摘要：從工業(yè)自動化生產(chǎn)實驗教學(xué)的角度出發(fā)，查找分析實驗教學(xué)立足于新工科建設(shè)課程的不足，利用虛擬仿真技術(shù)改進(jìn)工業(yè)自動化實驗教學(xué)。首先介紹虛擬仿真建設(shè)的必要性，然后結(jié)合目前應(yīng)用于本科教學(xué)的工業(yè)自動化生產(chǎn)實驗教學(xué)，系統(tǒng)闡述虛擬仿真實驗?zāi)K、實驗步驟及實現(xiàn)的主要功能，為新工科建設(shè)中自動化專業(yè)實驗教學(xué)提供有力支撐，最后總結(jié)虛擬仿真實驗的教學(xué)效果與結(jié)論。

關(guān)鍵詞：新工科；工業(yè)自動化；實驗教學(xué)；虛擬仿真

中圖分類號：TP278" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）19-0109-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

為積極應(yīng)對新一輪產(chǎn)業(yè)革新和科技革命，國家迅速行動，先后部署實施了一系列重大戰(zhàn)略舉措?！耙粠б宦贰敝铝τ诖龠M(jìn)國際合作與發(fā)展，“中國制造2025”聚焦制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，“互聯(lián)網(wǎng)+”推動互聯(lián)網(wǎng)與各行業(yè)深度融合。新技術(shù)與新產(chǎn)業(yè)驅(qū)動的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，我國急需大批新興工程科技人才。自2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)[1]。

新工科建設(shè)緊密貼合時代發(fā)展脈搏，聚焦于新興產(chǎn)業(yè)與前沿技術(shù)領(lǐng)域，探索適應(yīng)新時代要求的工程技術(shù)人才培養(yǎng)新路徑、新方法，是提供智力和人才支持的重大措施。新工科建設(shè)將促進(jìn)高校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，以適應(yīng)未來工程科技需求。目前，各大高校正全力推進(jìn)高等教育改革與創(chuàng)新，包括課程體系、新形態(tài)教材與教學(xué)內(nèi)容[2-5]、在線開放課程、工程教育師資隊伍與實踐基地等方面[6-8]。

文中從工業(yè)自動化生產(chǎn)實驗教學(xué)入手，深入查找并細(xì)致分析目前實驗教學(xué)在融入新工科建設(shè)課程體系時所暴露出的短板與不足，有效借鑒虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的實戰(zhàn)經(jīng)驗[9-12]，采用信息化虛擬仿真技術(shù)[13]進(jìn)行工業(yè)自動化生產(chǎn)虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)，探索新工科建設(shè)實驗教學(xué)的新方法[14]。

1 新工科虛擬仿真建設(shè)的必要性

依托河南工學(xué)院的實踐課程電工實習(xí)和智能制造綜合實踐課程走進(jìn)智慧工場，面向全校本科專業(yè)，我校積極引進(jìn)了工業(yè)機器人產(chǎn)品生產(chǎn)包裝智能產(chǎn)線并投入教學(xué)。這條工業(yè)自動化智能產(chǎn)線目前應(yīng)用于本科教學(xué)，完全還原了工件（手機模型） 的分揀和包裝過程，為學(xué)生提供了真實的工業(yè)自動化智能制造場景，但目前也存在以下問題。

實驗空間有限，同時學(xué)生人數(shù)眾多，導(dǎo)致無法覆蓋所有實驗環(huán)節(jié)；實驗設(shè)備維護(hù)成本高，每次開關(guān)機會對機器造成一定程度的磨損；實驗操作技能門檻高，操作不當(dāng)極易對設(shè)備造成損壞；現(xiàn)有的單套工業(yè)自動化產(chǎn)線已無法滿足4 000余人次/年的實驗需求。

為解決上述問題，依托計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和對象，建立虛擬仿真實驗平臺，將虛擬仿真實驗和實體實驗相互補充、相互結(jié)合，從而優(yōu)化和完善實驗教學(xué)課程結(jié)構(gòu)和課程體系，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新思維。

2 虛擬仿真實驗的實施過程

工業(yè)自動化虛擬仿真實驗課程設(shè)計遵循“虛實結(jié)合”和“相互補充”的原則，以工件的分揀和包裝兩道工序為主要內(nèi)容進(jìn)行仿真設(shè)計，構(gòu)建工業(yè)自動化虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，著力打造開放式、網(wǎng)絡(luò)化的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。秉持以學(xué)生為中心的理念，注重知識點與實踐能力的融合，全力激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，提升實驗教學(xué)效果。

2.1 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺提供了與實體實驗相近的三維實景環(huán)境。根據(jù)實體實驗的運行環(huán)境和設(shè)備，三維建模模型包括：六軸分揀機器人、四軸包裝機器人、視覺檢測系統(tǒng)、光電傳感系統(tǒng)、輸送流水線、空氣壓縮機和電氣控制系統(tǒng)等。該虛擬仿真實驗平臺針對實驗前、實驗中、實驗后詳細(xì)設(shè)計了不同模塊和環(huán)節(jié)，包括相關(guān)知識點的學(xué)習(xí)、儀器設(shè)備的學(xué)習(xí)、參數(shù)的選擇等。

2.2 實驗教學(xué)過程

為了達(dá)到更好的實驗教學(xué)效果，教師針對不同層次和專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，實驗教學(xué)的實施過程分為虛擬仿真實驗前、虛擬仿真實驗中和虛擬仿真實驗后三個階段，如圖1所示，合理利用前中后三階段形成閉環(huán)銜接，全方位激發(fā)學(xué)生動力，切實提升實驗教學(xué)整體質(zhì)量。

仿真實驗前，教師在系統(tǒng)后臺發(fā)布作業(yè)要求，引導(dǎo)學(xué)生在線下預(yù)習(xí)相關(guān)基礎(chǔ)知識，學(xué)習(xí)相關(guān)操作視頻。

仿真實驗過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生注冊、登錄實驗系統(tǒng)，督促學(xué)生按照實驗提示依次完成“知識點學(xué)習(xí)”“儀器學(xué)習(xí)認(rèn)知”“虛擬仿真實驗”和“考核”四個模塊，包括工業(yè)機器人認(rèn)知、機器人虛擬示教知識庫、視覺檢測分揀和自動包裝仿真實驗以及考核五個環(huán)節(jié)。其中，環(huán)節(jié)3和4安排了線下拓展作業(yè)，教師需進(jìn)行線下輔導(dǎo)和重難點答疑，并批閱學(xué)生提交的作業(yè)。

在具體的虛擬仿真教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生所處的模塊和環(huán)節(jié)，采用啟發(fā)式、互動式、任務(wù)驅(qū)動式等教學(xué)方法，以發(fā)揮學(xué)生主體作用，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

1） 啟發(fā)式。

通過提問的方式進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會提問，例如“工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定原理是什么？工業(yè)機器人示教編程原理是什么？工業(yè)機器人插補原理是什么？輸送帶生產(chǎn)節(jié)拍的確定方法有哪些？機器人視覺檢測參數(shù)設(shè)置方法如何實現(xiàn)？”等，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，有效促進(jìn)學(xué)習(xí)和發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力。

2） 互動式。

通過課堂討論和小組合作的方式，活躍課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)團隊合作能力，促進(jìn)學(xué)生之間的相互學(xué)習(xí)和共同進(jìn)步。教師還可根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)及合作成果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，作為教學(xué)分析和課程改革的依據(jù)。

3） 任務(wù)驅(qū)動式。

結(jié)合學(xué)生興趣與實驗內(nèi)容，教師設(shè)計相關(guān)實驗任務(wù)并制定任務(wù)目標(biāo)。學(xué)生根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，通過詢問他人、查閱紙質(zhì)資料、網(wǎng)絡(luò)搜索等方式，完成項目設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，如方案設(shè)計確定、計算機仿真、數(shù)據(jù)分析與處理等。任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)充分體現(xiàn)學(xué)生的自主性，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

仿真實驗后，教師主要進(jìn)行跟蹤指導(dǎo)與答疑，并總結(jié)學(xué)生在實驗中遇到的問題。學(xué)生登錄學(xué)習(xí)平臺后，可在平臺專屬討論區(qū)與教師或同學(xué)進(jìn)行更深入的實時互動，強化所學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)習(xí)效果。另外，教師有針對性地引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行提升，幫助學(xué)生提高項目理論和實踐水平。

3 虛擬仿真實驗演示

學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器訪問網(wǎng)站地址，登錄虛擬仿真實驗平臺后，開始虛擬仿真實驗。實驗分為四個模塊，分別為“知識點學(xué)習(xí)”“儀器學(xué)習(xí)認(rèn)知”“虛擬仿真實驗”和“考核”，如圖3所示。實驗開始前，只有前三個模塊高亮顯示。學(xué)生需依次按模塊順序完成對應(yīng)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后，第四個考核模塊隨之點亮，即可進(jìn)入考核測試。

1） 知識點學(xué)習(xí)模塊。

知識點學(xué)習(xí)模塊主要針對本次實驗涉及的知識點進(jìn)行梳理和概括，使學(xué)生能夠全面了解并掌握實驗所應(yīng)用到的技術(shù)、機器人操作語言以及工業(yè)自動化生產(chǎn)流程等內(nèi)容。

2） 儀器學(xué)習(xí)認(rèn)知模塊。

儀器學(xué)習(xí)認(rèn)知模塊主要介紹實驗所用的設(shè)備和儀器，包括四軸工業(yè)機械臂、六軸工業(yè)機械臂、空氣壓縮機、工業(yè)流水線、四軸機械臂示教器、六軸機械臂示教器、電氣控制箱、貨物架、置物機械臂等。鼠標(biāo)懸停在某個設(shè)備或儀器上時，該設(shè)備或儀器會高亮顯示，雙擊后即可查看相關(guān)介紹或說明。該模塊的學(xué)習(xí)為下一模塊的順利完成奠定基礎(chǔ)。

3） 虛擬仿真實驗?zāi)K。

圖4為虛擬仿真實驗?zāi)K。該模塊是整個虛擬仿真實驗的核心部分。它包含12個交互步驟，其中核心交互步驟為工件的分揀工序和包裝工序。操作內(nèi)容包括開啟控制箱、啟動空氣壓縮機、調(diào)試六軸機械臂示教器和調(diào)試四軸機械臂示教器，具體操作步驟如下。

① 點擊“開始實驗”，開啟控制箱電源。

② 打開氣動閥門，檢查氣壓，確保符合標(biāo)準(zhǔn)。

③ 六軸機械臂示教器調(diào)試（分揀工序） ：首先選擇示教模式，并進(jìn)行伺服上電和氣泵工作調(diào)試，進(jìn)入主程序；然后選擇自動模式，并在該模式下選擇合適的分揀速度。完成以上步驟后，六軸機械臂自動進(jìn)行分揀工作。

④ 四軸機械臂示教器調(diào)試（包裝工序） ：分揀工作完成后需調(diào)試四軸機械臂示教器進(jìn)行包裝，其調(diào)試步驟與六軸機械臂示教器調(diào)試步驟一致，不再贅述。四軸機械臂示教器調(diào)試完成后，進(jìn)入包裝工序。

⑤ 上述步驟完成后，工件通過流水線進(jìn)入置物臺，置物機械臂通過精準(zhǔn)定位并抓取工件完成入庫工作。

4） 考核模塊。

圖5為考核模塊?？己四K用于對整個實驗進(jìn)行考核測試，通過該模塊了解學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握情況。輸入學(xué)號、姓名等相關(guān)信息后，選擇“開始考試”即可進(jìn)入考核，考核完成后系統(tǒng)自動給出考核成績。

本次實驗的綜合成績由五部分組成，分別為考勤成績、后臺作業(yè)成績、步驟操作成績、考核成績和實驗報告成績。以上五部分按照一定比例分配，最終得出學(xué)生的綜合實驗成績。

4 虛擬仿真實驗教學(xué)效果

學(xué)生完成虛擬仿真實驗后，能夠熟練選用合適的工業(yè)機器人及機械爪具，掌握相關(guān)電路和氣路參數(shù)的計算方法，并能對自動化生產(chǎn)線進(jìn)行靈活操作與應(yīng)用，實現(xiàn)產(chǎn)品分揀和自動包裝功能。

虛擬仿真實驗通過虛擬仿真技術(shù)手段解決了教學(xué)實踐中的難題，依靠創(chuàng)新的教學(xué)方式與技術(shù)彌補了實際實驗的短板，實現(xiàn)了線下無法開展或完成的實驗內(nèi)容和實驗功能，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了學(xué)生參與實踐的積極性和主動性，實現(xiàn)了三維教學(xué)目標(biāo)，提升了教學(xué)效果。

為了進(jìn)一步驗證虛擬仿真實驗教學(xué)效果，將學(xué)生分為兩組，一組按照實體實驗流程完成實驗，另一組結(jié)合虛擬仿真實驗平臺進(jìn)行虛實結(jié)合實驗。經(jīng)過兩輪實驗結(jié)果驗證，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對虛實結(jié)合的實驗興趣很高，與傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式相比，學(xué)生對這種更具創(chuàng)新性的教學(xué)方式表現(xiàn)出強烈的興趣，學(xué)習(xí)熱情明顯提升。平臺反饋數(shù)據(jù)顯示，98名參與調(diào)查的學(xué)生中，接近95%認(rèn)為虛擬仿真教學(xué)對其認(rèn)識和了解工業(yè)自動化生產(chǎn)有所幫助，而且大多數(shù)學(xué)生會在業(yè)余時間登錄虛擬仿真平臺，繼續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)實驗知識及實踐操作內(nèi)容。以上結(jié)果充分表明，虛擬仿真實驗教學(xué)已成為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的重要補充。

5 總結(jié)

圍繞新工科課程建設(shè)培育未來工程人才，結(jié)合現(xiàn)有理論和實踐課程，利用信息化虛擬仿真技術(shù)，搭建工業(yè)自動化虛擬仿真實驗平臺，解決了實驗空間、實驗人數(shù)、成本等方面的問題。工業(yè)自動化虛擬仿真教學(xué)是理論及實驗教學(xué)的重要補充，秉持“虛實結(jié)合、相互補充”的原則，以虛促實、互為對比、互為促進(jìn)，注重知識點與工程能力的培養(yǎng)。通過虛擬仿真實驗，提高了實驗的安全性和可操作性，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了實驗教學(xué)水平和教學(xué)效果，也為新工科建設(shè)中工業(yè)自動化實驗教學(xué)改革和發(fā)展提供了堅實基礎(chǔ)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】