手机APP与虚拟仿真技术对工业机器人课程教学改革探讨

随着科技的发展与进步, 工业机器人在各种领域的应用性越来越广泛。以工业机器人课程为研究对象, 摒弃传统意义灌输式教学模式, 应用虚拟仿真技术, 让学生熟悉工业机器人的运行轨迹、各关节活动范围等相关工作原理。结合手机APP软件技术对课程进行初始建设, 课上讨论等相关设置, 使学生在课堂上把手机变成学习的辅助工具。最后针对两种技术的优点, 从讲授内容、教学方式、考核机制等方面上进行改革, 突出教学重点, 突破教学难点, 最终实现学生学习由被动型向主动型转变的新教学模式。同时该方法适用于相关工业机器人类课程教学。

1. 介绍

随着信息时代的到来以及科学技术的快速发展, 工业机器人生产线的建立已经成为自动化设备发展的重要方向。各高等院校都申请或者已经建立该学科的课程体系, 同时在2018年教育部发出﹒《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》中提到淘汰“水课”、打造“金课”, 合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度, 切实提高课程教学质量和把课堂教学建设强起来、把课堂教学质量提起来。那么如何高质量、高水准、高要求的讲解好工业机器人类课程成为高校教学讨论的重点问题。

在此背景下, 本文以工业机器人课程为例, 把课堂教学过程、考核过程联合手机APP软件、虚拟仿真技术, 让手机变成学习的工具, 充分调动学习的积极性, 让学生掌握在玩中学、学中做的互动学习模式, 掌握“工业机器人”的技能知识点, 让手机变成辅助教学不可或缺的重要组成部分。此方法具有一定普遍意义, 可以作为工业机器人相关课程的基础性研究。

2. 国内外工业机器人相关课程概况

由于工业机器人这门课属于新兴学科, 许多学校还没开设这门课程, 但是笔者找到了与它相近的机器人课程设置体系, 因为这两门课程性质和课程所讲知识体系大部分相识或者一样。

根据表中所列信息可以得出一下结论:

(1) .国外机器人专业授课实验学时普遍多余国内。

(2) .国内机器人专业授课形式比较单一并且以书本为主, 没有明确学习目的, 致使课堂枯燥无味, 使学生无法提起兴趣, 从而注意力转向别处。

3. 手机APP与虚拟仿真技术的引用

针对上述问题和现象, 本课程采用手机APP和虚拟仿真技术联合使用, 使学生在“玩”工业机器人时, 学到本节课的重点知识。

3.1 虚拟仿真技术的引用

本课程以讲授ABB机器人IRB1410为例, 此机器人1轴绕Z轴方向旋转-170°到170°, 2轴绕Y轴旋转-56.15°到70°, 3轴绕Y轴旋转-42.25°到92.48°, 4轴绕X轴旋转-150°到150°, 5轴绕Y轴旋转-115°到115°, 6轴绕X轴旋转-300°到300°。具体如图1和图2所示:

 图1 工业机器人及各关节轴运动

 图2 部分工业机器人模型

通过在计算机上模拟仿真, 学生可以有效的操控各个工业机器人的关节轴, 并且可以从各个角度看工业机器人的运动方式, 这样有助于提高学生空间想象能力和工业机器运动状态的理解能力。该软件提供了大量工业机器人模型, 弥补了实体机器人类型的欠缺。使用者可以自主编辑工业机器人运动轨迹和建立工业机器人工作站并且仿真运行。

3.2 虚拟仿真教学平台的优点

(1) .该方法有利于工业机器人及相关学科的教学和学习, 可以辅助学生增强空间想象能力, 提高课程的连贯性。该软件还可提供3D可视化工业机器人, 使学生在不能进行实际操作工业机器人时, 为其提供一个工程实践的模拟场地[2,3]。为学生创造一个可以亲自动手操作的实践平台。

(2) .该方法可以避免学生在操作实体机器人时出现的干涉现象, 降低了在实际操作现场出现事故的概率, 增加工业机器人的使用寿命, 节约工业机器人的运行成本。

(3) .因本平台实在虚拟仿真状态下所进行, 所以当在机器人运行轨迹或机器人出现问题时, 学生不用担心因尝试各种解决办法而导致机器人的损坏, 反而这种教学方式能更好的激发学生的创造力, 增强学习兴趣, 提升团队凝聚力。

3.3 手机APP智能软件的引用

本课程引用手机APP软件─学习通, 手机操作界面如图3所示:

 图3 手机APP操作界面

由于篇幅的限制, 所以图3是两个常用操作界面的合集。此款软件可以提供在线签到、课上和课下讨论、客观题作业自动批改等功能。教师需要前期把已经做好的视频讲解上传到图3资料夹里面, 并且讲解学生操作过程中有可能出现的问题。这样可以让同学们在课前做好预习, 并且课上也可以时时观看。遇到不会的问题, 可以在手机客户端里时时提问, 同学之间亦可相互解答。

3.4 手机APP智能软件教学平台的优点

(1) .摒弃了传统教学中的点名、留作业等课堂管理工作, 留给教师更多的时间辅导学生在操作工业机器人中出现的问题。

(2) .学生可以跟教师时时互动, 教师也可以在课堂上时时掌握学生完成进度, 总结再前期没有想到的问题, 不断改善前期视频。

4. 手机APP与仿真技术的结合

本文针对这两种软件的优点, 适当的改变原有课堂上的驱动任务, 新旧驱动任务对比如表2所示:

 表2 新旧课堂任务对比

把一些学生通过视频就可以掌握或者在驱动任务中没有改动价值的章节删掉, 重新编排任务。突出本节课的重点知识, 采用引导或者视频讲解突破教学难点。把原来比较好的章节继续保留下来。

4.1 改动说明

(1) .在任务1中, 由原来的具体讲解, 变成简单介绍, 并且留作课后作业。因现在网络上相关资源及图书比较丰富, 故让学生自己查找网络上相关资料, 或者上图书馆查阅相关文献, 解决软件认识及安装等问题, 以增强学生的查找文献解决问题的能力。

(2) .在任务2中, 原有任务中含布局工业机器人基本工作站和手动操作内容, 不是课程重点内容, 学生通过教师上传的视频即可学会, 并且在实际操作机器人时也没有过多变化, 所以不适用在手机APP和虚拟仿真技术下的结合使用。

(3) .在任务3中, 原有任务内容过于繁杂, 前后关联性低, 做成教学视频后效果也不理想, 不如改成创建机械装置及机器人用工具, 可做到承上启下的关联。其余内容如:建模功能、测量工具的使用等不如做成课后作业, 让学生通过课上学习, 课下完成简单操作。

(4) .在任务5中, 改变原有方案是为更好的达成课程总任务目标而改变, 是针对课程最后总任务而设定的。

(5) .课程后续规定时间, 只是考核时间并不代表着课程总学时, 本门课程属于分段考核模式。

4.2 具体实施方法

(1) .教师前期把表2的任务都做成视频的模式, 上传手机APP里, 让学生提前预习。

(2) .教师第一节课对班级人数进行分组, 分组之后公布课程的总体任务, 如本课程, 总体任务是根据不同的场地、环境和工作需要, 建立工业机器人涂胶或者搬运工作站。最后竞选2-3人学生助理, 主要帮助老师记录讨论相关信息。依据记录信息的多少适当加分。

(3) .正式上课的时候, 教师根据视频内容, 把课堂讲授内容作出适当调整, 如本课程任务2中建立轨迹程序, 视频中讲解建立椭圆轨迹, 那么在课堂上可以讲解长方形轨迹或者不规则图形轨迹的建立。这样可保证学生上课听讲, 而不是单纯依赖手机APP里视频。因讲解的不同, 会对轨迹的建立产生问题, 所以手机里面会有大范围的讨论, 这时需要助理观察, 是否有人先想到了处理结果, 然后时时报给教师, 对于帮助他人解决问题的同学, 最后教师依据问题的难易程度给于加分奖励。如出现就同一问题一直没有讨论出结果或者大部分学生都在讨论此问题, 这时教师要即时给于解答。

(4) .在考核过程中可以观看学生所做视频, 因大部分学校排课都是2节连上, 所以有充足的时间。如果有考核时间延迟或者工业机器人运行轨迹不规范等, 那该小组适当减分。

(5) .前期任务都比较容易完成, 这时, 在课堂上可以穿插讲解工业机器人运动命令, 如ABB机器人中的MoveJ、MoveAbsJ、MoveL、Set、Reset等指令, 充实课堂内容。

(6) .学习之后完成最终成果, 可从仿真软件中把程序导入到实体中, 在实体机器人中运行, 体验学习带来的快乐, 获得成就感, 激发学习兴趣。

5. 总结

(1) .通过该方法的实施, 课程紧张有序, 亦可充分利用手机, 使学生在课堂上无暇他顾, 全身心的投入到学习中。

(2) .采用手机APP软件和虚拟仿真技术, 其目的是把教师从教学主导者转化为帮助学生学习的参与者, 从辅助角度不断激励学生勇于实践, 让学生由原来的被动式、应付式变成主动式、探索式学习。

(3) .该方法可以有效的降低学生对实体机器人的损坏率, 提高学生在实体机器人操作时的安全率, 延长机器人使用寿命, 节约实习实践成本。