基于虛擬仿真的農機實驗教學改革研究

韓佃雷 楊啟志 周脈樂 徐立章

摘? 要：人才短缺已成為制約我國農業機械化、智能化高質量發展的主要瓶頸。新時期，教育部推出了新農科、新工科計劃。農機實驗教學改革是全面強化新農科、新工科建設背景下人才培養的重要支撐。基于農機專業實驗教學面臨的裝備不系統、受外界因素干擾大、受時間地點限制等問題，開發農業裝備虛擬仿真實訓系統，完善主要農作物所需典型農業裝備的認知、拆裝、測繪和性能動態仿真等功能及地面環境-農作物-農業機械三者耦合作用的農場系統模型。在應用推廣方面，該系統不僅服務于農機專業，還服務于機械、車輛、能動等專業，同時與國內涉農高校和農機裝備企業共享，取得令人滿意的反饋效果。虛擬仿真實訓系統為我國農業裝備人才培養提供行之有效的實驗教學改革方案。

關鍵詞：農業裝備；虛擬仿真；實驗教學改革；人才培養；農場系統模型

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）21-0111-05

Abstract： Talent shortage has become the main bottleneck restricting the high-quality development of agricultural mechanization and intelligence in China. In the new era， the Ministry of Education has launched the plan of new agriculture and new engineering. Agricultural machinery experiment teaching reform is an important support for personnel training under the background of comprehensively strengthening the construction of new agriculture and new engineering. This study is based on the current problems of the agricultural machinery specialty experimental teaching， such as the lack of agricultural equipment， the great interference from external factors and the limitations of time and place. The virtual simulation training system of agricultural equipment was developed， which improves the functions of cognition， disassembly， key parts mapping and performance dynamic simulation of the typical agricultural equipment required by the main crops and the farm system coupling model among ground environment - crop - agricultural machinery. In terms of application and promotion， the system not only serves the agricultural machinery specialty， but also serves the machinery， vehicle and dynamic specialties. At the same time， it is shared with domestic agricultural universities and agricultural equipment enterprises， and has achieved satisfactory feedback effect. The virtual simulation training system provides an effective experimental teaching reform scheme for the cultivation of agricultural equipment talents in China.

Keywords： agricultural equipment; virtual simulation; experimental teaching reform; personnel training; farm system model

我國是農機裝備大國，但與世界農機強國相比，農機裝備水平整體落后20～30年[1]。加快推進我國農業機械化、智能化轉型升級主要靠科技，關鍵在人才。《制造業人才發展規劃指南》中的“制造業十大重點領域人才需求預測”顯示，到2025年，我國農機裝備人才總量預測72.3萬人，人才缺口預測44萬人，缺口比例達60.9%，在十大重點領域中人才缺口比例排名第一[2]。因此，大力培養具有知農愛農情懷，掌握強農興農技能的高素質創新型人才，為農機行業可持續發展提供源源不斷的人才保障和智力支撐已成為全國涉農專業人才培養工作的中心任務[3]。

新時期，教育部根據國家發展需求，主動適應新一輪科技革命和產業變革，推出了新農科、新工科計劃，對農機專業人才培養也提出了更高的要求。實驗教學是夯實學生理論基礎、培養學生創新思維的重要途徑，也是培養學生自主思考、提高動手能力的重要措施。在新農科、新工科建設的大背景下，變革農機實驗教學手段和方法是推動高校專業發展、學科基礎建設、學生能力培養與提高的重要舉措與措施[4]。

《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》要求“深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優質資源建設與應用，著力提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平”[5]。為此，各高校已經正在結合相關專業課程積極進行虛擬仿真實驗教學的探索[6-9]。虛擬仿真技術和手段，實現了降低實驗成本、避免自然條件約束、多維度互動和與傳統實驗互補等效果，為解決當前農機專業實驗教學存在的問題提供了新的思路和方法。

一? 農機實驗教學現狀及存在的問題

（一）? 傳統農機實驗教學

我國農作物種類繁多、形態多樣、生長環境差異大且周期長，同一農作物生長的不同時期需要使用不同的農業機械，針對不同農作物又需要開發不同的農業機械，目前新的農機人才培養模式使教學內容不斷增加，但是教學學時卻在不斷縮減。

以中國農業大學農機專業為例，農業機械學課程已從170學時逐漸縮減到48學時，實驗課程也被壓縮到8學時，這給教學安排帶來了極大的困難[10]。

以山東理工大學農機專業為例，培養方案中設置了農業機械學、拖拉機構造、機械制造工藝學、自動機械設計和機電系統設計等核心課程，然而除了前3門課程總學時分別是64、56、64學時外，其他課程總學時以32學時為主，其中實驗教學僅為4～8學時不等，且實驗內容以認知、拆裝、特性測試為主，這對理解復雜農機的工作原理來說遠遠不夠[11]。

以內蒙古農業大學農機卓越人才培養為例，由于實驗設備的臺套數不足，在進行傳感器靜態標定和典型參量動態實驗時，需要分批次且多人一組，以教師演示實驗教學為主，僅有極少數學生能進行實際操作，多數學生淪為實驗過程的觀摩者，并不能給學生留下深刻印象[12]。

面向耕、種、管、收四大環節，農業機械的種類繁多且不斷更新換代，僅有不足10學時的實驗課程，學生要深入理解并掌握每種農業機械，這是遠遠不夠的。部分學校會安排為期一周的生產實習，主要以認識和觀摩為主，學生并不能直觀地看到農業機械內部的工作過程，而且也只能看到當期作業的農業機械。基于農機專業實驗課程面臨的學時少、內容多的現狀，拓寬教學手段和方法，提高學生的學習興趣和效率，這已成為亟待解決的關鍵問題。

（二）? 農機虛擬仿真教學

虛擬仿真實訓系統是將現代信息技術融入實驗教學，實現了對農機人才培養教學手段和方法的補充，解決了傳統農機實驗教學中的短板問題。但是，多數系統是以當地特色的農作物和適配的農機裝備為主，難免產生農機裝備不系統、不完整和不全面等問題。

以培養高素質農業工程人才為目的，結合南方特色作物機械裝備優勢，華南農業大學開發了水稻生產全程機械化關鍵環節虛擬仿真實驗系統，通過水稻生產全程機械化中“水田耕整、水稻種植、田間管理、水稻收獲和谷物干燥”這5個關鍵技術環節和10種作業機具或裝備，使學生能夠系統了解水稻生產機械化的全過程，熟悉相關農業機械的操作和使用，掌握關鍵技術原理和方法[13]。

依托虛擬現實、人機相互和網絡通信等技術，中國農業大學構建了高度仿真的旱地機械化耕種作業虛擬仿真實驗系統，以北方旱地機械化作業過程為仿真對象，模擬田間作業工況及機組作業性能，使學生能在短時間內掌握旱地耕種機械化作業裝備的參數調整和性能評價方法，加深了學生對機械化農業生產及智能管控等專業知識的理解[14]。

為了大幅降低實驗成本、提高實驗安全性和加強實驗環節建設，江蘇大學開發了大型高地隙噴桿噴霧機虛擬仿真實驗系統，可使學生快速了解大型高地隙噴桿噴霧機的組成原理、工作原理，理解大型高地隙噴桿噴霧機的結構特點及其組成、拆解原理，掌握大型高地隙噴桿噴霧機工作參數的調控原理，為后續類似的現代農業裝備的設計與研發打下基礎[15]。

農機的動作機構和工作參數需要實時地調整以適應不同的田塊。然而，從已有的虛擬仿真系統來看，地面環境、農機和農作物相互作用時自適應調整策略并沒有被充分考慮。因此，地面環境-農作物-農業機械三者耦合作用的農場系統模型還有待進一步完善。

二? 農業裝備虛擬仿真實訓系統的建設要求

基于傳統農機實驗教學存在的問題與農機虛擬仿真實驗教學的不足，從實驗教學內容、實驗教學形式、實驗教學方法角度，本文歸納總結了農業裝備虛擬仿真實訓系統的建設要求。

（一）? 實驗教學內容方面

1? 實現農業裝備實驗的系統性、完整性

實驗和實踐訓練是提高農機專業學生綜合能力、創新能力、動手能力必不可少的教學環節。然而，目前國內涉農高校農機專業的農業裝備實驗或實踐環節存在不系統、不完整、不全面等問題，有的高校只有有限的幾種裝備，有的高校實驗裝備比較陳舊。在過去的十年里，隨著社會的進步和智能技術的發展，涌現了大量的自動化、智能化農業裝備，但是由于經費、場地、操作人員等限制，高校購置大量新設備不現實，而且很難操作。農業裝備虛擬仿真實訓系統則無須太多的費用、場地、操作人員，可以很好地解決農業裝備實驗和實踐環節的不系統、不完整、不全面等問題。虛擬實訓系統中農機裝備來源于教師多年的科研成果，譬如，聯合收割機來源于2013年國家技術發明二等獎“油菜聯合收割機關鍵技術與裝備”項目，保證了實驗教學的先進性和前瞻性。

2? 覆蓋農作物生長的全周期

農作物從幼苗到長成的時間跨度太長，高校實驗室內很難完成，而學生又沒有充足的時間去現場記錄農作物生長的每個過程或調研每個農業生產環節農業機械的作業情況。農業裝備虛擬仿真實訓系統則可以模擬不同農作物生長的全過程，演示不同生長過程農作物的形態、樣貌、長勢，并真實地再現農作物不同生長時期所需農業機械的作業情況，有利于學生快速、高效地獲取和增長知識。

3? 地面環境-農作物-農業機械耦合作用可視化

傳統虛擬仿真系統將重點放在農業機械的工作原理演示上，而忽略了農作物、地面環境及與農業機械三者耦合作用模型的構建。眾所周知，地面環境和農作物將顯著影響農業機械的作業效果。農業裝備虛擬仿真實訓系統在地面環境方面充分還原地形、地貌、土壤等信息，在地面環境、農作物、農業機械交互作用方面更加注重作業和運動參數的自適應調整，使學生深刻體會不同參數對農業機械性能的影響，進而提高學生對地面環境-農作物-農業機械系統的認識與理解。

（二）? 實驗教學形式方面

1? 課內課外、線上線下延展教學形式

常規的教學組織形式通常是以班級為單位，局限于固定時間和地點的結構中。農業裝備虛擬仿真實訓系統通過網絡全天候開放，允許學生在圖書館、教室、宿舍和家中等不同情境里學習，可以在課堂，也可以在課外，隨時隨地進行實踐操作。延展式教學拓寬了教學組織形式，改變了傳統教學中以教師為中心的情況，賦予了學生學習的主動性，實現了學生的自主學習和主動學習。

2? 減小對農業裝備實驗員的依賴性

根據農業生產的不同環節，面向不同的農作物，不同功能的農業機械種類繁多；隨著智能化技術的發展，現代農業裝備一般同時具有控制、測量、檢測等功能，是高度集成的機電一體化裝置，往往需要專業的知識和技能，這對實驗員的數量、技術、經驗等提出了更高的要求。農業裝備虛擬仿真實訓系統則對農業裝備的操作進行簡化，重點演示特色的功能原理，這將大大減小對實驗員的依賴，而且不需要擔心由于操作不當造成機具損壞。

3? 解決農業裝備實習時間緊迫的問題

為了搶農時，在“夏忙”和“秋收”時節，農業裝備需要完成大量繁重的收獲、耕整、播種等作業，而農機專業學生的實驗和實踐教學環節也需要在這短短的2～4周內完成，這給時間、日程安排造成很大的困難，而且無法保證實驗和實踐的效果。農業裝備虛擬仿真實訓系統則不需要考慮農忙時節實習時間緊迫的問題，學生可以通過在線系統反復地觀看各種農業機械的作業過程，使學生得到充分的訓練。

（三）? 實驗教學方法方面

1? 沉浸情景式教學

在傳統實驗教學課堂中，一般由教師為學生講解農業裝備的構造、原理和工作過程，一些關鍵或大型的農業裝備也只能從外觀進行觀摩，學生并不能理解其內部工作原理或在田間工作的情況。借助VR技術，農業裝備虛擬仿真實訓系統中逼真的虛擬環境則可以提供身臨其境、自主控制的人機交互，激發學生主動探索知識的熱情，憑借視覺、聽覺、觸覺信息的協調作用，使教學內容的統一性與靈活性得到完美的結合。沉浸情景式教學充分地調動了學生的好奇心和興趣，加深了學生對于關鍵農業裝備的認識與理解。

2? 發現式教學

常規實驗教學中，實驗的目的、內容、方法和結果都是明確的，學生只需按部就班地走程序，即可獲得實驗結果。此種教學方法雖然不會出錯，但限制了學生的思考。農業裝備虛擬仿真實訓系統則可以有針對性地構建虛擬情景，讓學生進入問題存在的環境，引導學生進行思考，找出問題存在的原因，提出多種解決問題的方案，并對不同方案的有效性進行驗證，進而確定問題解決的最佳方案。發現式教學培養了學生高層次的思維技能，提高了學生解決實際問題的能力。

3? 師生多人協同互動式教學

在傳統農機實驗教學中，由于實驗設備臺套數限制，一般會分組分批次進行，小組的成績則代表了組內每位學生的成績，教師僅僅能與部分學生進行交流，更不能掌握每位學生的學習情況，協同互助也僅僅局限于組內學生。虛擬仿真實訓系統則可以將師生置于同一環境中，通過共同參與，分工完成某些項目的設計或訓練，教師也可以實時掌握每位學生的實驗進展并給予及時的指導。師生多人協同互動式教學為教師與每位學生交流提供了機會，促進了教師對每位學生的了解，而且培養了學生團結協作的能力。

三? 農業裝備虛擬仿真實訓系統的開發

（一）? 虛擬仿真實訓平臺和功能模塊

基于目前虛擬仿真實訓系統存在的問題，綜合考慮地面環境-農作物-農業機械的耦合作用，江蘇大學農業工程學院開發了基于VR技術的農業裝備虛擬仿真實訓系統。學校擁有完全自主知識產權，已獲批3項軟件著作權：①農業裝備虛擬仿真實驗虛擬認知教學系統V1.0（登記號2017SR699512）；②農業裝備虛擬仿真實驗虛擬拆裝教學系統V1.0（登記號2017SR699506）；③農業裝備虛擬仿真實驗動態仿真教學系統V1.0（登記號2017SR699518）。

該系統總體架構包含了學生端、教師端、后臺管理端，如圖1所示，學生端主要用于課程選擇、學習、考核和記錄查詢；教師端主要是協助教師進行簡單的教學管理，包括學生權限管理、組織結構管理、模塊管理和考核管理；后臺管理端主要是系統管理員對整個虛擬實訓系統進行數據維護、日常管理、模塊更新。

該系統的4個特色實驗模塊包含：3D數字化農場虛擬認知模塊、農業裝備虛擬拆裝模塊、農業裝備虛擬動態仿真模塊和農業裝備虛擬測繪模塊，共涉及20多個實驗，基本涵蓋了農機專業的實驗教學課程及部分實踐教學環節。同時，該系統還可以服務于農業電氣化專業、流體機械專業、機械設計與制造專業、車輛工程專業及食品科學與工程專業等部分涉及農業裝備的課程實驗，也可以用于農業裝備企業技術人員的培訓。

（二）? 功能模塊的農機知識點設計

3D數字化農場虛擬認知模塊是以國內外現運營的典型農場為模本，通過虛擬仿真技術，真實還原農場不同時間段的農作物、農業機械和地面環境及相互作用的場景，使學生能夠建立農場系統的整體概念并全面了解農作物的種植、管理、收獲和后處理等農業生產過程。

農業裝備虛擬拆裝模塊主要是讓學生掌握農業機械的關鍵零部件、正確的拆裝順序、必要的拆裝工具等，并實現拆裝過程的自動打分與測評，使學生在研制農業機械時形成“從零件到整體”和“從整體到零件”的設計思路。

農業裝備虛擬動態仿真模塊是在保證傳統虛擬仿真實訓系統演示農業機械內部運作原理功能的基礎上，更加注重不同類型農田模型的建立、不同階段農作物長勢的還原、農機作業參數的適應性調整等方面，使學生能深刻地理解農機-農藝相互融合的必要性。

農業裝備虛擬測繪模塊主要是讓學生樹立“定量”意識，通過三維結構查看和尺寸測量功能，能夠充分理解農機設備中重要零部件的幾何結構和關鍵形位尺寸，從而提高學生的工程繪圖能力及未來先進農業設備中關鍵零部件的結構和尺寸優化能力。

四? 農業裝備虛擬仿真實訓系統的應用效果

江蘇大學農業裝備虛擬仿真實訓系統線下初步試用在2017年8月，正式試用在2017年10月，整個系統上線使用在2018年7月，已取得了比較好的反饋效果。

已面向農機專業的2015—2021級本科生進行了集中性使用，輔助完成了2014—2018級畢業年級農機類專業課農業機械學、智能化農業裝備的多次實驗教學。同時，鼓勵本專業學生通過互聯網進行分散性的在線使用，激發了學生對農業裝備的學習興趣，提高了學生對虛擬實驗與實踐的積極性，而且對學生實踐動手能力和專業知識的提升起到了明顯效果。

已線下開放給本校其他工科專業，在機械工程、車輛工程、流體機械、農業電氣化和能源與動力等專業的實驗與實踐教學環節中同樣取得了令人滿意的效果。未來希望進一步完善軟件，豐富虛擬仿真實驗的內容，增加現代化農機的知識，進一步凸顯學校的辦學特色與科研特色。

在對外開放共享方面，該系統已在中國農業大學、浙江大學、寧夏大學、安徽農業大學、新疆大學、江蘇農林職業技術學院和常州機電職業技術學院等進行了涉農工科實驗與實踐教學環節的免費線上使用；在江蘇省農墾集團有限公司、江蘇沃得農業機械有限公司、常州東風農機集團有限公司、南通富來威農業裝備有限公司和鎮江市農業機械技術推廣站等企事業單位也已免費線上使用，進行入職定崗專業知識培訓。

一致反映，通過該系統可以實現形象、生動、逼真的大型農業裝備的結構認知、功能原理演示、工作參數調整，可以解決大型設備操作復雜、使用時間緊、條件差、農機操作人員短缺及實驗或實踐用房短缺等難題。

五? 結束語

現代農業建設是一項龐大的系統工程，高端農業裝備已被列入《中國制造2025》規劃重點發展領域，迫切需要大量創新型工程技術人才。江蘇大學以立德樹人為根本，秉承“工中有農，以工支農，工農結合”的辦學特色，不斷地探索新工科、新農科融合發展的“現代農機”涉農專業集群建設方案。同時，依托農業工程學科優勢，積極推進現代信息技術融入實驗教學，開發了農業裝備虛擬仿真實訓系統，用新內容、新方法、新形式推進農機實驗教學的全面改革，不斷拓展實驗教學的廣度和深度，提升實驗教學的質量和水平，為培養“知農、愛農、強農、興農”的新時代涉農人才貢獻“江大力量”。

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