循环加强体验教学模式构建研究

张国泉 骆少明 黄福 杨勇

摘 要：针对中职学校“工业机器人操作与编程”课程教学学生学习体验差、实训设备投入不足等问题，基于库伯的学习圈模型，构建了一种以理论与实践相结合、学生循环加强体验与教师主导的循环加强体验教学模式，并应用于“工业机器人操作与编程”课程教学。实践证明，循环加强体验教学模式能有效地提高中职学生学习的积极性和自觉性，能为中职学校机器人相关课程教学提供有价值的参考。

关键词：中职学校;循环加强体验教学模式;虚拟现实技术;工业机器人操作与编程

基金项目：2020年教育部人文社会科学研究专项（高校辅导员专项）“新工科视域下工匠精神融入大学生核心技能培养的行动研究”（项目编号：20JDSZ3041）;2021年教育部职业教育改革创新课题“1+X证书制度试点理论与实践研究”（项目编号：HBKC214026）;2020年广东省科技创新战略专项资金“攀登计划”专项资金“基于物联网的智慧路灯关键技术研究与应用”（项目编号：pdjh2020a0330）

作者简介：张国泉，男，广东技术师范大学机电学院 2019 级硕士研究生，主要研究方向为智能制造与智能装备等;骆少明，男，广东技术师范大学机电学院教授，硕士生导师，博士，主要研究方向为智能制造与智能装备等;黄福（通讯作者），男，广东技术师范大学机电学院助理实验师，硕士，主要研究方向为智能制造与智能装备等;杨勇（通讯作者），男，广东技术师范大学机电学院教授，硕士生导师，博士，主要研究方向为智能制造与智能装备等。

中图分类号：G712文献标识码：A文章编号：1674-7747（2021）08-0100-08

2016年出台的《教育信息化“十三五”规划》和2018年出台的《教育信息化2.0 行动计划》，都强调了信息技术在教育中的重要影響，要求重点推进“互联网+教育”的教育模式。如何将信息技术与课程教学相结合，全力构建以教师为主导，以学生为主体的教学模式，是目前急需研究的问题。“体验”的一词最初来源于哲学，后来渐渐引入心理学家的研究范畴，并且快速成为教育学界的研究方向。通过分析国内外相关文献发现，目前关于体验式教学的研究还在起始阶段，而将虚拟现实技术融入课堂的体验式教学更是屈指可数。基于此，本研究针对当前中职“工业机器人操作与编程”课程教学体验感差、学习积极性低、教学方法单一的现状，在H省某职业学校中实践了循环加强体验教学模式，以此探寻有效的中职“工业机器人操作与编程”课程教学的新模式。

一、循环加强体验教学模式基本原理与体系结构

（一）循环加强体验教学模式的基本原理

所谓的“循环加强体验教学模式”，即以虚拟现实技术为基础，以学生体验为重点，贯穿学生体验、教师主导的教学观念，加强学生发现问题和解决问题的能力，以任务驱动、个别引导等多种方式来增强学生的学习体验感与学习转化率的一种新的教学模式。

课堂，从学生的角度上看，本应该是最具有生命力引诱力的地方，但实际上，课堂成了一个冰冷的场所，学生只是单纯地完成上课任务，麻木地听着老师讲解，枯燥且抽象的知识成了学生提高学习转化率的绊脚石。课堂的气氛由教师来掌控，因此，教师采取的教学模式对学生的学习至关重要。教学模式，简单来说，就是教学活动框架与活动程序，学生在学习的过程就是教学活动的过程，学生学习的成果是“体验”获得的，而不是通过教师“满堂灌”得到的。

在高新技术快速发展的时代，学生的个性多种多样，早已不能适应传统的教学模式，通过重复讲解教材来让学生获得知识的方式或许能让学生应付考试，但是这样的教学模式将会降低学生学习的体验感。中职学生的自主性和控制力较弱，过多地讲解理论知识会导致学生学习积极性降低，加之硬件设备的缺乏更让教学环节得不到有效实施[1]。基于此，本研究提出了一种“循环加强体验教学模式”。

“循环加强体验教学模式”是在美国心理学家库伯（David Kolb）的基础上设计的，本研究将库伯的学习圈理论应用于以虚拟现实技术为平台的“循环加强体验教学模式”。库伯用四个元素建立起了四阶段理论模型[2]，如图1所示。

从上图看出，体验式学习是把社会实践与学习反思是结合到一起，目的是为了学习者能在实践中积累经验，学生的学习是循环反复的过程，具体解释如下[3]：（1）第一阶段，主要是学生在实践活动中获取知识和经验的过程;（2）第二阶段，在学生进行体验学习时，可以直接利用外界的反馈信息来学习，以此来认识自己学习行为的效果;（3）第三阶段，学习者形成了新知识，并根据所形成的新知识对整个学习过程进行规划;（4）第四阶段，是检验假设的一个阶段，验证所想象的结果是否准确。在库伯看来，学习者需要在以上四个阶段中不断循环，从而达到提高学习转化率的效果。所谓的“循环加强体验教学模式”指的学生在虚拟的实训环境中，以体验的方式去学习新知识，并在学习中不断地发现问题，不断地反思，从而达到加强学生发现问题和解决问题的能力的效果。

（二）循环加强体验教学模式的体系结构

在中职院校中，工业机器人专业开设的时间较晚，工业机器人专业实训所需的设备、实训课程都还不够完善，学生实训设备投入不足。其主要体现在两个方面：一是工业机器人设备少甚至没有，学生只能通过阅读书籍来了解工业机器人，学生实训动手操作量少;二是设备更新速度慢，传统设备已不再适应现代人才市场的需求，导致学生所学知识与社会需求不相适应。在“工业机器人操作与编程”课程教学的过程中，由于受到传统的教学模式的影响。在教学的过程中，教师依旧是以理论知识的灌输教学为主线，而在实训教学的阶段，实训教学流程的设计太过于简单，学生很难听得明白，也不能在实训教学体验到学习的氛围。

Wilson的学习环境场所观认为，学习者需要使用多种学习工具去解决问题，才能有预期的学习成效，他把学习环境分成计算机微世界、基于课堂的环境、开放的虚拟环境等三类[4]。虚拟现实技术就可以营造一个Wilson的学习环境场所观中的虚拟环境，这种学习方式能够提供学生在多种感官上的学习乐趣，以“沉浸式”的表现形式让学生感觉自己真正置身于现实场景中，在虚拟现实技术的强大功能下，实现兴趣提升、学习方法调整、学习积极性保持、学生互动等多方面的教学功能[5]。虚拟环境是对真实环境的模拟，真实环境是虚拟环境的基础[6]，虚拟学习环境是传统学习环境的一个附加品，可以让学生更加沉浸学习环境，如图2—3所示。

从图2可以看出，“工业机器人操作与编程”课程教学的学习环境发生了一些变化。（1）学习工具：学生的认知从传统的图示转换为可实际操作的三维立体图像，对于抽象的概念、复杂的结构，学生可以通过自己动手来解决自己心中的疑问。（2）学习资源：将传统的教学资源与虚拟资源相结合，虚拟资源主要以辅助传统教学资源为主，是传统教学资源的扩展。（3）学习情境：为学生提供了一个全方位“沉浸式”的学习环境，学生可以在虚拟情境中进行全方位的工业机器人的编程操作练习。

从图3可以看出，相对于循环体验学习环境框架而言，循环加强体验学习环境框架增加了虚拟考核单元，通过循环体验学习后，进行考核评价，学生在学习中不断地发现问题，不斷地反思，从而达到加强学生发现问题和解决问题能力的效果。并且，其由于增加了学习情境、学习资源、学习工具、考核评价的相互促进关系，形成了一个循环加强的体验学习框架。

二、循环加强体验教学模式的构建

中职工业机器人技术应用专业学生的学情是：轻理论、重实操、无法独立解决问题、缺乏耐心等问题。根据学生的学情，本研究设计了一种“循环加强体验”的教学模式，并在此基础上设计了任务驱动教学法。循环加强体验教学模式以教师为主导，学生体验，让学生在学中乐、乐中思，不断加强学生的理解与动手能力。在虚拟的情境中，学生以任务为驱动，通过不断反复的练习，获得更多的知识和经验，实现在循环练习的活动中体验学习的乐趣，从而加强了对知识的理解与巩固。循环加强体验教学模式的流程，具体如图4所示。

从图4可以看出，循环加强体验教学模式的流程主要体现为七个方面的内容。（1）呈现课前所需知识：学生通过显示屏了解本节课必备的知识基础，学生之间可以相互讨论，了解体验。（2）展示学习任务：以任务驱动的教学方式，课前把本节课的任务发布给学生，学生结合课前呈现的知识来思考问题，进一步提高学生对知识的探索欲望。（3）教师演示：教师根据本节课的任务，分析实操步骤，讲解和演示标准的操作规制。（4）任务是否复杂：教师根据学生的学情，来判断学生是否需要指导。（5）全方位仿真练习：学生熟悉操作规程之后，可以进入模拟训练，在这个阶段，虚拟现实技术沉浸性的特点可以被充分体现出来，全方位与沉浸性能将学生的“学”与学生的“玩”真正融合到一起，游戏般的体验可以让学生感受学习的快乐，并在训练中不断加强学生发现问题和解决问题的意识能力。（6）过程考核：考核是衡量学生是否理解和掌握本节课核心内容的标志，学生通过考核则完成本节课内容，不通过则继续模拟练习。（7）结束、交流：学生完成任务后，可以采用交流的方式来分享自己的知识和经验，让课堂的学习更加丰富有趣，学生的体验感好、学习积极性高，学习效果就会不断地提升。

三、中职“工业机器人操作与编程”课程循环加强体验教学模式的应用

基于循环加强体验教学模式的理念与方法，本研究在H省某中职学校进行了多次实践，将基于虚拟现实技术的循环加强体验教学模式应用于ABB工业机器人“搬运码垛工作站编程与运行”教学中，最后分析其教学效果。

（一）基于循环加强体验的“搬运码垛工作站编程与运行”课程教学目标设计

搬运码垛工作站在完成电气系统的调试后，需要根据实际情况规划工业机器人搬运码垛流程，根据所学内容完成搬运码垛工作站的编程与运行。搬运码垛工作站编程与运行教学目标，具体如表1所示。

（二）基于循环加强体验的“搬运码垛工作站编程与运行”课程教学内容与教学过程设计

1.教学内容。中职学生通过前期理论知识的学习，已经具备了识别常用编程指令的能力，但学生对于这些指令的运用仍然不熟练，所以无法准确找到运动指令与工业机器人运动的对应关系，在传统的教学方式下，学生的学习参与度不高、体验感差。中职学生对于虚拟现实技术拥有很大的乐趣，渴望通过本次教学活动学习到更多的知识。基于循环加强体验的“搬运码垛工作站编程与运行”课程教学内容，具体如表2所示。

2.教学流程设计。本节课是基于循环加强体验的教学过程设计，图5为教学流程。具体而言，教学流程设计包含八个部分的内容。（1）情境创设：教师采取播放“搬运码垛工作站编程与运行”应用场景的视频（搬运大米、钢材等），将科幻、神奇的元素“代入”学生的学习，把学生代入“搬运码垛工作站编程与运行”的主题，提高学生的学习积极性。（2）呈现课前知识：呈现ABB工业机器人常用的运动指令：MoveAbsJ、MoveJ、MoveL 以及 MoveC 的含义，以教师的引导为主，学生开始建构知识。（3）展示学习任务：以任务驱动的教学方式，进行“搬运码垛工作站编程与运行”的教学，教师将学习任务表发布在显示屏上，让学生认真思考。（4）教师演示：教师利用虚拟实训室的工业机器人，给学生演示虚拟搬运码垛工作站编程与运行，演示完毕后，提问学生本项目运用到哪些类型的指令？并解读任务要求。（5）确定任务类型：教师需要根据每一位学生的学习基础，制定不同的教学方案，针对学生的难点和疑点进行解答。（6）循环加强体验：这是本节课的核心环节，是虚拟现实技术最明显的应用体现，采用学生循环加强体验练习模式，以学生为中心，让学生增强其自信心。循环加强体验教学，是把学习看作是一个循环的过程，即学习体验（具体的经验）、反思（反思性观察）、概括（抽象概念化）以及检验（积极行动）四个环节[7]，学生不会出现因为设备不足、无聊、教学模式单一等因素导致学习积极性低下的情况，“加强”主要是提高学生在训练中不断发现问题和解决问题的意识能力。（7）过程考核：教师根据学生的学习情况进行考核，达到考核标准后，学生才算完成学习任务，否则就需要循环加强体验，直至达到考核标准。（8）总结评价：教师对于学生的实训表现情况进行评价和总结，学生彼此之间讨论关于本节课的学习思路，如工业机器人运行指令的类型、如何根据工作路径进行规划等。

（三）中职“工业机器人操作与编程”课程循环加强体验教学模式分析

本研究在H省某中职学校机器人专业进行了探索实践，以ABB工业机器人的“搬运码垛工作站编程与运行”为例，在课堂上融入循环加强体验教学模式后，学生的积极性、参与度、体验感、动手能力以及发现问题与解决问题的能力均有所提高。

中职“工业机器人操作与编程”课程循环加强体验教学模式与传统教学模式不一样，表3为两种不同教学模式的对比。一方面，在实训的方式上，虚拟实训与真实实训相结合，在学习新的编程指令时，教师先向学生进行展示，让学生了解基本的编程指令和实训规则，获得一个真实的体验。这样，学生在真正进入虚拟训练时，就能很好地掌握操作指令和操作规则，为实际操作打下坚实的基础，并从实践中不断加强学生发现问题和解决问题的能力和意识。另一方面，在教学模式上，以教师为主导，以学生为主体。“循环加强体验”教学模式以学生体验为重点，融入贯穿学生体验、教师主导的教学观念，加强了学生的整体知识意识和能力。

从实训的绩效评估上看，学生学习积极性得到明显提升。由于工业机器人的应用随着环境的不同而有所变化，工业机器人的教学很难展示实际生产环境，而虚拟现实技术可以营造出各种各样的生产环境。虚拟现实技术可以模拟实际生产的真实场景，从而提高学生学习的兴趣，虚拟现实技术实现了学生学习从消极到积极的转变。学习者可以通过虚拟现实技术身临其境地观看各种设备，实现教学效果的最优化[8]。虚拟现实技术可以实现真实感较强的听觉、视觉、触觉等方面的模拟环境，把虚拟现实技术运用于工业机器人专业实训的教学中，学生可以选择观察教师示范的角度，不再会因为人数多而被挡在最外面，导致学生观察不到教师的操作过程。

从课程的实施效果上看，学生学习环境得到较大改善。虚拟现实技术在中职工业机器人教学实训中的应用，实现了高精度数字化的工业机器人专业实训教学可视化、可操作、可复用，节约了教学的时间成本和费用成本;同时，也实现了实时交互反馈、智能评价和智能导航，增强个性化学习的可能性;提升了初学者接触工业机器人的自我效能感。虽然工业机器人虚拟现实模式教学初期投入成本对比传统工业机器人实训教学模式来说较为高昂，但它的效益是长远的。可预演和可推演的虚拟工业机器人操作流程实现了可视化，为动手能力较差的学生提供了便捷，从长远看可以减少大量设备损坏的费用。

总之，循环加强体验改变了传统的中职“工业机器人操作与编程”的教学模式，能够有效地促进教学资源、教学设计、教学环境等方面的改革。基于此，本研究提出了以理论与实践相结合、学生循环加强体验与教师主导的教学模式，并构建了循环加强体验教学模式。循环加强体验教学模式具有沉浸性、循环性、交互性等特点，有效避免了中职学生学习的积极性、自觉性、控制力普遍较弱的问题。本研究分析了当前中职学生在工业机器人专业实训时面临的问题，并针对这些问题设计出了可行性方案，即以虚拟现实技术为平台，开展中职“工业机器人操作与编程”课程教学;并且，以“搬运码垛工作站编程与运行”为例，将中职“工业机器人操作与编程”课程融入循环加强体验教学模式，不仅可以提高学生学习的趣味性，也能提高学生学习的成效。尽管如此，循环加强体验教学模式作为一种前沿新型的教学模式，在医学、教育等领域中的应用仍然处于一个探索的阶段，基于循环加强体验的课程体系也尚且处于初步摸索阶段，无论是现在需要解决的理论还是技术问题，未来将不断继续进一步加以完善和创新。

参考文献：

[1]梁爽，刘迎春，屠芸.课内渐进式翻转课堂教学模式的设计与应用——以中职学校“网页制作”课程为例[J]. 现代教育技术，2016，26（7）：78-84.

[2]吴超轶.体验教学在小学“热”单元三维目标达成中的运用[D].浙江：杭州师范大学，2015：15-30.

[3]李梅.体验学习——21世纪重要的學习方式[D].广州：华南师范大学，2004：18-22.

[4] BRENT G，WILSON. Metaphor For Instruction： Why We TalkAbout Learning Environments[J].Educational Technology， 1995， 35（5）：25-30.

[5]郑颖立.体验式虚拟实验研究[D].上海：华东师范大学，2008：32-38.

[6]沈亦红.论物理虚拟实验与真实实验的互补作用[J].中国电化教育，2004（7）：42-44.

[7] KOLB D A. Experiential learning：  Experience as the source of learning and development[M]. New Jersey：Prentice-Hall， 1984：18-33.

[8]吴祥恩.虚拟现实技术在“现代教育技术”课程中的应用研究[J].中国电化教育，2011（3）：96-100.

[责任编辑 秦 涛]

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