循環(huán)加強體驗教學模式構(gòu)建研究

張國泉 駱少明 黃福 楊勇

摘 要：針對中職學?！肮I(yè)機器人操作與編程”課程教學學生學習體驗差、實訓設備投入不足等問題，基于庫伯的學習圈模型，構(gòu)建了一種以理論與實踐相結(jié)合、學生循環(huán)加強體驗與教師主導的循環(huán)加強體驗教學模式，并應用于“工業(yè)機器人操作與編程”課程教學。實踐證明，循環(huán)加強體驗教學模式能有效地提高中職學生學習的積極性和自覺性，能為中職學校機器人相關課程教學提供有價值的參考。

關鍵詞：中職學校;循環(huán)加強體驗教學模式;虛擬現(xiàn)實技術(shù);工業(yè)機器人操作與編程

基金項目：2020年教育部人文社會科學研究專項（高校輔導員專項）“新工科視域下工匠精神融入大學生核心技能培養(yǎng)的行動研究”（項目編號：20JDSZ3041）;2021年教育部職業(yè)教育改革創(chuàng)新課題“1+X證書制度試點理論與實踐研究”（項目編號：HBKC214026）;2020年廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項資金“攀登計劃”專項資金“基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧路燈關鍵技術(shù)研究與應用”（項目編號：pdjh2020a0330）

作者簡介：張國泉，男，廣東技術(shù)師范大學機電學院 2019 級碩士研究生，主要研究方向為智能制造與智能裝備等;駱少明，男，廣東技術(shù)師范大學機電學院教授，碩士生導師，博士，主要研究方向為智能制造與智能裝備等;黃福（通訊作者），男，廣東技術(shù)師范大學機電學院助理實驗師，碩士，主要研究方向為智能制造與智能裝備等;楊勇（通訊作者），男，廣東技術(shù)師范大學機電學院教授，碩士生導師，博士，主要研究方向為智能制造與智能裝備等。

中圖分類號：G712文獻標識碼：A文章編號：1674-7747（2021）08-0100-08

2016年出臺的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》和2018年出臺的《教育信息化2.0 行動計劃》，都強調(diào)了信息技術(shù)在教育中的重要影響，要求重點推進“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的教育模式。如何將信息技術(shù)與課程教學相結(jié)合，全力構(gòu)建以教師為主導，以學生為主體的教學模式，是目前急需研究的問題?！绑w驗”的一詞最初來源于哲學，后來漸漸引入心理學家的研究范疇，并且快速成為教育學界的研究方向。通過分析國內(nèi)外相關文獻發(fā)現(xiàn)，目前關于體驗式教學的研究還在起始階段，而將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入課堂的體驗式教學更是屈指可數(shù)?；诖?，本研究針對當前中職“工業(yè)機器人操作與編程”課程教學體驗感差、學習積極性低、教學方法單一的現(xiàn)狀，在H省某職業(yè)學校中實踐了循環(huán)加強體驗教學模式，以此探尋有效的中職“工業(yè)機器人操作與編程”課程教學的新模式。

一、循環(huán)加強體驗教學模式基本原理與體系結(jié)構(gòu)

（一）循環(huán)加強體驗教學模式的基本原理

所謂的“循環(huán)加強體驗教學模式”，即以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎，以學生體驗為重點，貫穿學生體驗、教師主導的教學觀念，加強學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，以任務驅(qū)動、個別引導等多種方式來增強學生的學習體驗感與學習轉(zhuǎn)化率的一種新的教學模式。

課堂，從學生的角度上看，本應該是最具有生命力引誘力的地方，但實際上，課堂成了一個冰冷的場所，學生只是單純地完成上課任務，麻木地聽著老師講解，枯燥且抽象的知識成了學生提高學習轉(zhuǎn)化率的絆腳石。課堂的氣氛由教師來掌控，因此，教師采取的教學模式對學生的學習至關重要。教學模式，簡單來說，就是教學活動框架與活動程序，學生在學習的過程就是教學活動的過程，學生學習的成果是“體驗”獲得的，而不是通過教師“滿堂灌”得到的。

在高新技術(shù)快速發(fā)展的時代，學生的個性多種多樣，早已不能適應傳統(tǒng)的教學模式，通過重復講解教材來讓學生獲得知識的方式或許能讓學生應付考試，但是這樣的教學模式將會降低學生學習的體驗感。中職學生的自主性和控制力較弱，過多地講解理論知識會導致學生學習積極性降低，加之硬件設備的缺乏更讓教學環(huán)節(jié)得不到有效實施[1]?；诖?，本研究提出了一種“循環(huán)加強體驗教學模式”。

“循環(huán)加強體驗教學模式”是在美國心理學家?guī)觳―avid Kolb）的基礎上設計的，本研究將庫伯的學習圈理論應用于以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為平臺的“循環(huán)加強體驗教學模式”。庫伯用四個元素建立起了四階段理論模型[2]，如圖1所示。

從上圖看出，體驗式學習是把社會實踐與學習反思是結(jié)合到一起，目的是為了學習者能在實踐中積累經(jīng)驗，學生的學習是循環(huán)反復的過程，具體解釋如下[3]：（1）第一階段，主要是學生在實踐活動中獲取知識和經(jīng)驗的過程;（2）第二階段，在學生進行體驗學習時，可以直接利用外界的反饋信息來學習，以此來認識自己學習行為的效果;（3）第三階段，學習者形成了新知識，并根據(jù)所形成的新知識對整個學習過程進行規(guī)劃;（4）第四階段，是檢驗假設的一個階段，驗證所想象的結(jié)果是否準確。在庫伯看來，學習者需要在以上四個階段中不斷循環(huán)，從而達到提高學習轉(zhuǎn)化率的效果。所謂的“循環(huán)加強體驗教學模式”指的學生在虛擬的實訓環(huán)境中，以體驗的方式去學習新知識，并在學習中不斷地發(fā)現(xiàn)問題，不斷地反思，從而達到加強學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力的效果。

（二）循環(huán)加強體驗教學模式的體系結(jié)構(gòu)

在中職院校中，工業(yè)機器人專業(yè)開設的時間較晚，工業(yè)機器人專業(yè)實訓所需的設備、實訓課程都還不夠完善，學生實訓設備投入不足。其主要體現(xiàn)在兩個方面：一是工業(yè)機器人設備少甚至沒有，學生只能通過閱讀書籍來了解工業(yè)機器人，學生實訓動手操作量少;二是設備更新速度慢，傳統(tǒng)設備已不再適應現(xiàn)代人才市場的需求，導致學生所學知識與社會需求不相適應。在“工業(yè)機器人操作與編程”課程教學的過程中，由于受到傳統(tǒng)的教學模式的影響。在教學的過程中，教師依舊是以理論知識的灌輸教學為主線，而在實訓教學的階段，實訓教學流程的設計太過于簡單，學生很難聽得明白，也不能在實訓教學體驗到學習的氛圍。

Wilson的學習環(huán)境場所觀認為，學習者需要使用多種學習工具去解決問題，才能有預期的學習成效，他把學習環(huán)境分成計算機微世界、基于課堂的環(huán)境、開放的虛擬環(huán)境等三類[4]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)就可以營造一個Wilson的學習環(huán)境場所觀中的虛擬環(huán)境，這種學習方式能夠提供學生在多種感官上的學習樂趣，以“沉浸式”的表現(xiàn)形式讓學生感覺自己真正置身于現(xiàn)實場景中，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的強大功能下，實現(xiàn)興趣提升、學習方法調(diào)整、學習積極性保持、學生互動等多方面的教學功能[5]。虛擬環(huán)境是對真實環(huán)境的模擬，真實環(huán)境是虛擬環(huán)境的基礎[6]，虛擬學習環(huán)境是傳統(tǒng)學習環(huán)境的一個附加品，可以讓學生更加沉浸學習環(huán)境，如圖2—3所示。

從圖2可以看出，“工業(yè)機器人操作與編程”課程教學的學習環(huán)境發(fā)生了一些變化。（1）學習工具：學生的認知從傳統(tǒng)的圖示轉(zhuǎn)換為可實際操作的三維立體圖像，對于抽象的概念、復雜的結(jié)構(gòu)，學生可以通過自己動手來解決自己心中的疑問。（2）學習資源：將傳統(tǒng)的教學資源與虛擬資源相結(jié)合，虛擬資源主要以輔助傳統(tǒng)教學資源為主，是傳統(tǒng)教學資源的擴展。（3）學習情境：為學生提供了一個全方位“沉浸式”的學習環(huán)境，學生可以在虛擬情境中進行全方位的工業(yè)機器人的編程操作練習。

從圖3可以看出，相對于循環(huán)體驗學習環(huán)境框架而言，循環(huán)加強體驗學習環(huán)境框架增加了虛擬考核單元，通過循環(huán)體驗學習后，進行考核評價，學生在學習中不斷地發(fā)現(xiàn)問題，不斷地反思，從而達到加強學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題能力的效果。并且，其由于增加了學習情境、學習資源、學習工具、考核評價的相互促進關系，形成了一個循環(huán)加強的體驗學習框架。

二、循環(huán)加強體驗教學模式的構(gòu)建

中職工業(yè)機器人技術(shù)應用專業(yè)學生的學情是：輕理論、重實操、無法獨立解決問題、缺乏耐心等問題。根據(jù)學生的學情，本研究設計了一種“循環(huán)加強體驗”的教學模式，并在此基礎上設計了任務驅(qū)動教學法。循環(huán)加強體驗教學模式以教師為主導，學生體驗，讓學生在學中樂、樂中思，不斷加強學生的理解與動手能力。在虛擬的情境中，學生以任務為驅(qū)動，通過不斷反復的練習，獲得更多的知識和經(jīng)驗，實現(xiàn)在循環(huán)練習的活動中體驗學習的樂趣，從而加強了對知識的理解與鞏固。循環(huán)加強體驗教學模式的流程，具體如圖4所示。

從圖4可以看出，循環(huán)加強體驗教學模式的流程主要體現(xiàn)為七個方面的內(nèi)容。（1）呈現(xiàn)課前所需知識：學生通過顯示屏了解本節(jié)課必備的知識基礎，學生之間可以相互討論，了解體驗。（2）展示學習任務：以任務驅(qū)動的教學方式，課前把本節(jié)課的任務發(fā)布給學生，學生結(jié)合課前呈現(xiàn)的知識來思考問題，進一步提高學生對知識的探索欲望。（3）教師演示：教師根據(jù)本節(jié)課的任務，分析實操步驟，講解和演示標準的操作規(guī)制。（4）任務是否復雜：教師根據(jù)學生的學情，來判斷學生是否需要指導。（5）全方位仿真練習：學生熟悉操作規(guī)程之后，可以進入模擬訓練，在這個階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)沉浸性的特點可以被充分體現(xiàn)出來，全方位與沉浸性能將學生的“學”與學生的“玩”真正融合到一起，游戲般的體驗可以讓學生感受學習的快樂，并在訓練中不斷加強學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的意識能力。（6）過程考核：考核是衡量學生是否理解和掌握本節(jié)課核心內(nèi)容的標志，學生通過考核則完成本節(jié)課內(nèi)容，不通過則繼續(xù)模擬練習。（7）結(jié)束、交流：學生完成任務后，可以采用交流的方式來分享自己的知識和經(jīng)驗，讓課堂的學習更加豐富有趣，學生的體驗感好、學習積極性高，學習效果就會不斷地提升。

三、中職“工業(yè)機器人操作與編程”課程循環(huán)加強體驗教學模式的應用

基于循環(huán)加強體驗教學模式的理念與方法，本研究在H省某中職學校進行了多次實踐，將基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的循環(huán)加強體驗教學模式應用于ABB工業(yè)機器人“搬運碼垛工作站編程與運行”教學中，最后分析其教學效果。

（一）基于循環(huán)加強體驗的“搬運碼垛工作站編程與運行”課程教學目標設計

搬運碼垛工作站在完成電氣系統(tǒng)的調(diào)試后，需要根據(jù)實際情況規(guī)劃工業(yè)機器人搬運碼垛流程，根據(jù)所學內(nèi)容完成搬運碼垛工作站的編程與運行。搬運碼垛工作站編程與運行教學目標，具體如表1所示。

（二）基于循環(huán)加強體驗的“搬運碼垛工作站編程與運行”課程教學內(nèi)容與教學過程設計

1.教學內(nèi)容。中職學生通過前期理論知識的學習，已經(jīng)具備了識別常用編程指令的能力，但學生對于這些指令的運用仍然不熟練，所以無法準確找到運動指令與工業(yè)機器人運動的對應關系，在傳統(tǒng)的教學方式下，學生的學習參與度不高、體驗感差。中職學生對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)擁有很大的樂趣，渴望通過本次教學活動學習到更多的知識?；谘h(huán)加強體驗的“搬運碼垛工作站編程與運行”課程教學內(nèi)容，具體如表2所示。

2.教學流程設計。本節(jié)課是基于循環(huán)加強體驗的教學過程設計，圖5為教學流程。具體而言，教學流程設計包含八個部分的內(nèi)容。（1）情境創(chuàng)設：教師采取播放“搬運碼垛工作站編程與運行”應用場景的視頻（搬運大米、鋼材等），將科幻、神奇的元素“代入”學生的學習，把學生代入“搬運碼垛工作站編程與運行”的主題，提高學生的學習積極性。（2）呈現(xiàn)課前知識：呈現(xiàn)ABB工業(yè)機器人常用的運動指令：MoveAbsJ、MoveJ、MoveL 以及 MoveC 的含義，以教師的引導為主，學生開始建構(gòu)知識。（3）展示學習任務：以任務驅(qū)動的教學方式，進行“搬運碼垛工作站編程與運行”的教學，教師將學習任務表發(fā)布在顯示屏上，讓學生認真思考。（4）教師演示：教師利用虛擬實訓室的工業(yè)機器人，給學生演示虛擬搬運碼垛工作站編程與運行，演示完畢后，提問學生本項目運用到哪些類型的指令？并解讀任務要求。（5）確定任務類型：教師需要根據(jù)每一位學生的學習基礎，制定不同的教學方案，針對學生的難點和疑點進行解答。（6）循環(huán)加強體驗：這是本節(jié)課的核心環(huán)節(jié)，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)最明顯的應用體現(xiàn)，采用學生循環(huán)加強體驗練習模式，以學生為中心，讓學生增強其自信心。循環(huán)加強體驗教學，是把學習看作是一個循環(huán)的過程，即學習體驗（具體的經(jīng)驗）、反思（反思性觀察）、概括（抽象概念化）以及檢驗（積極行動）四個環(huán)節(jié)[7]，學生不會出現(xiàn)因為設備不足、無聊、教學模式單一等因素導致學習積極性低下的情況，“加強”主要是提高學生在訓練中不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的意識能力。（7）過程考核：教師根據(jù)學生的學習情況進行考核，達到考核標準后，學生才算完成學習任務，否則就需要循環(huán)加強體驗，直至達到考核標準。（8）總結(jié)評價：教師對于學生的實訓表現(xiàn)情況進行評價和總結(jié)，學生彼此之間討論關于本節(jié)課的學習思路，如工業(yè)機器人運行指令的類型、如何根據(jù)工作路徑進行規(guī)劃等。

（三）中職“工業(yè)機器人操作與編程”課程循環(huán)加強體驗教學模式分析

本研究在H省某中職學校機器人專業(yè)進行了探索實踐，以ABB工業(yè)機器人的“搬運碼垛工作站編程與運行”為例，在課堂上融入循環(huán)加強體驗教學模式后，學生的積極性、參與度、體驗感、動手能力以及發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力均有所提高。

中職“工業(yè)機器人操作與編程”課程循環(huán)加強體驗教學模式與傳統(tǒng)教學模式不一樣，表3為兩種不同教學模式的對比。一方面，在實訓的方式上，虛擬實訓與真實實訓相結(jié)合，在學習新的編程指令時，教師先向?qū)W生進行展示，讓學生了解基本的編程指令和實訓規(guī)則，獲得一個真實的體驗。這樣，學生在真正進入虛擬訓練時，就能很好地掌握操作指令和操作規(guī)則，為實際操作打下堅實的基礎，并從實踐中不斷加強學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力和意識。另一方面，在教學模式上，以教師為主導，以學生為主體?！把h(huán)加強體驗”教學模式以學生體驗為重點，融入貫穿學生體驗、教師主導的教學觀念，加強了學生的整體知識意識和能力。

從實訓的績效評估上看，學生學習積極性得到明顯提升。由于工業(yè)機器人的應用隨著環(huán)境的不同而有所變化，工業(yè)機器人的教學很難展示實際生產(chǎn)環(huán)境，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以營造出各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬實際生產(chǎn)的真實場景，從而提高學生學習的興趣，虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了學生學習從消極到積極的轉(zhuǎn)變。學習者可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)身臨其境地觀看各種設備，實現(xiàn)教學效果的最優(yōu)化[8]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以實現(xiàn)真實感較強的聽覺、視覺、觸覺等方面的模擬環(huán)境，把虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于工業(yè)機器人專業(yè)實訓的教學中，學生可以選擇觀察教師示范的角度，不再會因為人數(shù)多而被擋在最外面，導致學生觀察不到教師的操作過程。

從課程的實施效果上看，學生學習環(huán)境得到較大改善。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中職工業(yè)機器人教學實訓中的應用，實現(xiàn)了高精度數(shù)字化的工業(yè)機器人專業(yè)實訓教學可視化、可操作、可復用，節(jié)約了教學的時間成本和費用成本;同時，也實現(xiàn)了實時交互反饋、智能評價和智能導航，增強個性化學習的可能性;提升了初學者接觸工業(yè)機器人的自我效能感。雖然工業(yè)機器人虛擬現(xiàn)實模式教學初期投入成本對比傳統(tǒng)工業(yè)機器人實訓教學模式來說較為高昂，但它的效益是長遠的。可預演和可推演的虛擬工業(yè)機器人操作流程實現(xiàn)了可視化，為動手能力較差的學生提供了便捷，從長遠看可以減少大量設備損壞的費用。

總之，循環(huán)加強體驗改變了傳統(tǒng)的中職“工業(yè)機器人操作與編程”的教學模式，能夠有效地促進教學資源、教學設計、教學環(huán)境等方面的改革?；诖?，本研究提出了以理論與實踐相結(jié)合、學生循環(huán)加強體驗與教師主導的教學模式，并構(gòu)建了循環(huán)加強體驗教學模式。循環(huán)加強體驗教學模式具有沉浸性、循環(huán)性、交互性等特點，有效避免了中職學生學習的積極性、自覺性、控制力普遍較弱的問題。本研究分析了當前中職學生在工業(yè)機器人專業(yè)實訓時面臨的問題，并針對這些問題設計出了可行性方案，即以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為平臺，開展中職“工業(yè)機器人操作與編程”課程教學;并且，以“搬運碼垛工作站編程與運行”為例，將中職“工業(yè)機器人操作與編程”課程融入循環(huán)加強體驗教學模式，不僅可以提高學生學習的趣味性，也能提高學生學習的成效。盡管如此，循環(huán)加強體驗教學模式作為一種前沿新型的教學模式，在醫(yī)學、教育等領域中的應用仍然處于一個探索的階段，基于循環(huán)加強體驗的課程體系也尚且處于初步摸索階段，無論是現(xiàn)在需要解決的理論還是技術(shù)問題，未來將不斷繼續(xù)進一步加以完善和創(chuàng)新。

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[責任編輯 秦 濤]

Research on the Construction of Circular Experience Teaching Model

——Taking the Teaching of "Industrial Robot Operation and Programming" in Secondary Vocational Schools as an Example

ZHANG Guoquan， LUO Shaoming， HUANG Fu， YANG Yong

Abstract： Aiming at the problems of poor learning experience of students and insufficient investment in training equipment in the teaching of course of“industrial robot operation and programming”in secondary vocational schools， based on Cooper's learning circle model， this paper constructs a circular enhanced experience teaching mode， which combines theory with practice， strengthens students' experience circularly and is dominated by teachers， and applies it to the teaching of“industrial robot operation and programming”. Practice has proved that： cycle strengthening experience teaching mode can effectively improve the learning enthusiasm and consciousness of secondary vocational students， and can provide valuable reference for the teaching of robot related courses in secondary vocational schools.

Key words： secondary vocational school; cycle strengthening experience teaching mode; virtual reality technology; industrial robot operation and programming