基于可视化评价系统的桌面式机器人课程的实践研究

卢慧

摘要：在1+X工业机器人操作与运维实施过程中，存在人均操作时间不足、安全管理难、评价标准模糊、效率低、过程性缺失，反哺教学能力弱等方面的问题，本项目引入桌面式机器人，结合校企联合开发的可视化评价系统，从改善教学环境着手，利用人工智能技术提高教学效率，以数据作为教学的反哺，大大提高了技能教学的质量和效果。

关键词：可视化;桌面式机器人

一、研究缘起

（一）研究背景

国务院印发《国家职业教育改革实施方案》提出，从2019年开始，将启动实施“1+X”（学历证书+职业技能等级证书）制度改革行动。作为1+X工业机器人操作与运维首批试点学校，旨在培养适应浙江企业工业机器人编程和维修需要。要求学生了解工业机器人的组成结构和基本知识，能在实际应用中掌握简单的操作编程技能。

（二）现状问题

工业机器人在入门教学过程中会碰到价格昂贵、占地面积大、安全管理难、评价标准模糊、效率低、过程性缺失，反哺教学能力弱等方面的问题，对于中职学生的课堂教学实施有极大的难度。受场地设备限制，学生没有较多时间操控机械臂，编程思维缺乏锻炼，自主学习能力又比较差，缺乏一定的综合分析能力和技能迁移意识。同时目前的技能教学评价存在标准模糊、效率低、过程性缺失;手段落后，主观性强，可信度低;可视化程度差，反哺教学能力弱等问题。

二、研究设计

为解决教学现状碰到的问题，选定基于可视化评价系统的桌面式机器人课程作为工业机器人前置课程，通过桌面型服务机器人作为入门设配，以国家工业机器人操作与运维课程标准为依据编制桌面型服务机器人课程标准，为学习工业机器人打下夯实的基础。

通过选用小型的桌面式机器人作为入门设配：保证人手一台，让学生有足够的实操机会;安全可靠，运动范围小，有保护机构，不易伤人;功能全面，具备工业机器人的全部功能，还增加网络通信、互联控制等功能。

利用可视化评价系统的人工智能技术提高评价效率，以评价数据作为教学的反哺，从而提高技能教学的质量，形成了可视化的技能教学评价体系，通过对可视化技能教学评价体系的运用，大大提高了技能教学评价的精度、信度与效度。

三、研究实施

（一）课程目标

1.掌握机器人基本原理与知识

2.了解并掌握图形化编程操作

3.熟练掌握自动化编程能力

4.掌握智能生产系统设计与开发

5.能够独立完成智能物流系统的设计与开发

（二）学情分析

本課程授课班级为高二年级第一学期电子应用技术专业的学生。学生有基本的计算机操作能力，经过高一的专业学习，对机器人控制有基本的认知，动手能力较强，具备一定的编程能力，对于该课程学习内容的兴趣很高，但却没有尝试操控过真正的机械臂，编程思维有待训练，自主学习能力较差，缺乏一定的综合分析能力和技能迁移的意识。

（三）内容策略

教学策略：情境式教学、合作式教学、探究式学习。

教法：任务驱动法、情境教学法。

学法：探究学习法、合作学习法。

（四）资源环境

桌面型机器人（图1）：体积精巧，一体化的设计，人手一机，让每个人通过实操练习获得更好的学习体验;可使用PC端控制、APP控制、Python编程、手势控制、无线控制等多种操作方式;可灵活搭配滑轨、传送带、智能小车、视觉等配件，根据不同需求完成不同实验项目;丰富的实验项目，完善的课程体系，为大数据应用、智能工厂、工业4.0等机器人教育的发展建设提供广阔平台;相比于一般工业机械臂，具有更高的性价比，也更具有安全性，更加适合于教学使用，而且操作界面更适合刚刚接触机械臂的学习者与中职学校的常态化教学。

可视化评价系统：教师通过记录和分析学生特征、学习行为和学习表现数据，及时调整课堂教学结构和方法，增强师生间有效互动，提高课堂教学效率。有利于推进基于智能技术的混合式学习、合作学习、项目学习、分层教学，增强学习的自主性和探究性;指导学生选择契合的学习方式、优化学习过程，激发学生的学习潜能。可视化评价体系主要功能是在数字化教学资源的基础上，基于AI人工智能技术，其中还包括图片识别技术、软件操作比对技术、常规客观题自动评价，同时通过平台实现了学生操作过程的记录及计时，使得学生操作时间介入到评价维度中，实现了学习效率与学生能力的体现。

（五）教学实施

坚持以学生为中心，以实践为导向的职业教育思想，采用理实一体的教学方法，利用“可视化”评价系统的实时纠错和自动评价、教学微视频、课件和任务书等教学手段，实现做中学，做中教的教学模式，努力打造“三有”课堂。

1.“有趣”——通过现实场景的创设，增加课堂的趣味性。

2.“有用”——设计的课题将机械臂的控制与生活实际相结合。

3.“有效”——利用“可视化”平台的实时纠错反馈和自动评价功能，提高课堂效率。

课程实施分为6个部分，以“创-提-析-比-评-拓”的主线进行教学。

创设情境（教学导入）：导入的视频内容是与生活实际相结合的，将实际问题引入课堂，既能启发学生思考，又能顺利引出项目，作为导入，还可以起到较好的“暖场”作用。

提出任务（任务驱动）：联系生活实际给学生布置任务，能更好地激发学生的学习兴趣，为上好本课做好准备。

分析任务（实践铺垫）：通过教师的分析讲解，能帮助学生将新学知识和已学知识有效结合，理清思路，有利于提高完成任务的效率。

各组PK（完成任务）：设置的任务要有利于分层教学，通常是设置基础任务和提升任务。限时、PK的形式可有效集中学生的注意力，并提高完成任务的效率。同时，以3人一组的形式完成任务，能很好地锻炼学生的团队协作能力。

你言我语（评价小结）：本环节以学生讲为主，这样不但能锻炼学生的语言表达能力，也能更好地让学生互动互学。教师的点评小结，能再一次帮助学生回顾本次课的所学、所做，加深印象。

开拓创新（课堂延伸）：观看视频，新课预告，可引发学生的思考，让他们对下一次课有所期待，为下次课的顺利展开做了良好铺垫。

重难点突破：本课程从机器人控制的基本操作入手，将每一个小知识点以项目的形式呈现，并通过理实一体的方式授课，打好扎实的基础，最终以两个综合项目来提高学生的综合应用能力。

项目设计的原则是尽可能理论联系实际，与生活实际相联系。比如综合项目一的物料自动分拣就是模拟打包员的日常工作，通过机械臂的使用来替代打包员的工作，进行打包、贴单、搬货、码货;综合项目二的工艺品制作，模拟生产流水线的加工制造过程，设计利用之前所学3D打印、写字画画和激光雕刻等知识控制机械臂完成扇子吊坠的3D打印、扇面文字的书写和logo雕刻等设计。

（六）实施成效

项目实施过程中的亮点：可视化教学系统如图2所示。

学生职业素养提升：本课程坚持立德树人的根本要求，结合中职学生学习特点，遵循职业教育人才培养规律，落实课程思政要求，例如使用的是国产教学机器人、3D打印国旗、文字书写“众志成城、克服困难”，有机融入思想政治教育内容，紧密联系生活实际，突出应用性和实践性，注重学生职业能力和可持续发展能力的培养，结合更高层次人才培养需要，在课程内容设计中强调敬业、精益、专注、创新的工匠精神。教师通过可视化评价系统呈现评价结果，分屏对比不规范操作点评，进一步规范职业行为。课后拓展创新任务，在巩固学生的职业技能的同时，加深了职业行为习惯的养成，加速学生的职业素养的养成。

经过课程实践，各种数据指标表明，课程效果较为优秀。36人于2020年11月参加了1+X工业机器人操作运维技能考核，除1人获得80分以外，其余35人均取得90分以上的技能操作高分。

四、诊断反思

（一）特色提炼

通过多功能高精度轻量型智能实验机械臂，轻松学习工业机器人基础知识，通过搬运码放、3D打印、激光雕刻、写字画画等多种功能，模拟现实场景、激发学生兴趣、保证人人操作，追求精益求精。通过拓展接口支持二次开发更多的应用场景实现人人创新。

可视化系统主要是包含了操作示范的可視化、操作过程的可视化、技能评价的可视化三个方面，其中操作过程的可视化主要内容是标准化示范、重难点示范、易错点示范三个方面，是非常重要的教学资源，是学生自主学习参考的教学资源路径，对学生的技能操作起到一个引导的作用;操作过程的可视化是利用平台的视频查看记录存储功能，将学生操作过程可视化，为可视化评价提供视频、图片、测试测量数据等数据，从时间、空间、操作、成绩等维度为学生建立一张立体感、多元化的评价。对学生课堂表现、学习效果进行横、纵向对比，建立一体化的数字化展示窗口，通过可视化的评价数据所示，可以帮助教师制定精准的教学策略，同时也能激励学生的课堂学习积极性，从而提高课堂效率，反哺技能教学。

（二）教学诊断与改进

1.课程倡导“交流”“合作”“探究”的教育方式，形成了良好的师生、生生互动的实训环境。

2.立足课堂，通过实践教学培养学生良好的职业素养和工匠意识。

3.通过可视化评价，让评价更简单、直观、有效，形成教学闭环，及时查漏补缺，保证教学效果。

4.与企业合作对接紧密度有待提升，本地产业合作不够，缺乏真实的项目实践。

参考文献：

[1]宣琪，陈亚萍.技能操作学习可视化动态评价系统的开发与运用[J].职业教育（下旬刊），2020（11）.