摘要：針對傳統(tǒng)工業(yè)機器人現(xiàn)場編程實訓(xùn)課程教學(xué)現(xiàn)狀及特點，開展基于虛擬仿真技術(shù)的線上線下混合式教學(xué)設(shè)計。通過課堂教學(xué)實施，在一定程度上解決了由于工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用平臺價格昂貴、設(shè)備數(shù)量少，設(shè)備操作有一定的安全隱患等帶來的弊端，學(xué)生的實踐能力和操作水平有了明顯的提高，教學(xué)效果顯著。通過將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、地域文化、品德教育等要素有機地融入實踐教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能的同時，增強學(xué)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(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；混合式教學(xué)設(shè)計；工匠精神；立德樹人

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

1實訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀與問題分析

工業(yè)機器人現(xiàn)場編程實訓(xùn)是工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)核心課程，該課程通過工業(yè)機器人現(xiàn)場編程設(shè)備的使用，實現(xiàn)學(xué)生掌握工業(yè)機器人系統(tǒng)方案設(shè)計、規(guī)劃與仿真方法的目標(biāo)。所選教材為校本教材，該教材圍繞全國職業(yè)院校技能大賽平臺，對接工業(yè)機器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級標(biāo)準(zhǔn)，整合了工業(yè)機器人現(xiàn)場編程（數(shù)字化教材）等教學(xué)資源。隨著參加實訓(xùn)人數(shù)的增加，現(xiàn)有實訓(xùn)教學(xué)模式的問題逐漸凸顯，主要體現(xiàn)為以下3個方面：

授課對象為工業(yè)機器人專業(yè)二年級學(xué)生，通過前期教學(xué)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題：

（1）學(xué)習(xí)了機器編程基本指令，但是指令綜合應(yīng)用能力較弱；

（2）由于工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用平臺價格昂貴、設(shè)備數(shù)量少。平均每位同學(xué)使用現(xiàn)場設(shè)備示教編程的概率低，導(dǎo)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(yè)機器人設(shè)備有一定的安全隱患，部分學(xué)生因操作不熟練可能會存在畏難心理，不敢創(chuàng)新實踐。

2虛實結(jié)合的實踐教學(xué)設(shè)計

通過對機器人工件搬運的虛擬構(gòu)建，學(xué)生能夠通過軟件模擬工業(yè)機器人系統(tǒng)的搭建過程，對工業(yè)機器人的示教編程進行深入學(xué)習(xí)。在虛擬環(huán)境下進行新建坐標(biāo)、參數(shù)設(shè)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(xùn)，可大大降低實操環(huán)節(jié)的誤操作及設(shè)備損壞的頻率，既節(jié)約了設(shè)備使用成本，也為學(xué)生更好地學(xué)習(xí)數(shù)控知識打下了堅實的基礎(chǔ)。實操環(huán)節(jié)后，學(xué)生仍然可以通過虛擬軟件進行鞏固復(fù)習(xí)，強化實訓(xùn)成果。

從企業(yè)實際搬運工作過程出發(fā)，提煉工作任務(wù)。通過虛擬示教器和機器人虛擬仿真軟件完成工業(yè)機器人搬運程序演練，隨后通過真實設(shè)備平臺進行聯(lián)調(diào)，以虛促實，鍛煉學(xué)生對知識和技能的綜合運用能力。充分運用信息化教學(xué)資源和教學(xué)手段，構(gòu)建虛實結(jié)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(guī)劃、搬運程序調(diào)試方法等教學(xué)內(nèi)容。展開了以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的理實一體、虛實結(jié)合的特色項目化教學(xué)。傳遞知識技能的同時，對學(xué)生進行職業(yè)素養(yǎng)和價值觀方向的引領(lǐng)。將愛國精神、工匠精神、創(chuàng)新精神等融入本節(jié)教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生民族自豪感以及學(xué)習(xí)工業(yè)機器人技術(shù)的使命感，樹立文化自信，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)榮譽感和學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果。

以全國職業(yè)院校技能大賽工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用平臺，融入工業(yè)機器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級考核點。根據(jù)“以賽促教，以賽促改”的教學(xué)理念，開展基于線上線下、虛實結(jié)合的混合式教學(xué)。教師作為引導(dǎo)者，激勵者，綜合運用多種教學(xué)方法（情景教學(xué)、案例教學(xué)、示范教學(xué)等），實現(xiàn)“做中教”。打破了傳統(tǒng)教學(xué)中的時間、空間、資源等的限制，堅持線上與線下相結(jié)合。學(xué)生作為學(xué)習(xí)者、探索者，在教師的引導(dǎo)下，通過自主探究，小組合作等學(xué)習(xí)方法，實現(xiàn)“做中學(xué)”。充分運用在線學(xué)習(xí)平臺、視頻、機器人虛擬仿真等整合教學(xué)資源，優(yōu)化教學(xué)過程，打造數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化為一體的理實、一體教學(xué)環(huán)境。

3以虛促實的課程思政教學(xué)實施

傳統(tǒng)的實踐教學(xué)，由于設(shè)備有限，教師先進行示范演示，學(xué)生觀看教師示范，然后分組實操，教師巡視，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳。為了緩解現(xiàn)有實訓(xùn)時間及設(shè)備不足的狀況，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，在教學(xué)過程中引入機器人虛擬仿真軟件，基于虛擬技術(shù)的仿真實驗打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足?，F(xiàn)以“工業(yè)機器人水平搬運虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)”為例，說明虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)過程的設(shè)計與實施。以企業(yè)真實任務(wù)工業(yè)機器人搬運為驅(qū)動，開展線上線下、虛實結(jié)合的混合式教學(xué)，并將教學(xué)過程分解為課前探學(xué)、課中導(dǎo)學(xué)、課后延學(xué)3個階段。

3.1課前探學(xué)

教師活動：課程開始前一周，發(fā)布學(xué)習(xí)資料（虛擬示教器使用教程、虛擬仿真軟件視頻）和學(xué)習(xí)任務(wù)（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(xué)習(xí)平臺（超星學(xué)習(xí)通）。根據(jù)課前測試初步掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時調(diào)整教學(xué)策略。

學(xué)生活動：學(xué)生結(jié)合課程資源和學(xué)習(xí)視頻資料，完成布置的任務(wù)，完成課前測試題。

設(shè)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(xiàn)場示教器的使用方法、安全簡便。通過與機器人仿真系統(tǒng)互聯(lián)，初步完成機器人虛擬工件搬運，確保學(xué)生初步掌握程序的編寫思路。既為課堂教學(xué)做充分的準(zhǔn)備，還突出了學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)自主探究的科學(xué)精神。

3.2課中導(dǎo)學(xué)

環(huán)節(jié)一：視頻導(dǎo)學(xué)（5分鐘）

教師活動：播放視頻——埃夫特里的工業(yè)機器人。帶學(xué)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(yè)機器人都有哪些應(yīng)用？

學(xué)生活動：認(rèn)真觀看視頻，思考老師提問，積極互動。根據(jù)已學(xué)知識，溫故工業(yè)機器人的典型應(yīng)用領(lǐng)域。為隨后內(nèi)容工業(yè)機器人搬運教學(xué)內(nèi)容作鋪墊。

設(shè)計意圖：引出本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，明確其重要性。愛國，學(xué)技能報國。強烈激發(fā)學(xué)生民族自豪感以及學(xué)習(xí)工業(yè)機器人技術(shù)的使命感，喚起學(xué)生的家國情懷和民族情懷，樹立文化自信，更深刻認(rèn)識到只有自身能力的提升才能為國家的發(fā)展和強盛作出貢獻。

環(huán)節(jié)二：作品展示（15分鐘）

教師活動：點評課前學(xué)生作品，解決學(xué)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(xué)生活動：作品匯報演示，積極討論，回答教師問題。認(rèn)真聽課，查缺補漏。

設(shè)計意圖：針對學(xué)生自主學(xué)習(xí)中遇到的共性和易錯問題進行講解，學(xué)生在這種輕松匯報作品的同時又學(xué)習(xí)了知識點，寓教于樂。培養(yǎng)學(xué)生樂于思考，善于總結(jié)的能力。

環(huán)節(jié)三：虛擬仿真（25分鐘）

教師活動：（1）介紹本次教學(xué)內(nèi)容，將G7和G9工位的工件A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H搬運到對應(yīng)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(dǎo)學(xué)生分組，抽取所需搬運的工件類型。

（3）教師巡導(dǎo)，及時解決學(xué)生問題。

學(xué)生活動：明確任務(wù)，抽取所需搬運的工件類型。思考設(shè)計程序編寫流程，按任務(wù)書要求在虛擬仿真軟件中完成任務(wù)程序的編寫、調(diào)試、運行，模擬演示搬運過程。

設(shè)計意圖：學(xué)生結(jié)合具體任務(wù)，通過虛擬示教器和機器人3D虛擬仿真軟件模擬實際工業(yè)機器人搬運序編寫，很好地完成了技能訓(xùn)練。實現(xiàn)知識在實際中的遷移應(yīng)用。同時降低了后續(xù)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(chǔ)，還突出了學(xué)生主體地位，使學(xué)生在愉悅的學(xué)習(xí)中輕松地解決教學(xué)過程中的重點問題，提升了學(xué)生技能水平的同時，也提高了他們的自信心。

環(huán)節(jié)四：實踐操作（35分鐘）

教師活動：（1）實際操作設(shè)備前對學(xué)生進行安全教育

（2）演示如何由虛擬程序?qū)雽嶋H示教器：

①虛擬示教器中導(dǎo)出程序，修改IO編程語法程序。

②下載到實際示教器中。

③現(xiàn)實示教器讀取程序，手動運行監(jiān)測點位準(zhǔn)確，進行點位調(diào)整。

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

學(xué)生活動：（1）學(xué)生以3人為一小組操作，認(rèn)識實驗平臺，擺放工件。

（2）小組合作根據(jù)任務(wù)書，進行搬運運行軌跡示教編程，并將視頻上傳至學(xué)習(xí)通平臺。

（3）提出加工中遇到的問題，通過教師指導(dǎo)解決加工問題。

設(shè)計意圖：學(xué)生以小組為單位進行合作學(xué)習(xí)，實踐教學(xué)中學(xué)生技能得到強化和補充。培養(yǎng)學(xué)生工作過程中的團隊合作精神和安全意識。有效提升學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新精神。實際操作中需要微調(diào)示教點位，否則會出現(xiàn)搬運工件位置不準(zhǔn)確，這就要求同學(xué)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(yè)機器人搬運應(yīng)用的理解，以虛促實，有效解決了教學(xué)重點，突破了教學(xué)難點。如圖5所示

環(huán)節(jié)五：總結(jié)評價（10分鐘）

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

學(xué)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(jié)本節(jié)課知識點，做好筆記。

設(shè)計意圖：成果分享，增強獲得感。通過教師點評和學(xué)生自評，強化學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)。

3.3課后延學(xué)

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

學(xué)生活動：鞏固本次課的教學(xué)內(nèi)容，思考問題，登錄平臺，評價教師教學(xué)效果，完成拓展學(xué)習(xí)。

設(shè)計意圖：拓寬學(xué)生的知識面，強化學(xué)習(xí)內(nèi)容。引導(dǎo)學(xué)生增強勇于探索的創(chuàng)新精神，使知識點內(nèi)化。鼓勵學(xué)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(xué)生自評、教師評價的過程考核，圍繞課前自學(xué)、課中教學(xué)、課后拓展3個階段中生成的評價數(shù)據(jù)。體現(xiàn)評價主體多元化，內(nèi)容多維化，使評價結(jié)果更客觀，讓學(xué)生注重學(xué)習(xí)過程的每一步，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，促進學(xué)生的全面發(fā)展。

4特色與創(chuàng)新

（1）量身制定出“課前虛擬打基礎(chǔ)，課中以虛促實練技能”兩虛一實的教學(xué)環(huán)節(jié)。課前通過機器人虛擬仿真軟件，多次練習(xí)示教器的使用、學(xué)習(xí)搬運指令的綜合應(yīng)用。解決了設(shè)備平臺少，操作危險性的問題。課中根據(jù)實際生產(chǎn)任務(wù)完成虛擬仿真軟件中程序的演練，最后真實設(shè)備平臺驗證，783659bc9f026ffe085e386ec77d4630層層遞進，環(huán)環(huán)相扣，保證了教學(xué)質(zhì)量。有效突破了教學(xué)重難點，提高了教學(xué)效果。

（2）整個教學(xué)內(nèi)容依托全國職業(yè)院校技能大賽“工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用”賽項設(shè)備平臺，以工業(yè)機器人搬運為例，融入工業(yè)機器人應(yīng)用編程“1+X”技能考核點。強化教學(xué)內(nèi)容的職業(yè)技能性要求，加強對學(xué)生職業(yè)技能的培養(yǎng)。將愛國精神、工匠精神、創(chuàng)新精神等思政主題巧妙貫穿教學(xué)全過程，形成全方位立體的思政教學(xué)體系，逐層遞進式地實現(xiàn)德育目標(biāo)。

5效果

（1）本次課主要借助學(xué)習(xí)平臺、虛擬仿真軟件及工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用設(shè)備平臺等多種形式實施教學(xué)，使得每位學(xué)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(huán)節(jié)，學(xué)生的出錯率大大降低。實現(xiàn)學(xué)生知識到能力的轉(zhuǎn)化，從實踐現(xiàn)場和結(jié)果考核來看，教學(xué)質(zhì)量大幅度提高。教學(xué)效果得到提升。

（6）多種信息化手段應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)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(xué)生多方位提高自己的排名，增強了學(xué)生的自信心。另外，思政元素的有機滲透，使得學(xué)生獲得職業(yè)技能的同時，也提升了職業(yè)素養(yǎng)。

6結(jié)語

本文引入虛擬仿真技術(shù)解決主傳統(tǒng)實訓(xùn)課程的問題，實踐證明，虛擬仿真可以很好地解決，激發(fā)教師和學(xué)生持續(xù)教與學(xué)的熱情，提高了學(xué)習(xí)效果。為了全面落實校企融合教育理念，后續(xù)邀請企業(yè)導(dǎo)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(xué)產(chǎn)生極大的興趣，隨著新技術(shù)、新工藝的不斷更新，后續(xù)還要繼續(xù)更新課程資源和企業(yè)案例。保證資源的實用性和時效性。

參考文獻

［1］賀聲陽，徐晗.數(shù)控加工虛擬仿真的教學(xué)改革研究[J].工業(yè)和信息化教育，2022.

[2]張晴晴，萬志強，劉蘇英，等.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高職智能視覺檢測技術(shù)課程混合式教學(xué)模式研究[J].九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2022.

[3]劉天宋，張俊.工業(yè)機器人虛擬仿真實用教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2021年08月.

[4]張敏.虛擬仿真實驗的設(shè)計與教學(xué)應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社出版，2021年09月.

[5]徐國慶.職業(yè)教育課程、教學(xué)與教師[M].上海：上海教育出版社，2020年11月.

[6]張敏.虛擬仿真教學(xué)環(huán)境構(gòu)建[M].北京：高等教育出版社，2023年05月.