工业机器人的虚拟仿真实验课程探索

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【摘要】本文以工业机器人的虚拟仿真实验教学为切入点，针对当前工业机器人实验教学面临的问题探索教学改革方案，提出虚拟现实技术与在线课堂相结合的混合式教学模式来开展工业机器人虚拟仿真实验教学，通过虚拟现实技术构建适用于学科建设要求的新一代实验教学平台，既能够生动地展现工业机器人的组成原理和操作细节，又可以避免实验危险因素，提高学生的学习热情，使学生对课程知识有更深刻的理解和熟练的掌握。

【关键词】工业机器人；智能制造；虚拟仿真实验；虚拟现实；在线课堂

1引言

为打造具有国际竞争力的制造业，我国提出“中国制造2025”战略计划——实施制造强国战略第一个十年的行动纲领来应对未来国际制造产业日益激烈的竞争挑战。工业机器人是智能制造的重要组成部分，在工业自动化改造的需求刺激下，工业机器人的需求逐年增长，因此对培养实用型专业技能人才随之提出新的要求。从工业机器人教学质量来看，需要改进上课的教学手段，进行教学改革，加强实践操作，为提升课程质量必须加快推进信息技术与教育教学的深层次融合，将互联网、遥操作、虚拟现实等技术深度应用到教育教学中来，以此培养出更多优秀的工业机器人专业化人才[1]。

2传统工业机器人实验教学中存在的问题

2.1教学过程的问题

工业机器人的实验，主要有两种方式：离线编程及示教编程。因为现有的离线编程效果得不到保证，仍需要在示教编程上进行修改，无法满足教学需求，所以还是需要用到示教模式来进行教学。但是示教在线编程过程繁琐，效率低，且示教器种类过多，学习量过大，对实际的机器人进行示教时要占用机器人，使用时间过长，不利于实现教学的高效原则，教学效果差。在现实环境中，操作过程往往依赖示教器进行现场编程，初学者容易发生事故，轻则撞坏设备，重则撞伤人，容易造成人为的机械故障，而且对于复杂的路径，示教在线编程难以取得令人满意的效果。对于新手来说，误操作率较高，不利于学习及实践，降低了教学效益。目前的工业机器人教学模式仍是多媒体授课，教学手段单一，教师在讲台讲解，学生在下面听讲，造成较沉闷的单向灌输式教学的课堂氛围，缺乏师生之间的有效沟通互动，学生一直处于被动吸收的状态，缺少自主思考时间，所以学习积极性也随之降低，思维容易固化，无法实现培养学生拓展思维的目标。在课堂中老师不能及时地收到学生的学习反馈、了解学生的认知水平、掌握学生学习情况及实时评估效果，以至于无法及时地调整教学手段和内容。学生在课前预习时因为没有实验设备及操作视频可供参考，造成预习效果不佳，无法完全吸收课堂知识，听课质量下降。在教师演示操作过程时学生会因为看不清操作细节，以及无法记住繁杂的操作步骤而使教学效果大打折扣，以至于在老师讲完实验过程之后，学生仍处于一种云里雾里不知从何下手进行实验的状态。在课后复习时，学生无法在没有老师陪同下单独使用危险度较高的实验设备进行回顾和巩固所学知识，导致实验教学质量往往比理论教学低的现象。

2.2教学资源的问题

学生人均教学资源不足。因为限制于课程学时安排、实验室空间、器材成本、实践安全问题，所以分配给每个学生的教学资源不够充裕，不利于学生进行课前预习、课后回顾复习及练习，上课有问题无法及时与老师交流，造成学生看不见，老师“教不了”的现象，削弱学生接收知识的积极性，课堂效率下降，降低实验教学质量水平，教学达成度较低。学校教学资源浪费严重。在时代更迭快的背景下，教学设备需要跟上时代更新的步伐才能培养出新一代的优秀人才，但是在设备更新的同时，意味着旧设备将被闲置，且新设备费用昂贵，加重学校的负担。在教学过程中因为学生的操作失误往往会造成设备磨损毁坏及材料的严重浪费，增加维护保养负担。

3应用“虚拟现实+在线课堂”创新实验教学

随着时代的进步与发展，传统的教学模式发生了巨大的改变。在大数据时代，信息的交流显得尤为重要,师生之间有效的学术交流在网络载体上得以扩大实现。网络技术的不断更新和科技的进步也使得学生接受教育的方式和途径更加多样化[2]。在此提出一种使用虚拟现实技术与在线课堂相结合的混合教学模式来解决传统工业机器人实验教学中存在的问题。

3.1虚拟现实技术的应用

利用虚拟现实技术可以将人与电子设备连接，实现虚拟实验过程，将实验的全部活动及所需资源再现在电脑上，实现机械设备被电脑模型代替，用计算机虚拟工业机器人示教编程代替现实实验过程来进行机器人实验教学，使得学生可以在这逼真的虚拟环境中产生触觉、视觉等共同作用的仿真效果，沉浸式投入学习过程中。采用RobotStudio2019工业机器人仿真实验平台进行教学，RobotStudio软件利用强大的仿真能力实时仿真工业机器人及配套设备的运动控制，对初学者学习工业机器人应用有非常大的帮助，有利于学生开展项目制的学习。如采用“理实一体化”的教学模式、“项目引导—任务驱动”的教学模式。设计实际工况环境，了解机器人应用编程与外围传感器以及PLC等设备的联系，以做到更为全面的“教、学、做”为一体的教学体系，实现教学与工作岗位的最大程度的衔接[3]。应用虚拟现实技术构建工业机器人虚拟仿真实验教学系统来模拟虚拟操作环境可以解决教学过程操作危险的问题及打破高成本、不可逆的实验难题，减少事故发生率，提供多人次、多场次的沉浸感受式教学环境，弥补教学设备不足的问题，打破时间、空间及实验场地的限制，有效解决了学生人均资源不足的现状，缩短教学时间，提高教学效率，突破纸上谈兵的不足。大幅度降低教学支出，杜绝了设备及材料浪费、实物磨损毁坏的情况，并且能够及时更新丰富教学资源，接上时代的正轨，培养出优秀的工业机器人专业化人才。对学生而言，使用VR技术的新奇方式进行上课，通过电子设备轻而易举地实现身临其境于实验中的感觉，通过虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入学习环境中，有利于学生的技能训练[4]。激发学习动机，增强学习体验，提高学生学习兴趣，提升学生自主学习能力，实现良好教学达成度，而且还可以减少试验成本和操作危险性，保证了学生的安全。虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入学习环境中，有利于学生的技能训练[5]。对教师而言，虚拟现实技术可以将现实中不可见、隐藏性的实体结构完全呈现给学生，让学生更好地了解工业机器人的结构，增益教学效果。也可以仿真学生在实践过程中出现的不恰当操作，记录在软件的评估结果里，可以对教学效果进行实时评估，极大地提高教学效益。将虚拟现实应用到实训中不仅拓展知识“宽度”，提升技能“深度”，而且降低管理“难度”，减轻教师“强度”[4]，使教学手段多样化，提高实验教学质量水平。

3.2在线课堂的应用

雨课堂是清华大学和学堂在线共同研发推出的混合式教学工具，借助智能手机微信平台加深师生互动，完成课前文字资料、视频的传输，课中的实时互动，课后的数据总结等工作，覆盖优化课前-课上-课后的教学环节。在课前，老师可以将PPT实验操作视频等教学资源上传至雨课堂，供学生在课前进行完整的预习，将学习的决定权交给学生，充分利用课堂宝贵的时间，让学生直观地了解上课流程，对不懂的知识点做到心中有数，直接带着问题进行实验，提高听课质量和实验质量水平。而且老师在教师端可以利用“雨课堂”的数据分析机制收集学生的全方位预习信息，实时掌握学生的预习进度，预习效果，了解学生对知识的掌握程度，根据学生预习情况适当小幅度地调整和改进课堂内容，重点讲解大多数学生在预习中遇到的问题，在课堂上留更多的时间给学生进行讨论思考，增强学生的自主思考能力，调动学生的学习积极性。在课后，老师可以直接在“雨课堂”平台上布置练习作业，直接对学生的学习结果进行评估，减少教师的负担，将更多精力用于提升课堂内容及课后答疑上。学生也可以不受时空限制与老师进行及时的沟通解决疑惑，并且可以及时地复习上课内容，消除中间的空白过渡期，夯实所学知识，达到“温故而知新”的目的。

3.3虚拟现实技术与在线课堂结合的教学框架的优点

该教学框架重塑“教与学”模式。以虚拟现实教学资源和以大数据、人工智能算法为基础的互联网作为新式教学媒介，将虚拟现实的特性与互联网的协作性、便捷性、共享性深度融合，开创以教师为基点，辅以虚拟现实实验资源和云平台手段的、围绕学生这一核心的新型“虚拟现实+在线课堂”实验教学模式[1]。虚拟教学的主要特点为:（1）将知识要点附加到三维模型上，实现知识要点的三维可视化；（2）三维结构可以任意旋转、缩放,互动拆装；（3）工作原理三维动画展示；（4）计算仿真结果三维可视化；（5）三维电路仿真接线及测试；（6）虚拟场景，可自由行走、体验、观察[6]。学生使用虚拟现实设备进行在线课堂的模拟工业机器人操作实验，能够在360度沉浸式的3D教学环境中获得更好的学习体验，对实验的理解更加清晰。在这种教学模式下丰富了学生可用的教学资源，打破传统教学模式的限制，激发学生学习的潜能，提高课堂质量水平。

4结语

随着虚拟现实技术的发展进步，将虚拟仿真技术与教育教学相结合，逐步融入实践教学当中，已成为当前的热门研究。未来，人类进入虚拟空间进行学习是一种新的学习形式和发展趋势，虚拟现实教学是传统教学适应现代人才培养的一种新型教学模式。在“虚拟现实+在线课堂”的新教学模式下，将教师、学生和教学资源串有机结合在一起，形成沉浸感受式、交互联动式、自主探索式的学习模式。结合在线平台可以实现随时随地的操作，不受实验资源条件约束，能够满足工业机器人实验教学的实践性需求。

参考文献

[1]陈清奎,魏鑫鑫,何芹,等.基于“VR+云平台”的机械类专业实验教学模式改革与实践[J].实验技术与管理,2020,37(7):1-4.

[2]赵翔,何燕丽.“雨课堂”与虚拟现实技术的结合式教学[J].科教导刊(电子版),2019(22):3.

[3]孙红英.基于RobotStudio的机器人码垛工作站虚拟仿真设计研究[J].科技资讯,2019,17(21):25-26.

[4]刘扬,陶福春,鲁德才,等.工程训练中心“互联网+技能训练”教学模式探索与实践[J].中国管理信息化,2018,21(22):184-185.

[5]严慧萍.虚拟仿真在中职实训教学中的应用研究[D].福州:福建师范大学,2014:21.

[6]鲁言辉,陈清奎.锻造技术VR实训教学系统的研究与开发[J].模具工业,2020,46(4):75-78.

作者： 张帆  单位：广东技术师范大学