旱地機械化耕種作業虛擬仿真系統建設

董向前， 陳 雨， 宋正河， 陳 度， 王慶杰， 杜岳峰

（中國農業大學機械與農業工程國家級虛擬仿真實驗教學中心，北京 100083）

0 引 言

農業機械與設備是農業機械化及自動化、農業工程專業的專業核心課程，課程要求掌握各種農業機械的構造、工作過程、原理和有關理論，所需牽引力、功率耗用、與拖拉機的連接配套和使用調整。作為主要的專業實驗課程，農業機械化生產實驗是驗證理論知識、培養學生分析問題和解決問題能力的重要手段［1-2］，對培養學生的動手能力、生產實踐以及科研能力都具有重要意義。

受農業生產作業條件、生產方式等因素影響，農業機械具有種類繁多、作業復雜、生產季節性強、作業時間短等特點［3］，導致在農業機械化課程實驗教學中，難以全面開展綜合性、創新型機械化農田作業生產實習，僅僅依靠模型演示、動畫模擬、現場觀摩等教學形式，學生很難深入理解復雜農業裝備的功能原理、作業性能和智能測控等方面的知識點，進而造成學生無法在裝備設計、實驗驗證、智能作業等模塊中開展創新性的學習和實踐。

近年來，隨著現代信息技術的快速發展，虛擬仿真技術已廣泛應用于實驗教學，并且獲得了顯著教學效果［4-8］。虛擬仿真實驗教學可以突破實體教學局限，拓展實驗教學的廣度和深度，延伸實驗教學時間和空間，有效推進教學改革并提升實驗教學質量［9-12］。

根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020 年）》和《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》的要求，工學院主動適應經濟社會發展需求，遵循高等教育規律和人才成長規律，以培養大學生的實踐能力和創新精神為本科教學質量的重要目標，結合農業機械實驗課程的教學實踐，為實現農業機械綜合性實驗體系的教學實踐，依托機械與農業工程國家級實驗教學示范中心和國家級虛擬仿真實驗教學中心教學優勢，基于“能實不虛，虛實結合”的原則，構建了旱地機械化耕種作業虛擬仿真實驗教學系統，以彌補傳統實驗教學的不足，促進學生綜合實踐能力的提升。

1 虛擬仿真實驗內容設計和建設

農業生產過程包括許多不同的作業環節，其中耕地、播種作業是兩個極為重要的環節，耕地為作物生長創造適宜土壤條件，是作物豐收的基礎，良好的播種是保證出苗齊全和禾苗茁壯的基礎。農業生產中應用的典型耕種機械包括鏵式犁、旋耕機、深松機、免耕播種機，在教學中要求掌握機械的結構、工作原理與拖拉機配套使用調整和田間作業性能等內容，涉及鏵式犁犁體曲面形成原理及耕作性能、旋耕機刀片的配置、深松機松土破碎理論、免耕播種機重力切茬、動力驅動和秸稈流動防堵等防堵原理等相關知識。這些知識點在常規的教學中難以在較短時間內使學生對旱地機械化耕種作業機械的知識形成清晰直觀的認識。

依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的旱地機械化耕種作業虛擬仿真實驗環境和實驗對象，按照基礎型、提高型和研究型3 個層次設置實驗內容，開發了旱地機械化虛擬仿真實驗教學系統，學生在虛擬環境中開展交互性實驗，能夠在較短時間內對旱地機械化耕種作業機械的結構組成、功能原理和性能參數形成清晰直觀的認識，并通過開放、自主、交互式學習，深入理解我國北方旱地機械化作業過程，從而達到《農業機械與裝備》等相關課程教學大綱所要求的教學效果，全面提高學生實踐能力。

1.1 引導短視頻

實驗由AR 動畫開始，主要介紹旱地機械化耕種基本流程與典型機具應用場景。引導視頻可讓學生認識虛擬仿真技術的前沿以及實驗教學的必要性和優勢，激發學生學習興趣；同時，讓學生在“人-機-環境”系統中了解旱地機械化耕作的特點以及對機具設計的基本要求，有助于理論聯系實際，提升實驗虛實結合的效果，如田間作業中土壤-農業機械直接交互作用過程。

1.2 實驗原理

實驗原理包括典型耕種機具結構與拖拉機組掛接調整、田間作業性能測試等部分。利用三維數字化技術展示旋耕機、鏵式犁、深松機、免耕播種機的構造與工作原理（見圖1）；借助虛擬仿真技術構建高度仿真的田間實驗環境和實驗對象，對拖拉機機組田間作業的工作過程和原理進行模擬，通過參數化界面實現拖拉機耕種作業過程的可視化；依托多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，形成網上實踐教學平臺，遵循學生學習和認知的客觀規律，打破相對獨立的各個教學環節，將課程中大量碎片化的知識系統化，創造以學生為中心的虛擬學習環境，提升學生的自主學習和實踐創新能力。

圖1 耕種作業機械三維建模

1.3 實驗材料

農業機械的作業對象為生物及其生長的環境如種子、作物、土壤、肥料等，由于它們種類繁多、形狀復雜、物理機械性質多變并且軟弱易傷，為保障農業機械作業的要求，實驗中必須設置合理的物料性狀，滿足各項作業的農業技術要求。此外實驗中需要預設拖拉機耕作作業參數如行駛速度、動力輸出軸轉速、耕作深度、作業幅寬、土壤參數；免耕播種機作業參數如行駛速度、播種量、播深、行距、株距、土壤參數、秸稈覆蓋量等。

1.4 實驗操作

實驗方法和基本流程如下：登錄虛擬仿真實驗教學平臺，下載實驗任務書，按照系統要求和提示在線完成虛擬仿真實驗內容。在土槽實驗環節，按照實驗小組分工協作，設計土槽實驗方案和內容，完成土槽實驗，提交實驗報告。

具體的操作步驟包括登錄虛擬仿真實驗平臺，完成耕種機械結構和工作原理認知學習；耕作模式選擇根據田間作業需求選擇旋耕、犁耕、深松、播種模式；機組掛接調整實驗需根據田間工況，選擇合適的作業部件并完成整機的虛擬裝配，將作業機械與拖拉機掛接形成耕作機組，并根據作業工況耕作機械調整到合適的條件作業狀態并完成田間實驗。

1.5 實驗實施過程

項目實驗教學方法如圖2 所示，包括理論教學、虛擬仿真實驗教學、土槽實驗教學3 個部分，通過理論教學、虛擬仿真實驗與土槽實驗相結合，提高了實驗課程的系統性和完整性。

圖2 實驗教學方法

實驗教學過程中按3 個層次開展實驗教學，基礎型實驗旨在培養學生了解并掌握農業生產各個環節中作業機械的結構、原理、工作過程，包括耕地機械、整地機械、種植機械。提高型實驗旨在使學生掌握典型農業機械部件或整機的拆解與裝配、使用與調整以及性能測試等內容，典型的農業作業機械如鏵式犁、旋耕機、深松機、播種機等。研究型實驗旨在培養學生以問題為主線，通過實驗設計，研究農業機械工作參數、土壤特性、性能指標之間的定量關系。

在課程實施過程中采用“虛實結合、線上線下結合、相互促進、互為補充”的原則，實驗實施過程（見圖3），依托建設的虛擬仿真實驗教學資源開展線上實驗，利用土槽實驗臺開展線下的自主探究性實驗。通過虛擬仿真線上實驗與土槽線下實驗相結合，構建了以農業生產環節為主線、理論與實驗實踐相結合的教學課程，提高了實驗課程的系統性和完整性，改變傳統教學方式，學生可以通過虛擬仿真實驗了解農業機械的結構；仿真實驗能使學生更加生動地了解各部件的工作原理，并且增加虛擬裝配和實驗環節，提高學生的實踐和自主創新能力。通過線下自主探究實驗，積極引導學生探索、發現問題，在探究的過程中培養自身的創新意識和能力［13-16］。

圖3 實驗實施過程

2 實驗系統特色

2.1 分層次虛實結合

針對當前涉農工程類專業實驗實踐教學環節存在的學生自主實驗能力不強、綜合性創新性實驗難以開展、時間和空間限制下實驗教學與課堂教學銜接緊密性不足等問題，該實驗以旋耕機、翻轉犁、深松機、播種機等典型旱地耕種機械為對象，利用虛擬仿真技術手段，設計了包含“機具構造、工作原理、掛接調整、田間作業”4 個環節3 個層次的旱地機械化耕種實驗教學內容，使學生通過交互式操作，能夠全面了解并掌握典型旱地機械化耕種機械的結構原理和田間作業效能。

2.2 沉浸式體現，線上線下相結合教學模式

旱地機械化耕種作業作為涉農工程專業教學中重要的實踐訓練環節，以虛擬仿真實驗為新型教學手段，以模擬田間實際作業為中心，通過專業知識學習和模擬農機具田間作業，使學生在虛擬場景體驗田間作業環境，加深對耕種機具的結構、工作原理和工作過程的認知程度，利用形象且直觀的展示方式，便于觀察和理解農機具關鍵部件結構和實際田間作業過程。實驗過程采用線上線下相結合的混合式教學模式，提高學生的專業興趣和專業能力，為培養現代農業生產人才打下堅實基礎。

2.3 優化考評機制，促進項目持續改進

實驗項目從基本素養、實驗操作、實驗報告3 個方面進行考評，考評環節包括自評、同學間互評、教師評價3 個方面，評價還包括學生在實驗過程中對知識、能力、素質的滿意度評價，對該實驗項目的建議與意見。這些評價將促進本實驗項目的持續改進和完善。

3 結 語

在傳統教學過程中，理論教學往往與生產實際相脫離，容易造成學生理解不深、理論聯系實際困難等問題，本虛擬仿真實驗項目通過將機具構造、工作原理、掛接調整、田間作業等理論和實踐環節融為一體，通過學生自主的交互式實驗操作，全面了解并掌握旱地機械化耕種作業的典型機具及作業過程。在傳統理論講授和認知實習的基礎上，通過三維結構原理展示、交互操作調整、虛擬作業操控、仿真儀表數據等手段和形式，引導學生開展自主學習、深度思考和在線反饋。同時，通過網絡化平臺管理，可以獲取學生開展實驗情況及實驗效果數據，為改善實踐環節教學效果評價難的問題提供技術支撐。