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【摘要】本文以工業(yè)機(jī)器人的虛擬仿真實驗教學(xué)為切入點，針對當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人實驗教學(xué)面臨的問題探索教學(xué)改革方案，提出虛擬現(xiàn)實技術(shù)與在線課堂相結(jié)合的混合式教學(xué)模式來開展工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實驗教學(xué)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建適用于學(xué)科建設(shè)要求的新一代實驗教學(xué)平臺，既能夠生動地展現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的組成原理和操作細(xì)節(jié)，又可以避免實驗危險因素，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生對課程知識有更深刻的理解和熟練的掌握。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)機(jī)器人；智能制造；虛擬仿真實驗；虛擬現(xiàn)實；在線課堂

1引言

為打造具有國際競爭力的制造業(yè)，我國提出“中國制造2025”戰(zhàn)略計劃——實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)來應(yīng)對未來國際制造產(chǎn)業(yè)日益激烈的競爭挑戰(zhàn)。工業(yè)機(jī)器人是智能制造的重要組成部分，在工業(yè)自動化改造的需求刺激下，工業(yè)機(jī)器人的需求逐年增長，因此對培養(yǎng)實用型專業(yè)技能人才隨之提出新的要求。從工業(yè)機(jī)器人教學(xué)質(zhì)量來看，需要改進(jìn)上課的教學(xué)手段，進(jìn)行教學(xué)改革，加強(qiáng)實踐操作，為提升課程質(zhì)量必須加快推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深層次融合，將互聯(lián)網(wǎng)、遙操作、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)深度應(yīng)用到教育教學(xué)中來，以此培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)化人才[1]。

2傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人實驗教學(xué)中存在的問題

2.1教學(xué)過程的問題

工業(yè)機(jī)器人的實驗，主要有兩種方式：離線編程及示教編程。因為現(xiàn)有的離線編程效果得不到保證，仍需要在示教編程上進(jìn)行修改，無法滿足教學(xué)需求，所以還是需要用到示教模式來進(jìn)行教學(xué)。但是示教在線編程過程繁瑣，效率低，且示教器種類過多，學(xué)習(xí)量過大，對實際的機(jī)器人進(jìn)行示教時要占用機(jī)器人，使用時間過長，不利于實現(xiàn)教學(xué)的高效原則，教學(xué)效果差。在現(xiàn)實環(huán)境中，操作過程往往依賴示教器進(jìn)行現(xiàn)場編程，初學(xué)者容易發(fā)生事故，輕則撞壞設(shè)備，重則撞傷人，容易造成人為的機(jī)械故障，而且對于復(fù)雜的路徑，示教在線編程難以取得令人滿意的效果。對于新手來說，誤操作率較高，不利于學(xué)習(xí)及實踐，降低了教學(xué)效益。目前的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)模式仍是多媒體授課，教學(xué)手段單一，教師在講臺講解，學(xué)生在下面聽講，造成較沉悶的單向灌輸式教學(xué)的課堂氛圍，缺乏師生之間的有效溝通互動，學(xué)生一直處于被動吸收的狀態(tài)，缺少自主思考時間，所以學(xué)習(xí)積極性也隨之降低，思維容易固化，無法實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生拓展思維的目標(biāo)。在課堂中老師不能及時地收到學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋、了解學(xué)生的認(rèn)知水平、掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況及實時評估效果，以至于無法及時地調(diào)整教學(xué)手段和內(nèi)容。學(xué)生在課前預(yù)習(xí)時因為沒有實驗設(shè)備及操作視頻可供參考，造成預(yù)習(xí)效果不佳，無法完全吸收課堂知識，聽課質(zhì)量下降。在教師演示操作過程時學(xué)生會因為看不清操作細(xì)節(jié)，以及無法記住繁雜的操作步驟而使教學(xué)效果大打折扣，以至于在老師講完實驗過程之后，學(xué)生仍處于一種云里霧里不知從何下手進(jìn)行實驗的狀態(tài)。在課后復(fù)習(xí)時，學(xué)生無法在沒有老師陪同下單獨使用危險度較高的實驗設(shè)備進(jìn)行回顧和鞏固所學(xué)知識，導(dǎo)致實驗教學(xué)質(zhì)量往往比理論教學(xué)低的現(xiàn)象。

2.2教學(xué)資源的問題

學(xué)生人均教學(xué)資源不足。因為限制于課程學(xué)時安排、實驗室空間、器材成本、實踐安全問題，所以分配給每個學(xué)生的教學(xué)資源不夠充裕，不利于學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課后回顧復(fù)習(xí)及練習(xí)，上課有問題無法及時與老師交流，造成學(xué)生看不見，老師“教不了”的現(xiàn)象，削弱學(xué)生接收知識的積極性，課堂效率下降，降低實驗教學(xué)質(zhì)量水平，教學(xué)達(dá)成度較低。學(xué)校教學(xué)資源浪費嚴(yán)重。在時代更迭快的背景下，教學(xué)設(shè)備需要跟上時代更新的步伐才能培養(yǎng)出新一代的優(yōu)秀人才，但是在設(shè)備更新的同時，意味著舊設(shè)備將被閑置，且新設(shè)備費用昂貴，加重學(xué)校的負(fù)擔(dān)。在教學(xué)過程中因為學(xué)生的操作失誤往往會造成設(shè)備磨損毀壞及材料的嚴(yán)重浪費，增加維護(hù)保養(yǎng)負(fù)擔(dān)。

3應(yīng)用“虛擬現(xiàn)實+在線課堂”創(chuàng)新實驗教學(xué)

隨著時代的進(jìn)步與發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)模式發(fā)生了巨大的改變。在大數(shù)據(jù)時代，信息的交流顯得尤為重要,師生之間有效的學(xué)術(shù)交流在網(wǎng)絡(luò)載體上得以擴(kuò)大實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷更新和科技的進(jìn)步也使得學(xué)生接受教育的方式和途徑更加多樣化[2]。在此提出一種使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)與在線課堂相結(jié)合的混合教學(xué)模式來解決傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人實驗教學(xué)中存在的問題。

3.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將人與電子設(shè)備連接，實現(xiàn)虛擬實驗過程，將實驗的全部活動及所需資源再現(xiàn)在電腦上，實現(xiàn)機(jī)械設(shè)備被電腦模型代替，用計算機(jī)虛擬工業(yè)機(jī)器人示教編程代替現(xiàn)實實驗過程來進(jìn)行機(jī)器人實驗教學(xué)，使得學(xué)生可以在這逼真的虛擬環(huán)境中產(chǎn)生觸覺、視覺等共同作用的仿真效果，沉浸式投入學(xué)習(xí)過程中。采用RobotStudio2019工業(yè)機(jī)器人仿真實驗平臺進(jìn)行教學(xué)，RobotStudio軟件利用強(qiáng)大的仿真能力實時仿真工業(yè)機(jī)器人及配套設(shè)備的運動控制，對初學(xué)者學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用有非常大的幫助，有利于學(xué)生開展項目制的學(xué)習(xí)。如采用“理實一體化”的教學(xué)模式、“項目引導(dǎo)—任務(wù)驅(qū)動”的教學(xué)模式。設(shè)計實際工況環(huán)境，了解機(jī)器人應(yīng)用編程與外圍傳感器以及PLC等設(shè)備的聯(lián)系，以做到更為全面的“教、學(xué)、做”為一體的教學(xué)體系，實現(xiàn)教學(xué)與工作崗位的最大程度的銜接[3]。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)來模擬虛擬操作環(huán)境可以解決教學(xué)過程操作危險的問題及打破高成本、不可逆的實驗難題，減少事故發(fā)生率，提供多人次、多場次的沉浸感受式教學(xué)環(huán)境，彌補(bǔ)教學(xué)設(shè)備不足的問題，打破時間、空間及實驗場地的限制，有效解決了學(xué)生人均資源不足的現(xiàn)狀，縮短教學(xué)時間，提高教學(xué)效率，突破紙上談兵的不足。大幅度降低教學(xué)支出，杜絕了設(shè)備及材料浪費、實物磨損毀壞的情況，并且能夠及時更新豐富教學(xué)資源，接上時代的正軌，培養(yǎng)出優(yōu)秀的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)化人才。對學(xué)生而言，使用VR技術(shù)的新奇方式進(jìn)行上課，通過電子設(shè)備輕而易舉地實現(xiàn)身臨其境于實驗中的感覺，通過虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，使學(xué)生能在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入學(xué)習(xí)環(huán)境中，有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練[4]。激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，實現(xiàn)良好教學(xué)達(dá)成度，而且還可以減少試驗成本和操作危險性，保證了學(xué)生的安全。虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，使學(xué)生能在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入學(xué)習(xí)環(huán)境中，有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練[5]。對教師而言，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將現(xiàn)實中不可見、隱藏性的實體結(jié)構(gòu)完全呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生更好地了解工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，增益教學(xué)效果。也可以仿真學(xué)生在實踐過程中出現(xiàn)的不恰當(dāng)操作，記錄在軟件的評估結(jié)果里，可以對教學(xué)效果進(jìn)行實時評估，極大地提高教學(xué)效益。將虛擬現(xiàn)實應(yīng)用到實訓(xùn)中不僅拓展知識“寬度”，提升技能“深度”，而且降低管理“難度”，減輕教師“強(qiáng)度”[4]，使教學(xué)手段多樣化，提高實驗教學(xué)質(zhì)量水平。

3.2在線課堂的應(yīng)用

雨課堂是清華大學(xué)和學(xué)堂在線共同研發(fā)推出的混合式教學(xué)工具，借助智能手機(jī)微信平臺加深師生互動，完成課前文字資料、視頻的傳輸，課中的實時互動，課后的數(shù)據(jù)總結(jié)等工作，覆蓋優(yōu)化課前-課上-課后的教學(xué)環(huán)節(jié)。在課前，老師可以將PPT實驗操作視頻等教學(xué)資源上傳至雨課堂，供學(xué)生在課前進(jìn)行完整的預(yù)習(xí)，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)交給學(xué)生，充分利用課堂寶貴的時間，讓學(xué)生直觀地了解上課流程，對不懂的知識點做到心中有數(shù)，直接帶著問題進(jìn)行實驗，提高聽課質(zhì)量和實驗質(zhì)量水平。而且老師在教師端可以利用“雨課堂”的數(shù)據(jù)分析機(jī)制收集學(xué)生的全方位預(yù)習(xí)信息，實時掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)進(jìn)度，預(yù)習(xí)效果，了解學(xué)生對知識的掌握程度，根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)情況適當(dāng)小幅度地調(diào)整和改進(jìn)課堂內(nèi)容，重點講解大多數(shù)學(xué)生在預(yù)習(xí)中遇到的問題，在課堂上留更多的時間給學(xué)生進(jìn)行討論思考，增強(qiáng)學(xué)生的自主思考能力，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在課后，老師可以直接在“雨課堂”平臺上布置練習(xí)作業(yè)，直接對學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評估，減少教師的負(fù)擔(dān)，將更多精力用于提升課堂內(nèi)容及課后答疑上。學(xué)生也可以不受時空限制與老師進(jìn)行及時的溝通解決疑惑，并且可以及時地復(fù)習(xí)上課內(nèi)容，消除中間的空白過渡期，夯實所學(xué)知識，達(dá)到“溫故而知新”的目的。

3.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)與在線課堂結(jié)合的教學(xué)框架的優(yōu)點

該教學(xué)框架重塑“教與學(xué)”模式。以虛擬現(xiàn)實教學(xué)資源和以大數(shù)據(jù)、人工智能算法為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)作為新式教學(xué)媒介，將虛擬現(xiàn)實的特性與互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)作性、便捷性、共享性深度融合，開創(chuàng)以教師為基點，輔以虛擬現(xiàn)實實驗資源和云平臺手段的、圍繞學(xué)生這一核心的新型“虛擬現(xiàn)實+在線課堂”實驗教學(xué)模式[1]。虛擬教學(xué)的主要特點為:（1）將知識要點附加到三維模型上，實現(xiàn)知識要點的三維可視化；（2）三維結(jié)構(gòu)可以任意旋轉(zhuǎn)、縮放,互動拆裝；（3）工作原理三維動畫展示；（4）計算仿真結(jié)果三維可視化；（5）三維電路仿真接線及測試；（6）虛擬場景，可自由行走、體驗、觀察[6]。學(xué)生使用虛擬現(xiàn)實設(shè)備進(jìn)行在線課堂的模擬工業(yè)機(jī)器人操作實驗，能夠在360度沉浸式的3D教學(xué)環(huán)境中獲得更好的學(xué)習(xí)體驗，對實驗的理解更加清晰。在這種教學(xué)模式下豐富了學(xué)生可用的教學(xué)資源，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的限制，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的潛能，提高課堂質(zhì)量水平。

4結(jié)語

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，將虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)相結(jié)合，逐步融入實踐教學(xué)當(dāng)中，已成為當(dāng)前的熱門研究。未來，人類進(jìn)入虛擬空間進(jìn)行學(xué)習(xí)是一種新的學(xué)習(xí)形式和發(fā)展趨勢，虛擬現(xiàn)實教學(xué)是傳統(tǒng)教學(xué)適應(yīng)現(xiàn)代人才培養(yǎng)的一種新型教學(xué)模式。在“虛擬現(xiàn)實+在線課堂”的新教學(xué)模式下，將教師、學(xué)生和教學(xué)資源串有機(jī)結(jié)合在一起，形成沉浸感受式、交互聯(lián)動式、自主探索式的學(xué)習(xí)模式。結(jié)合在線平臺可以實現(xiàn)隨時隨地的操作，不受實驗資源條件約束，能夠滿足工業(yè)機(jī)器人實驗教學(xué)的實踐性需求。

參考文獻(xiàn)

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作者： 張帆  單位：廣東技術(shù)師范大學(xué)