路參數的計算方法，并能對自動化生產線進行靈活操作與應用，實現產品分揀和自動包裝功能。

虛擬仿真實驗通過虛擬仿真技術手段解決了教學實踐中的難題，依靠創新的教學方式與技術彌補了實際實驗的短板，實現了線下無法開展或完成的實驗內容和實驗功能，提高了學生的學習興趣，調動了學生參與實踐的積極性和主動性，實現了三維教學目標，提升了教學效果。

為了進一步驗證虛擬仿真實驗教學效果，將學生分為兩組，一組按照實體實驗流程完成實驗，另一組結合虛擬仿真實驗平臺進行虛實結合實驗。經過兩輪實驗結果驗證，發現學生對虛實結合的實驗興趣很高，與傳統實驗教學模式相比，學生對這種更具創新性的教學方式表現出強烈的興趣，學習熱情明顯提升。平臺反饋數據顯示，98名參與調查的學生中，接近95%認為虛擬仿真教學對其認識和了解工業自動化生產有所幫助，而且大多數學生會在業余時間登錄虛擬仿真平臺，繼續學習相關實驗知識及實踐操作內容。以上結果充分表明，虛擬仿真實驗教學已成為傳統實驗教學的重要補充。

5 總結

圍繞新工科課程建設培育未來工程人才，結合現有理論和實踐課程，利用信息化虛擬仿真技術，搭建工業自動化虛擬仿真實驗平臺，解決了實驗空間、實驗人數、成本等方面的問題。工業自動化虛擬仿真教學是理論及實驗教學的重要補充，秉持“虛實結合、相互補充”的原則，以虛促實、互為對比、互為促進，注重知識點與工程能力的培養。通過虛擬仿真實驗，提高了實驗的安全性和可操作性，大大激發了學生的學習興趣，提升了實驗教學水平和教學效果，也為新工科建設中工業自動化實驗教學改革和發展提供了堅實基礎。

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【通聯編輯：唐一東】