虛擬仿真在聯合收割機構造與維修實踐教學中的應用

李 偉,趙夢龍,張東鳳,繆士貴,王平會

(1.江蘇農林職業技術學院,江蘇 句容 212400;2.江蘇省現代農業裝備工程中心,江蘇 句容 212400)

0 引言

2017年,教育部印發了“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”,計劃到2020年遴選出1 000項示范性虛擬仿真實驗教學項目[1]。在全國范圍內引起了廣泛關注,國內高校掀起了積極開發應用虛擬仿真教學項目的熱潮。中國農業大學建立了機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心[2];中國科技大學開發了幾何光學虛擬仿真實驗平臺[3];山東農業大學建立了國家級農業機械化及其自動化虛擬仿真實驗教學中心[4];九江職業技術學院開發了船體結構虛擬仿真實訓平臺[5]。

近年來,虛擬仿真向著多元化、個性化、跨學科應用、技術融合與創新、實驗和實踐結合,以及促進教育公平等方向發展。未來,虛擬仿真將更加注重學習者的體驗和參與,為教育帶來更多可能性。

聯合收割機構造與維修是現代農業裝備應用技術專業的核心課程,是整個專業課程非常重要的一環。傳統課程教學中的課程資源僅限課件、教案、視頻等二維資源和部分三維動畫,而聯合收割機結構尺寸大、重量大、內部結構復雜,導致聯合收割機構造原理和故障診斷與排除教學中存在結構不清晰、技能操作難開展等突出問題,課堂教學效果不理想,難以激發學生的學習興趣。此外,聯合收割機作業部分檢修,如割刀對中、割刀間隙檢查與調整、動刀片更換等;底盤部分檢修,如履帶張緊度檢查與調整、履帶更換等,在技能操作時存在安全隱患,操作不當會造成人身傷害事故[6-7]。借助虛擬仿真技術,開展虛擬仿真教學平臺建設,與理論教學相結合,為學生營造沉浸、交互、感知、智能的學習體驗氛圍,可有效提升學生學習效果。

1 虛擬仿真在實踐教學中的作用

虛擬仿真已成為高校實踐教學的重要組成部分。隨著多媒體技術、信息技術、網絡教學的興起,高校各學科的教學模式發生了巨大變化,信息化教育已引發高校教育理念和教學模式的深刻變革。虛擬仿真技術在現代農業裝備應用技術專業實踐教學中有著突出優勢。

1)虛擬仿真技術將實踐教學中難以展現的結構和存在危險的實踐教學環節,以數字動態模型和三維虛擬仿真形式呈現,不再擔心學生安全問題,讓學生不受時間和空間的限制進行練習[8],有效解決了學生只能觀看、不能動手實操的尷尬處境,使學生能夠更好地掌握聯合收割機的構造、功用和整體布局。

2)通過聯合收割機虛擬仿真實訓系統,能夠清晰展示聯合收割機工作原理,進行零部件的組裝、技術參數的檢查與調整、聯合收割機故障診斷與排除等虛擬操作,學生對所學專業知識有更加深刻的理解并綜合運用,培養學生在生產實踐中分析和解決各種問題的能力。

2 虛擬仿真實訓平臺建設

考慮到聯合收割機的復雜程度,運用Unity三維虛擬仿真技術結合VR等相關設備,將信息化、數字化、可視化技術引入聯合收割機構造與維修實訓教學中,通過漫游功能使學生在虛擬的全喂入聯合收割機上,進行現實場景的沉浸式體驗,提高學生在聯合收割機構造與維修實訓中,對場景和設備的正確認識,從而增強學生實際操作的正確率,避免重復性錯誤。

首先,規劃設計履帶式全喂入聯合收割機故障診斷與排除虛擬仿真實訓系統的功能要素,包括結構認知、故障診斷與排除和綜合考核;其次,準備和收集仿真系統相關素材,包括圖片、文字、音樂、視頻、動畫等,對素材進行篩選并重新創作,保證素材符合仿真系統的標準和設計要求;然后,用三維建模工具3Dmax,把聯合收割機的故障診斷與排除實驗實訓中的環境和操作對象進行建模,還原現實場景,導出符合聯合收割機相關標準的模型,模擬真實工作環境;最后,基于Unity整合所有素材和資源,并進行設計操作的交互方式,對系統進行優化和發布測試。履帶式全喂入聯合收割機故障診斷與排除虛擬仿真實訓系統如圖1、圖2所示。

圖1 履帶式全喂入聯合收割機虛擬仿真實訓系統模型

圖2 履帶式全喂入聯合收割機故障診斷與排除虛擬仿真實訓系統室內實訓場景

3 虛擬仿真在實訓中的應用

3.1 虛擬仿真實訓內容

聯合收割機構造與維修授課對象為現代農業裝備應用技術專業三年級學生,學生已經學習了農用發動機構造與維修、農機底盤構造與維修、耕種機械構造與維修、田間管理機械構造與維修,對典型農業機械的構造、原理、使用與維護有一定的基礎。為了更好地展示履帶式全喂入聯合收割機結構與技能操作要領,虛擬仿真內容從兩個方面進行設置:1)聯合收割機的構造及工作過程;2)聯合收割機典型故障與排除。

通過信息化仿真手段展示聯合收割機整體構造及工作過程,實現撥禾喂入部分、輸送部分、脫粒清選部分、底盤部分典型故障虛擬診斷及排除,豐富教學內容、增加師生互動、調動積極性、提高教學的安全性、節約教學成本、激發學生創新積極性、提高學生對履帶式全喂入聯合收割機故障與排除相關知識及技能的認識,為“虛實結合”聯合收割機真機實訓做好鋪墊,提升教學效果、節省教學損耗、降低安全風險、提高教學效率[9]。

3.2 虛擬仿真實訓過程

打開履帶式全喂入聯合收割機故障診斷與排除虛擬仿真實訓軟件,單擊“開始實驗”,如圖3所示,進入實驗模塊。首先單擊聯合收割機整機結構及工作過程模塊,如圖4所示,對發動機、駕駛室、割臺、輸送裝置、脫粒清選部分、糧倉、卸糧筒、底盤部分、液壓系統和電氣系統進行結構認知,通過功能演示熟悉各部分的工作原理,通過稻麥收獲作業工藝流程演示,熟悉聯合收割機的動力傳遞路線、工作原理及各部件之間的銜接配合情況,如圖5所示。

圖3 履帶式全喂入聯合收割機故障診斷與排除虛擬仿真實訓系統界面

圖4 履帶式全喂入聯合收割機故障診斷與排除虛擬仿真實訓系統功能模塊

圖5 聯合收割機整機結構及工作過程認知實驗界面

完成聯合收割機整機結構及工作過程認知后,即可進行第二個模塊的學習。同樣方法,單擊聯合收割機典型故障及排除模塊,進入虛擬故障排除界面后,再可分模塊進行各部分技術參數的檢查與調整,項目操作前會提示佩戴安全護具,培養學生安全意識。操作時,界面會彈出該項目的標準技術參數和目前的實際參數值,學生根據操作內容選擇合適的工量具,在進行技術參數調整時會嚴格按照擬定的操作規程進行,當出現操作步驟錯誤或工具使用錯誤時,界面會彈出錯誤提示,幫助學生養成規范操作意識。各模塊完成后,進行履帶式聯合收割機綜合故障診斷與排除虛擬練習。

以撥禾喂入部分虛擬檢修為例進行說明。進入檢修模塊,選中割臺部分,單擊撥禾喂入部分檢修模塊,如圖6所示。作業前進入準備工作,彈出安全護具選擇界面,選中工作服、勞保靴、頭盔,然后啟動發動機,將割臺降至地面,撥禾輪降至最低位置,熄火。光標放至撥禾輪,右擊鼠標,在下拉菜單里選中撥禾輪高度檢查與調整,在工具車選擇合適檢修工具,單擊右側提示按鈕,查看撥禾輪高度基準值,檢查目前撥禾輪高度的實際情況,參照基準值進行調整。調整時要注意,左右兩側高度要一致,確保撥禾輪水平。調整結束后,進行復查,再次檢查左右兩側撥禾輪升降油缸高度情況,直至符合技術要求再擰緊、鎖緊螺母。

圖6 履帶式全喂入聯合收割機故障診斷與排除虛擬仿真實訓系統撥禾喂入部分檢修

3.3 虛擬仿真應用成效

從2020年開始,江蘇農林職業技術學院建成并開始投入使用聯合收割機虛擬仿真實訓系統,進行聯合收割機構造與維修實踐教學。從課堂教學效果來看,學生學習自主性和積極性明顯增強、學習成效顯著。三年來,學生綜合成績較2020年以前平均提升了28%,2022年學生參加學院技能大賽聯合收割機維修賽項獲一等獎,學生就業后技能水平、工作能力受到用人單位的高度認可。

教師教學能力顯著提升。2022年團隊成員制作的“履帶式全喂入聯合收割機切割器的檢修”獲全國農機使用技能培訓優秀課件;“履帶式全喂入聯合收割機動力傳動與脫粒清選部分檢修--以東華4LZ-5.2和久保田PRO988Q 等為例”獲江蘇省農民培訓優秀教學資源(視頻)評比一等獎;2023年教學團隊參加江蘇省職業院校教學能力比賽榮獲二等獎。

4 結語

虛擬仿真可將復雜的機械結構進行可視化重構,學生可在機械未解體的狀況下,清晰地看到聯合收割機復雜部件的內部構造、連接情況、工作原理。通過虛擬仿真軟件對聯合收割機各工作部件的技術狀態進行虛擬檢修,降低了實際教學中的耗材成本,同時大大降低了實操練習中的安全隱患,此技術具有很好的教學應用價值。