《智能農業裝備技術》課程建設與應用

屈 哲，何 勛，呂志軍，丁 力

（河南農業大學機電工程學院，河南 鄭州 450002）

隨著我國城鎮化建設進程的加快，農村剩余勞動力大幅度減少。同時，在國家由傳統農業向現代農業發展的關鍵時期，農業生產的機械化、自動化、信息化對農業高質高效發展起著決定性的作用，對智能農業裝備水平提出了更高的要求[1]。智能農業裝備是在傳統農業機械的基礎上，集成傳感器技術、自動化技術、互聯網技術等現代科學技術手段而形成的新型農業裝備，與傳統的農業裝備相比具有智能、高效、高質等優點。隨著我國農業現代化發展的快速推進，大力發展智能農業裝備與技術已經成為國家戰略需求，同時也是農業機械領域研究的重點和發展方向[2-4]。但是，現階段國內具有智能農業裝備技術知識的相關人才嚴重短缺。因此，在傳統農機專業人才培養與課程建設的基礎上，促進傳感器技術、自動化技術、互聯網技術等不同學科與技術的深度融合顯得尤為迫切。

目前，國內部分農林類高校已經開設了農業智能裝備工程新專業，并設置了智能農業裝備技術等相關課程，但是課程的教學內容、教學模式、教學方法等尚不健全，課程建設需要不斷地深入優化。因此，為了提高課程建設質量與水平，提高學生對智能農業裝備與技術的學習興趣與積極性，本文以河南農業大學為例，從課程教學目標與要求、理論教學內容與教學方法、實驗教學內容等方面對智能農業裝備技術課程建設與應用進行了研究與探討，為國家開展智能農業裝備人才培養提供參考。

1 課程教學目標與要求

1.1 課程教學目標與任務

該課程是農業工程一級學科下農業機械化及其自動化本科專業的專業必修課，也是專業核心課程。本課程是在學習傳統農業機械學的基礎上使學生進一步了解新型農業裝備機械在現代化農業生產中的應用，特別是傳感器技術、電子技術、信息技術與新型農業裝備技術結合將會極大地提高農業機械生產效率和拓寬應用范圍。通過本課程的學習，獲得智能農業裝備技術及相配套的自動控制技術必要的基本理論、專業知識和使用新裝備的基本技能，具有對新型農業機械裝備進行設計和應用的能力，為從事智能農業裝備機械化規劃與管理、教學與科研、營銷與服務等相關的工程技術工作打好基礎。

1.2 課程教學要求

（1）理論知識方面：讓學生了解新型農業裝備的內容及所涉及的科學技術領域，掌握新型智能農業裝備組成的結構原理及設計方法；運用電子控制技術用于農業機械監控的基本原理和設計方法；了解現代農藝、生物、電子及信息技術與農機技術結合的內涵和基本思路。

（2）實驗技能方面：通過本課程課堂教學與相關的實驗，讓學生了解智能農業裝備技術應用于農業機械化生產將有廣闊的前景，使學生掌握智能控制技術、傳感器等微電子裝置與農業機械監控部件結合的方法和在實際生產中的作用，能夠理論與實際結合，把電子技術與農業裝備結構組合應用到生產實際，提升專業實踐和動手能力、現代機械設計方法及生產應用和智能農業裝備的管理等。

1.3 課程教學設計

讓學生了解智能農業裝備的內容及所涉及的科學技術領域，掌握智能農業裝備組成的結構原理及設計方法；運用電子控制技術用于農業機械監控的根本原理和設計方法；了解現代農藝、生物、電子及信息技術與農機技術結合的內涵和根本思路，了解精細農業與智能農業裝備的關系等。

2 課程理論教學內容與教學方法

2.1 課程理論教學內容

（1）概述。本章主要講解智能農業裝備技術等相關概念；農業裝備在農業生產中的地位，目前國外發展狀況，國內存在的差距；影響農業裝備現代化發展的因素及解決辦法。要求學生在課堂學習的同時，注意查閱與本課程相關的國內外文獻資料，掌握國內外該領域發展的最新動向。

（2）自動化技術在農業機械裝備中的應用。本章主要講解自動化技術的基礎知識，熟悉自動控制系統的組成及原理，了解并且學習機電液一體化技術、計算機技術、電機電器技術信息與網絡控制技術基本要素，農業裝備哪些方面能巧妙地結合自動控制完成農業機械的控制操作，達到方便、精確、高效節能，提升和擴大農業機械裝備應用范圍。

（3）農機動力裝備的智能化。本章主要講解了在新型農用動力根據使用對象的分類；高壓共軌柴油機的結構原理，與傳統柴油機的區別，新型柴油機高壓共軌系統的組成原理，工作過程。學習難點是高壓共軌系統各自的特點，應結合實驗實習課去了解掌握。

（4）種植機械智能化技術與裝備。本章主要講解傳統播種技術與原有播種機械存在的不足，現代農業種植技術對播種、栽植機械的要求，重新認識現代種植技術中部分作物采用禾苗移栽代替播種的優越性，新型播種機和禾苗移栽機的機構特點、工作原理，特別是智能控制技術在種植機械上的應用原理及類型；重點掌握新型播種機的排種器組成原理，設計方法；目前各類移栽機的結構、工作過程，原理，設計方法；現代播種、栽植機械的技術創新前景。

（5）收獲機械智能化技術與裝備。本章主要講解國內外收獲機械化裝備的最新發展狀況，時刻關注收獲機械與技術研發前沿的最新成果，深入了解在收獲機械產品上添加的自動監測與控制裝置與技術的科技新知識以及有哪些新的經濟作物采用了機械化收獲，重點掌握人工智能技術用于農作物機械收獲的新科技知識，將所學習的機電液一體化綜合知識用于與本專業相關的收獲機械設計與應用中去。

（6）精細農業與農業機械化新技術。本章主要講解傳感器技術、信息化技術、自動化技術、變量控制技術等技術體系，掌握有關精細農業技術體系的基本原理以及基礎知識，同時具備從事精細農業相關技術研究的能力。重點以GPS（全球定位系統）、RS（遙感系統）和GIS（地理信息系統）技術為主線，學習并掌握精細農業的基本原理以及實施方法，掌握相關儀器設備與軟件的操作方法。教學難點是變量作業機械的結構組成與工作原理，以及如何利用GPS、RS、GIS、傳感器、攝像頭等開展田間土壤屬性信息以及作物生長信息的采集等。

2.2 課程教學方法

（1）多媒體互動教學法

多媒體教學作為現代教學主要方式，可以通過圖片、視頻和動畫等豐富的多媒體資源生動形象地向同學們展示智能化的農業裝備與技術。同學們能夠直觀、形象地學習其結構組成與工作原理等，提高對課程學習的積極性與主動性。同時，鼓勵同學們借助于當前豐富的互聯網資源，圍繞課程的知識點進行國內外新技術、新裝備的收集與學習，并在課堂中進行討論與交流，提高學生自主學習的能力。

（2）案例教學法

智能農業裝備技術這門課不同于傳統的農業機械學等課程，該課程是在傳統農業機械的基礎上融入了智能化、自動化、信息化等新技術，具有很強的前沿性。通過在課程教學中以案例的形式引入國內外前沿的智能化農業裝備與技術，才能夠讓同學們更直觀、更全面地學習掌握該課程的相關內容。

（3）虛實結合的體驗式教學法

虛擬仿真教學具有直觀生動形象、人機交互性強、開發成本低、操作不受時間與空間的限制等特點，可以將虛擬仿真教學與傳統的理論教學、實驗教學等結合起來，能夠有效地提高理論與實驗教學的質量和效果。同學們通過虛擬仿真教學的人機交互進行實訓操作，直觀地學習智能農業裝備的結構組成和原理仿真，激發了同學們學習的興趣，提高了同學們學習的積極性與主動性。

3 課程實驗教學內容

通過與課程內容相關的實驗，讓學生了解機電液一體化技術應用于農業機械化生產將有廣闊的前景，使學生掌握單片機、傳感器等微電子裝置與農業機械監控部件結合的方法和實際生產操作技能。達到能夠在實際使用中完成操作調整、進而掌握電子技術與農機設計相結合的理論和方法；最終學生應能夠理解實驗原理及實驗方案，掌握正確操作規程，掌握各種儀器的使用。

3.1 播種機排種質量性能檢測實驗

該實驗可以在不同播種參數（如播種株距、播種速度、播種盤型孔數）下實時檢測排種器的播種合格指數、漏播指數、重播指數、株距變異系數等播種質量參數，并可檢測指夾式排種器各個指夾的重播個數和漏播個數。同時對種子的下落情況進行實時的動畫模擬顯示?？梢赃m用于不同型號的排種器，安裝和拆卸過程簡單快捷。

3.2 基于智能檢測缺苗系統的全自動缽苗移栽實驗

該實驗在移栽機械手正常勻速回轉運動作業情況下，若光電識別模塊檢測出苗盤中正常存在秧苗，則移栽機械手依次完成取苗、運輸、挖穴與栽植四個移栽工序；若光電識別模塊檢測出苗盤中缺苗，則由直流推桿電機帶動的秧箱橫向移箱加速運動至正常存在秧苗位置，以配合移栽機械手完成取苗、運輸、挖穴與栽植四個移栽工序，從而保證所栽植的秧苗株距一致，減少漏栽。

3.3 基于GPS的拖拉機導航與輔助駕駛實驗

該實驗可實現拖拉機路徑規劃、輔助駕駛、路徑跟蹤、自動控制等動作，系統采用高精度GPS定位，控制精度在±2.5 cm以內，作業精度高，作業速度快。

3.4 霧滴粒徑檢測與噴霧性能綜合實驗

在田間開展噴霧機的噴霧性能試驗時，噴霧機噴頭的壓力大小、流量、噴灑均勻性、功率消耗等是難以進行有效且準確測量的。但是，在實驗室內我們借助于噴霧性能綜合測試平臺，基于計算機視覺圖像處理、超聲波精確測距、傳感器耦合以及計算機綜合控制等關鍵技術，可以自動完成并準確地測量所需的數據，最終實現對噴霧機以及關鍵部件的各項性能指標的綜合測試[5-7]。

4 結語

國內部分農林類高校已經開設了農業智能裝備工程新專業，并設置了智能農業裝備技術等相關課程，但是課程的教學內容、教學模式、教學方法等尚不健全，課程建設需要不斷地深入優化。本文以河南農業大學為例，從課程教學目標與要求、理論教學內容與教學方法、實驗教學內容等方面對智能農業裝備技術課程建設與應用進行了研究與探討，以提高課程建設質量與水平，提高學生對智能農業裝備與技術的學習興趣與積極性，為國家開展智能農業裝備人才培養提供了一定的參考。