工业机械臂虚拟仿真金课改革

　　针对工业机械臂实践课程教学中存在的问题，结合国家“金课”标准和虚拟仿真建设等内容，首先分析工业机械臂实践课程的教学现状，然后总结虚拟仿真在工业机械臂实践教学中的优势以及“金课”的标准，对工业机械臂虚拟仿真实践教学改革进行了探索，最后提出了　一些教学改进措施，目的是解决当前工业机械臂实践教学中存在的问题，进而完善工业机械臂实践课程体系．

　　关键词：工业机械臂；虚拟仿真；金课

　　２０１８年６月，陈宝生部长在“新时代全国高等学校本科教育工作会议”上指出，要真正把“水课”变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”，各高校要淘汰“水课”、打造“金课高等教育司吴岩司长认为“金课”可以归结为：高阶性、创新性和挑战度，即“两性一度”标准，此后不少高校开始着力采用新理念、新方法、新思维建设“金课”［１ｉ］．作为五大“金课”之一，虚拟仿真“金课”的建设一直受到各大高等院校的格外关注［３］．为什么要建设工业机械臂虚拟仿真“金课”？随着科技的发展，虚拟仿真逐渐融人实践教学，为解决传统实践教学的“做不到”“做不了”等老大难问题提供了可能ｗ．

　　１工业机械臂实践教学现状

　　传统工业机械臂实践教学中，学生按照实验指导书按部就班，并且受限于学时、场地以及实践设备等硬件条件，很难做到随时随地学习，导致学生学习效果较差．综合起来目前工业机械臂实践教学中存在如下问题：（１）教学资源匮乏工业机械臂实践教学具有很强的工程性和实践性，需要大量昂贵的机器人以及教学场地来培养学生的工程实践能力．受于资金制约，部分学校在实践室以及教学设备的建设、购置、更新换代方面存在困难，严重影响教学效果和人才培养的质量，导致实践教学无法与工业机器人行业发展与时俱进．（２）教学模式缺乏创新性传统的工业机械臂实践教学实践类型多为验证性实践．实践前教师先进行演示，然后学生按照实践指导书按部就班，导致学生实践参与积极性不高，不能进行独立自主探索并参与到探讨式学习中．教学模式比较单一，实践与工程实践联系不够紧密，导致学生只是单纯的做实验，无法将这些实践与工程实际应用背景结合起来．（３）缺乏科学的评价体系目前工业机械臂实践教学的教学评价体系单一，主要由实践老师根据学生的实践结果和实践报告等内容给出评价与成绩，有着很大的局限性，它只衡量了学生实践操作的熟练程度，无法考核和评价学生发现、分析、解决问题等其他综合能力．因此教师有必要深人剖析该课程的特点探索新型教学模式，帮助学生掌握与工业机器人相关的原理、方法、系统分析和轨迹规划设计等专业知识，提升学生的工程实践能力．

　　２工业机械臂虚拟仿真实践教学

　　虚拟仿真教学利用虚拟技术、互联网技术和人机交互等信息化技术融人传统的实践教学模式中，其具有漫游性、演示性、互动性等功能，对传统的实践教学模式机械能优化和完善［５＾６］．近年来教育部出台了一系列政策积极推动各高校建设虚拟仿真教学项目，虚拟仿真被引人高校实践教学当中．将虚拟仿真融人工业机器人实践教学当中，“真实”再现实际环境中的操作过程和场景，学生能够“沉浸”在虚拟仿真系统中，真正地融人实际工业机械臂生产当中去［７］．工业机械臂虚拟实践教学按照“设计一仿真一实践”的教学模式，以工业机械臂虚拟仿真软件为核心，将工业机器人基础、本体设计、工作站搭建、轨迹规划、硬件验证与应用等内容进行软件与硬件、理论与实践的有机融合，具有可视化、开放的机器人编程系统、多品牌机器人支持、工艺规划仿真系统的特点．将虚拟仿真融人到工业机械臂实践教学中，使得工业机械臂实践教学具有如下优势：打破传统实践时间和空间上的限制，虚拟仿真教学只要一台计算机就可以在课堂内外、线上线下随时随地开展实践，学生可以根据实际需求以及自己的掌握情况反复、合理的安排自己的学习时间，拓展了实践教学内容的广度和深度；节约实践成本，工业机器人虚拟仿真教学不必考虑购置大量的机器人设备，只需要购置相应的虚拟仿真软件以及计算机即可，软件更新迭代成本低；教学的高效性，工业机械臂虚拟仿真教学真实再现了实际工业机械臂从设计到应用的整个流程，学生通过虚拟仿真软件界面对各个过程进行查看和操作、不断调整参数，以此来掌握不同设计及参数对工业机械臂仿真所带来的效果．满足学生对机械臂仿真不同层次和不同要求的实践操作需求，且该软件更新速度快，大大地提升了工业机械臂实践教学的高效性和广度．

　　３教学“金课”的改革与探讨

　　建设工业机械臂虚拟仿真教学“金课”，要满足“两性一度”这个“金课”标准．“两性一度”这个“金课”标准归根究底反映了教学中教学内容、教学方法、教学评价这三个基本问题，因此笔者认为工业机械臂虚拟仿真教学“金课”的改革与探讨应该从这三个方面进行．

　　３．１改革教学内容

　　科学的教学内容应该基于成果导向教育理念，强调知识与未来职业需求相适应，教什么主要取决于学生的学习产出，即：由学生的毕业要求决定所要制定的本课程体系，再由本课程体系决定本课程的教学目标，最后决定本课程的教学内容．教学内容的改革主要包括以下２个内容：（１）精心设计科学的教学内容在设计教学内容之前，需要调研、分析学生的学习需求情况及学科基础知识掌握情况，掌握学生的薄弱环节，需要调研本课程领域相关技术、一线工程案例和企业实际需求．通过虚拟仿真软件设计符合教学大纲、教学目标的教学课程，综合前期调研结果，注重主要内容的理论讲授，并根据学生的薄弱环节，突出基础知识，在内容安排上遵循循序渐进，利用虚拟仿真软件构建工业机械臂虚拟实践平台，将机械臂本体设计、工件工具的设计、机械臂工作站的搭建、轨迹规划算法实现与优化等教学内容集一体，遵循的原则是注重基础、循序渐进、贴合实际、综合实践．综合实践具体包括：基础性实验（硬件基础知识、软件基础知识）、设计性实验（工业机械臂工作站搭建、轨迹规划设计及优化）、综合性实验（虚拟仿真及后置、工程实际应用案例）等教学内容．在课内的教学内容中加人课外类教学内容，例如：通过各种工业机械臂科研项目、学科竞赛和创新创业比赛等，学生团队和导师相结合，积极鼓励学生进行自主创新；坚持“教一学一研一用”结合，学校可以安排学生到相关企业见习、实习等，使学生了解目前先进的工业机器人发展趋势以及技术，学校可以建设相关工业机器人硬件实验室、实训室为学生提供工程实践应用平台；鼓励学生合理科学的利用互联网资源，学习和查找工业机器人的最新信息、技术和资料，并安排布置课程论文、课程设计等课外作业，既可以开拓学生的视野，同时也可以提高学生课外学习能力和资料搜集水平能力等［８］．（２）建立工业机械臂虚拟仿真教学资源库工业机械臂虚拟仿真作为一门实践性和工程性很强的学科，教师设计的课程教学内容有限，因此需要扩大学习知识的广度和深度．我院使用的虚拟仿真软件可以根据需求设计和导人不同型号的机械臂本体、不同结构的工具、工件以及周边设备，并且支持学生上传、分享自己的设计资源．通过三种方式建立丰富的案例资源库，一是鼓励教师和学生自主设计机械臂本体、工件、工具、周边设备以及教学资源，并参与分享、上传；二是和其他高校建立紧密联系，实现工业机械臂虚拟仿真教学案例资源实现共享；三是和相关用人单位建立紧密联系，实现案例资源实现共享，用人单位代表了社会对工业机械臂的最高需求，他们的资源更具代表性和先进性，更有利于学生的学习［９］．

　　３．２改革教学方法

　　科学的教学方法应该以学生为中心，学生处于教学的主体地位，教师只是作为教学中的引导者、组织者、合作者，教师不仅应该授学生以鱼，更要授学生以渔．本文设计了线上、线下相结合的教学方法：３．２．１　线上教学（１）课前引导教师结合新工科人才培养对工业机械臂课程的目标和要求，先通过工业机械臂理论知识、轨迹规划设计流程及工业机械臂工作站教学案例对学生进行教学引导，让其对工业机械臂基本理论、工业机械臂操作规程及轨迹规划有一种清晰地了解和认知．（２）仿真教学通过虚拟仿真系统进行仿真模拟操作，仿真模拟的步骤包括四步：场景搭建、轨迹设计、仿真、后置，各步之间层层递进、紧密联系，让学生能够熟练地掌握工业机械臂工作站搭建和分析解决轨迹规划、优化．（３）实操验证在完成轨迹规划设计之后，通过后置生成对应的程序代码，将所生产成的程序代码移植到真实机械臂中进行验证分析，熟练操作工业机械臂工作站搭建并能尽可能地解决实际轨迹规划出现的各种奇异问题．如果在操作工业机械臂工作站搭建和解决轨迹规划故障时，存在不能熟练操作和解决的轨迹规划故障，反过来再通过教学引导进行理论讲解，接着让学生进行仿真模拟，最后再进行实际操作解决轨迹规划故障．（４）作业提交在学生进行实操时，教师除了现场直观检查各个学生的实操结果和数据，学生还可以通过虚拟仿真软件将作业提交到虚拟仿真软件中，教师可以随时随地登陆软件系统中查看批阅学生所提交的作业，并提出相关意见和建议，同时学生也可以随时随地登录系统查看教师的批阅意见，然后根据批阅意见查找问题，再通过虚拟仿真软件对问题进行解决，反复如此，提高学生发现、分析、解决问题的能力．３．　２．　２　线上教学设计启发式、探究式教学，教师在进行重难点知识点讲解时，注重学生独立思考，形成发现问题、分析问题、讨论与反馈、教师指导、形成闭环过程．教师制作教学案例课件供学生查看，并根据自己的理解和存在的问题进行交流，教师在线上进行回复．同时设置一些思考题，让学生查找资料并回复，让学生学会通过找参考资料反哺，不断发现问题、解决问题、进一步提出新的问题．教师将相互关联的实践内容糅合，形成专题讲座式教学、综合讨论式教学模式，逐步将新知识点融人实际工程案例，培养学生综合实践的能力．

　　３．３改革教学评价

　　科学的教学评价应该取决于学生的学习效果，教学评价的宗旨是促进学生的全面健康发展，评价主体和评价方式应该多样化、多元化．本文设计的评价体系综合考虑理论知识、实操能力以及情感合作等内容，具体如下．（１）平时成绩包括：实验预习、实验过程、实验报告；实验预习中，考核学生对理论知识的掌握程度；实验过程中，考核学生的动手能力、发现解决问题的能力，对于综合性实验，需要团队进行合作实现，这时考核学生团队协作、所表现出的情感能力以及实践创新能力；实验报告中，全面评价实践报告，包括实践结果、理论计算、误差分析、结论、思考与建议等内容，考核学生的归纳总结、写作等方面的能力．（２）考试成绩考试方法采取随机抽取实践题目进行考核，考核囊括实操的全过程，包括：实践准备、实操过程、实践结果、展示与评价、设备规范放置５个部分，其中：展示与评价中，学生以报告的形式总结自己的实践技能，教师组织学生研讨交流、互相评价以及接收教师的反馈意见；设备规范放置中，学生应按设备初始状态或者安全状态将设备规范放置回原位并关闭电源，完整填写实践仪器使用记录并由监考教师签字确认后方可离开实践室．

　　４结束语

　　工业机械臂虚拟仿真“金课”的建设应结合社会需求和学校特点，要以完成教学要求和内容为目标，从学生的需求出发，综合应用机械臂、三维建模、人机交互、虚拟现实等信息技术手段，以实践项目为依托，设计科学的教学内容、教学方法和教学评价，坚持“虚实结合”“软硬结合”原则，融合专题项目教学、自主探究等多种教学方式，解决传统工业机械臂实践教学中的缺点和难点，进而培养更加优秀的机器人工程人才．工业机械臂虚拟仿真“金课”的建设非一日之功，需要较长周期对其进行完善，更需要各方共同努力．

　　参考文献：

　　［１］陈宝生．在新时代全国高等学校本科教育工作会议上的讲话［Ｊ］．中国高等教育，２０１８（Ｚ３）：４　—１０．

　　［２］吴岩．建设中国“金课”［Ｊ］．中国大学教学，２０１８（１２）：４－９．

　　［３］教育部办公厅．教育部办公厅关于２０１７　—２０２０年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知［Ｚ］．　２０１７　—７－１３．

　　［４］李平．推进虚拟现实技术应用提高高校教育教学质量［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１８，３７（１）：１　—４．

　　［５］王查利，荆永君，张朋辉．虚拟现实技术在化学教学中的应用现状分析［Ｊ］．中国教育信息化，２０１２（５）：６０　—　６３．

　　［６］程蓓．虚拟仿真软件在高等学校实训竞赛装备中的应用［Ｊ］．黑龙江工程学院学报，２０１８，１６（２）　：３７　—４０．

　　［７］李平．推进虚拟现实技术应用，提高高校教育教学质量［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１８，３７（１）：１　—４．

　　［８］王涛．机器人运动控制课程教学方法改革探讨［Ｊ］．教育教学论坛，２０２０（４）：　２２８　—　２３１．

　　［９］彭小建．高等教育新常态下虚拟仿真实验教学中心建设探索［Ｊ］．实验技术与管理，２０１６，３３（１０）：２３７　—　２４０．

　　作者：王涛 刘思邦 张广磊 刘奎立 来源于《周口师范学院学报》