劉奎立，張廣磊，劉思邦，王 濤

(周口師范學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，河南 周口 466000)

工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線已成為自動化設(shè)備的主流和未來發(fā)展方向，并已在國內(nèi)外許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.虛擬機器人模擬生產(chǎn)線中的各種因素和生產(chǎn)過程，可以有效降低生產(chǎn)成本和安全風(fēng)險.通過模仿和分析，可以預(yù)測生產(chǎn)中的各種事件，按時縮短流程，完成復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)并將自動化生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苌a(chǎn)線.為了滿足技能教學(xué)的需求，許多高校都開設(shè)了工業(yè)機器人課程，但工業(yè)機器人價格昂貴，教學(xué)設(shè)備的維護成本高，數(shù)量難以滿足教學(xué)需求[1].隨著虛擬仿真教學(xué)的引入，合理分配教學(xué)資源成為現(xiàn)實，可以確保學(xué)生有足夠的時間進行練習(xí)，同時減少教學(xué)過程中的安全隱患.因此，在工業(yè)機器人的教學(xué)中特別需要使用虛擬仿真技術(shù).

1 工業(yè)機械臂虛擬仿真實踐教學(xué)

虛擬仿真實踐教學(xué)使用諸如虛擬技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人機通信之類的信息技術(shù)來集成到傳統(tǒng)的實踐教學(xué)方法中.它具有漫游、演示、交互等功能，是對傳統(tǒng)機械的教學(xué)方法優(yōu)化和改進.將虛擬仿真技術(shù)結(jié)合到工業(yè)機械臂的實踐教學(xué)中，在虛擬環(huán)境中對操作過程和場景進行“真實”的重構(gòu)，使學(xué)生能夠“沉浸”在真實的模仿系統(tǒng)中，并將其真正地集成到真實的工業(yè)機器的生產(chǎn)中[2].將虛擬仿真納入實踐教學(xué)中，突破傳統(tǒng)練習(xí)時間和空間的界限，可以在課堂內(nèi)外隨時隨地在線和離線進行虛擬仿真教學(xué).在任何地方進行練習(xí)，學(xué)生可以根據(jù)實際需求和自己的知識重復(fù)并自然地安排學(xué)習(xí)時間，這增加了課程教學(xué)的廣度和深度，節(jié)省了實踐成本，并且工業(yè)機器臂虛擬教學(xué)不需要考慮購買數(shù)量眾多的機器人設(shè)備，只需要購買相應(yīng)的虛擬模擬器軟件和計算機，軟件升級的迭代成本很小[3-5]，教學(xué)效率高.虛擬仿真工業(yè)機械臂真正再現(xiàn)了從設(shè)計到應(yīng)用的真實工藝機械臂的全過程，學(xué)生可以使用虛擬仿真軟件界面檢查并運行不同的過程，不斷調(diào)整參數(shù)，從而對工業(yè)仿真實現(xiàn)不同的設(shè)計和修改效果.

2 教學(xué)“金課”改革背景下工業(yè)機械臂虛擬仿真教學(xué)實踐的建設(shè)

2.1 教學(xué)內(nèi)容

2.1.1 科學(xué)設(shè)計教學(xué)內(nèi)容

在設(shè)計教學(xué)內(nèi)容之前，要對學(xué)生的學(xué)習(xí)需求進行研究和分析，獲得該學(xué)科的基礎(chǔ)知識，了解學(xué)生學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié).使用虛擬仿真軟件，設(shè)計符合課程特點和教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容，在內(nèi)容上注重理論教學(xué)，并根據(jù)學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)講授基礎(chǔ)知識，逐步遵循內(nèi)容的改進、工件設(shè)計工具、硬件工作站設(shè)備、路線計劃算法的實現(xiàn)和優(yōu)化等[6].實驗教學(xué)內(nèi)容包括：基礎(chǔ)實驗(硬件基礎(chǔ)知識、軟件基礎(chǔ)知識)、設(shè)計實驗(工作站的構(gòu)建、軌道規(guī)劃和優(yōu)化)、綜合實驗(實際仿真和定位、工程實踐案例)和其他實際案例.在課堂教學(xué)材料中增加非教學(xué)性的教學(xué)材料，例如：工業(yè)機器人技術(shù)的各種科研項目競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽等，結(jié)合學(xué)生團隊和指導(dǎo)老師，鼓勵學(xué)生參與.學(xué)校聯(lián)系學(xué)生去相關(guān)公司實習(xí)，以便學(xué)生了解當(dāng)前工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢和技術(shù)[7].

2.1.2 建立教學(xué)資源庫

作為一門效率高、工程學(xué)高的學(xué)科，有必要增加學(xué)習(xí)知識的廣度和深度，使用的虛擬仿真軟件可以根據(jù)需要，設(shè)計和指導(dǎo)不同類型的機械臂、工具、工件和外圍設(shè)備，并支持學(xué)生上傳和共享自己的設(shè)計數(shù)據(jù)[8].建立豐富的資源集合的方法有三種：一種是鼓勵師生獨立設(shè)計手臂機器人，工件、工具、外圍設(shè)備和教學(xué)資源，并參與共享和上傳;二是與其他大學(xué)建立聯(lián)系，共享機器人學(xué)習(xí)資源的虛擬模擬器;三是與相關(guān)用人單位建立緊密聯(lián)系，實現(xiàn)案例共享資源.

2.2 教學(xué)方法

2.2.1 線上教學(xué)

(1)首先，通過對工業(yè)機械臂的理論知識、規(guī)劃過程和設(shè)計過程以及工業(yè)機械臂工作場所的教學(xué)案例，使學(xué)生可以對工業(yè)機械臂技術(shù)的基本理論、工作方法有清晰的認識，了解技能和計劃流程.

(2)模擬教學(xué)使用的仿真系統(tǒng)執(zhí)行模擬仿真操作.包括四個步驟：場景設(shè)計、軌道設(shè)計、模擬仿真和實際操作.這些步驟是漸進且緊密相關(guān)的，學(xué)生可以熟練掌握工作站的構(gòu)造和分析，以解決課程計劃和優(yōu)化問題.

(3)實際驗證操作軌道規(guī)劃設(shè)計完成后，通過仿真軟件生成相應(yīng)的程序代碼，并將生成的程序代碼傳輸?shù)綄嶋H的機械臂中進行確認和分析,解決實際路線規(guī)劃中的各種問題.

(4)作業(yè)提交.學(xué)生在進行實際操作時，除了查看操作的結(jié)果和現(xiàn)場的數(shù)據(jù)外，學(xué)生還可以通過虛擬仿真軟件提交作業(yè).教師可以登錄，隨時隨地訪問軟件系統(tǒng)，并審查學(xué)生提交的作業(yè)，提出適當(dāng)?shù)囊庖姾徒ㄗh[9].同時，學(xué)生可以隨時隨地登錄系統(tǒng)以查看教師的評論，根據(jù)評論查找問題，然后使用虛擬仿真軟件解決問題.重復(fù)此步驟以提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、診斷和解決問題的能力.

2.2.2 線下教學(xué)

教師在線下教學(xué)過程中采用啟發(fā)式教學(xué)法和以問題為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計.解釋重點和難點的知識時考慮學(xué)生的獨立思維，形成發(fā)現(xiàn)問題、診斷問題、討論和給予反饋的過程，教師的指導(dǎo)形成封閉的過程.老師根據(jù)自己對當(dāng)前問題的理解為學(xué)生開設(shè)課程，供他們查看和交流，并且教師可在線響應(yīng).同時，設(shè)置一些思考性問題，使學(xué)生可以找到信息和答案，以便學(xué)生通過查找參考資料發(fā)現(xiàn)存在的問題并解決問題.教師將實踐材料結(jié)合起來，形成獨特的綜合討論式教學(xué)方法，將新知識逐步融入實際的工程案例中，并培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐技能.

2.3 教學(xué)考核

在教學(xué)過程中，建立機械臂虛擬仿真課程庫，使用虛擬仿真的教程視頻、機械臂的設(shè)計技巧、機械臂虛擬仿真方法等;其次，通過實踐操作，討論問題，收集反饋意見，修改調(diào)整策略，實現(xiàn)金課的動態(tài)教學(xué);再次，工業(yè)機械臂虛擬仿真金課的考核采取過程性考核，每一次仿真實踐都是一次考核，課程總成績就是過程性考核的平均成績，具體形式可以采用多種組合，包括虛擬仿真結(jié)果、機械臂設(shè)計結(jié)果、研究報告、現(xiàn)場仿真結(jié)果、實踐(實驗)報告、在線教學(xué)過程記錄等.學(xué)生的綜合評價，也是過程性評價的綜合.學(xué)生能力的評價是各因素的綜合評估.

(1)平時成績占60%，形式有實訓(xùn)操作和實訓(xùn)報告，其中實訓(xùn)操作50%，實訓(xùn)報告50%，以百分制計.實訓(xùn)預(yù)習(xí)：該項為做實訓(xùn)的必備部分，無預(yù)習(xí)報告者不準(zhǔn)參加本次實訓(xùn)，由實訓(xùn)指導(dǎo)教師在實訓(xùn)前進行檢查.實訓(xùn)過程：該項占50%，由實訓(xùn)指導(dǎo)教師在實訓(xùn)結(jié)束時打分，以百分制計，學(xué)生在規(guī)定時間未完成實訓(xùn)，該實訓(xùn)應(yīng)重做.實訓(xùn)報告：該項占50%，由任課教師批改實訓(xùn)報告時打分，以百分制計.全面評價實訓(xùn)報告、包括測量結(jié)果、理論計算、誤差分析、結(jié)論、思考與建議等.

(2)考試成績占40%，形式有設(shè)計、連線、測試、驗證、分析.對學(xué)生掌握的實訓(xùn)操作技能、分析問題能力、初步的系統(tǒng)設(shè)計能力等實訓(xùn)基本技能進行實訓(xùn)測試，考題內(nèi)容包含實訓(xùn)依據(jù)的原理、實訓(xùn)測試方法、常規(guī)儀器的使用、實訓(xùn)技能等方面.

2.4 教學(xué)評價

2.4.1 典型等級評價.實驗預(yù)告、實驗過程和實驗報告.在預(yù)告中，評估學(xué)生對理論知識的掌握程度.在實驗過程中，將評估學(xué)生的實踐能力以及發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力.團隊需要共同努力以實現(xiàn)目標(biāo)，在協(xié)作期間，根據(jù)團隊的協(xié)作能力和實踐創(chuàng)新能力對學(xué)生進行評估.實驗報告中的內(nèi)容是對實踐內(nèi)容的全面評估，包括結(jié)果、理論計算、錯誤分析、結(jié)論、思想和建議等，評估學(xué)生的概括和寫作能力.

2.4.2 測試評價.測試方法使用隨機的實際問題進行評估.評估涵蓋所有工作，包括：實際準(zhǔn)備、實際操作、現(xiàn)實結(jié)果、展示和評估以及設(shè)備放置五個部分.學(xué)生以報告的形式總結(jié)他們的實踐技能，教師組織學(xué)生討論和交流，互相評價，并從教師那里獲得反饋.

3 結(jié)語

工業(yè)機械臂虛擬仿真教學(xué)金課的實施，一方面培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、思考和解決問題的能力；另一方面，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和提高實踐技能.培養(yǎng)具有獨立動手實踐操作能力和綜合素養(yǎng)是高等教育的重要目標(biāo),所以實踐課程應(yīng)得到更大的重視和投入,將工業(yè)機械臂虛擬仿真實踐課程提升到與理論課程同等重要的位置上，合理安排實踐和理論課時.