大型高地隙噴桿噴霧機工作參數(shù)調(diào)控虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)與實踐*

劉玉成 楊啟志 徐立章 毛罕平

1 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

2 江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室 江蘇鎮(zhèn)江 212013

0 引言

教育部分別于2017 年7 月和2018 年6 月發(fā)布了《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4 號）[1]和《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》（教高函〔2018〕5 號）[2]。《通知》明確：至2020 年，共認(rèn)定示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目1 000 項左右，以推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)項目深度融合，提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平[3]。國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目作為教育部著力打造的5 大類“金課”之一，始終堅持“兩性一度”的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[4]，是“互聯(lián)網(wǎng)+”在高教領(lǐng)域中的實踐和發(fā)展，推動了虛擬仿真教學(xué)在高教領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[5-6]。

依托于江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程的學(xué)科優(yōu)勢和專業(yè)底蘊，堅持需求導(dǎo)向，緊密結(jié)合專業(yè)特色和行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最新成果，堅持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的原則，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于大型高地隙噴桿噴霧機實踐教學(xué)，所申報的“大型高地隙噴桿噴霧機工作參數(shù)調(diào)控”虛擬仿真實驗教學(xué)項目被認(rèn)定為2019 年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目，并入駐教育部國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺[7]。大型高地隙噴桿噴霧機工作參數(shù)調(diào)控虛擬仿真實驗利用現(xiàn)代信息技術(shù)，讓學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境下自主開展大型高地隙噴桿噴霧機虛擬仿真實驗，實現(xiàn)理論知識與實踐教學(xué)相融合，滿足了農(nóng)業(yè)機械化及自動化、農(nóng)業(yè)電氣化、農(nóng)業(yè)工程等專業(yè)課程實踐教學(xué)的需要，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和實踐創(chuàng)新能力，是提升農(nóng)機專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)水平的有益探索。

1 開展大型高地隙噴桿噴霧機工作參數(shù)調(diào)控虛擬仿真實驗的必要性

1.1 農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展的要求

“農(nóng)機裝備”是“中國制造2025”計劃的十大重點領(lǐng)域之一，大型高地隙噴桿噴霧機等農(nóng)業(yè)裝備是目前植保研究領(lǐng)域的核心產(chǎn)品之一。大型高地隙噴桿噴霧機是典型多學(xué)科交叉融合的機械裝備，融合了多種常用噴霧機的結(jié)構(gòu)特點，功能多、自動化和智能化程度高[8]。開展大型高地隙噴桿噴霧機實驗項目建設(shè)有利于學(xué)生掌握現(xiàn)代化高性能農(nóng)業(yè)裝備多學(xué)科交叉融合的設(shè)計理念、設(shè)計方法與技術(shù)，獲得研發(fā)實踐經(jīng)驗。

1.2 農(nóng)機專業(yè)的課程需求

農(nóng)業(yè)機械學(xué)是農(nóng)業(yè)機械化及自動化專業(yè)的兩大核心專業(yè)課程之一，該課程重點講述典型農(nóng)業(yè)機械的類型、結(jié)構(gòu)和工作原理等，對學(xué)生理解和掌握農(nóng)業(yè)機械設(shè)計知識十分重要[9]。大型智能化噴桿噴霧機實驗是農(nóng)機方向?qū)W生的必修實踐環(huán)節(jié)。在基礎(chǔ)性噴霧原理實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強大型植保機械實驗建設(shè)，符合農(nóng)機專業(yè)的課程發(fā)展要求。

1.3 大型噴桿噴霧機實驗教學(xué)的現(xiàn)實需求

在實際中，開展大型噴桿噴霧機實驗教學(xué)面臨多種困難：1）大型高地隙噴桿噴霧機現(xiàn)場實驗受農(nóng)作物生長季節(jié)與時令影響較大，時間跨度較長，無法實現(xiàn)田間管理期間植物不同生長階段的施藥場景再現(xiàn)；2）噴霧施藥具有一定毒害性，現(xiàn)場施藥實驗安全隱患大；3）大型噴桿噴霧機的在線混藥在密閉的高速射流器內(nèi)進(jìn)行，學(xué)生根本無法看到藥液的實時在線混合及管路輸送情況；4）大型噴桿噴霧機操作復(fù)雜，需要高水平現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械操作實驗員及復(fù)雜大型的實驗場地；5）大型噴桿噴霧機價格昂貴，維護(hù)使用成本較高。

2 大型高地隙噴桿噴霧機工作參數(shù)調(diào)控虛擬仿真實驗的建設(shè)

2.1 建設(shè)目標(biāo)

借助大型高地隙噴桿噴霧機虛擬仿真實驗可大幅降低實驗成本、提高實驗安全性和實驗效率。通過虛擬仿真實現(xiàn)大型高地隙噴桿噴霧機工作參數(shù)調(diào)控，使學(xué)生短時間內(nèi)快速了解大型高地隙噴桿噴霧機的組成原理、工作原理，掌握大型噴桿噴霧機的結(jié)構(gòu)特點、組成及其拆解原理，掌握大型高地隙噴桿噴霧機工作參數(shù)調(diào)控原理，為今后從事現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)打下良好基礎(chǔ)。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

本虛擬仿真實驗教學(xué)項目開發(fā)的虛擬仿真實驗項目平臺包含兩個實驗?zāi)K。

模塊一：工作參數(shù)調(diào)控虛擬仿真預(yù)實驗（選做）

該模塊由學(xué)生在課下自學(xué)完成，主要內(nèi)容是對重要零部件的結(jié)構(gòu)特點、組成原理進(jìn)行靜態(tài)觀察，通過“學(xué)習(xí)”或“考核”模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)認(rèn)知，并可考核打分。

模塊二：工作參數(shù)調(diào)控虛擬仿真實驗（必做）

在項目進(jìn)入頁面的右側(cè)菜單，可以完成“實驗要求”“實驗臺”（實驗操作）“實驗報告”“考核題目”“互動反饋”等功能。

在“學(xué)習(xí)”模式中，通過軟件在線參數(shù)調(diào)控知識和操作錯誤的提示，了解如何設(shè)定噴桿噴霧機的不同工作參數(shù)（生長階段、株高、行距、稠密度、藥液比、速度、農(nóng)作物品種、工作狀態(tài)等），自動顯示整機不同的場景。隨后，整機動態(tài)仿真加載，模擬實際工況工作。用戶可以多角度觀察整機的動態(tài)模擬，也可選擇特定部件進(jìn)行局部動態(tài)觀察。

在“考核”模式中，選擇一種預(yù)設(shè)的典型農(nóng)場情景，進(jìn)行無提示設(shè)定各項參數(shù)（操作題），對設(shè)定結(jié)果正確性進(jìn)行判斷，操作錯誤時，錯誤提示，糾正全部錯誤后進(jìn)行噴霧機田間的噴施運動仿真。同時根據(jù)不同參數(shù)調(diào)控的分?jǐn)?shù)比，自動在線打分，判定操作者對噴霧機工作參數(shù)調(diào)控操作知識的掌握程度。尤其注意的是，虛擬調(diào)控操作可以單人完成，也可以多人協(xié)作，在線統(tǒng)一并在教師指導(dǎo)下完成。考核模式分“單人操作”與“多人操作”兩種方式。

2.3 教學(xué)方法

采用沉浸互動式、研究型、多人團隊協(xié)作的實驗教學(xué)方法，學(xué)生在操作時，應(yīng)先了解噴桿噴霧機各機械結(jié)構(gòu)及其工作原理，然后掌握噴桿噴霧機的各工作參數(shù)的工程意義及調(diào)節(jié)依據(jù)。其次，在虛擬情境下，根據(jù)農(nóng)田作物的實際苗情，選擇“個人操作”模式或“多人操作”模式操作機器，獲得合理的工作參數(shù)。此過程有利于學(xué)生加深對大型噴桿噴霧機設(shè)計及噴霧原理的理解，樹立“農(nóng)機與農(nóng)藝相融合”的設(shè)計思想，形成團隊協(xié)作精神，最終實現(xiàn)“知與行”“虛與實”“個人與團隊”的有機統(tǒng)一。具體的實驗教學(xué)流程如圖1 所示。

圖1 實驗教學(xué)流程

教師可以采用多種方式實現(xiàn)與學(xué)生之間的互動，主要包括師生的在線與離線互動、課內(nèi)與課外互動、人機互動、基于問題的學(xué)生間的探討研究型互動以及團隊間的合作操作。該虛擬仿真實驗強調(diào)以學(xué)生為中心，主張以學(xué)生的合作學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔，師生共同完成實驗項目。學(xué)生在實驗過程的各個環(huán)節(jié)都可以獲得教師的指導(dǎo)或系統(tǒng)的智能指導(dǎo)，便于發(fā)現(xiàn)問題并及時修正，最終成功實現(xiàn)噴桿噴霧機的仿真運動（如圖2 所示）。

圖2 噴霧機的運動仿真

2.4 教學(xué)效果

噴桿噴霧機的結(jié)構(gòu)組成及工作參數(shù)調(diào)控是大型高地隙噴桿噴霧機設(shè)計中非常重要的教學(xué)內(nèi)容。本虛擬仿真實驗以大型高地隙噴桿噴霧機工作參數(shù)調(diào)控為核心內(nèi)容，能使學(xué)生通過自行設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，將抽象概念轉(zhuǎn)化為直觀、可視化的仿真圖形、數(shù)據(jù)等。學(xué)生可進(jìn)行重復(fù)模擬，全面深刻地認(rèn)知和理解多種關(guān)鍵技術(shù)，為進(jìn)一步設(shè)計類似大型現(xiàn)代化噴霧機打下堅實基礎(chǔ)，并提高學(xué)生的專業(yè)興趣和理論聯(lián)系實際的能力。

3 虛擬仿真實驗教學(xué)項目的應(yīng)用和持續(xù)建設(shè)

大型高地隙噴桿噴霧機工作參數(shù)調(diào)控虛擬實驗項目正式線下試用時間為2018 年7 月，除用于江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)機械化專業(yè)的必修實驗課程教學(xué)，還用于學(xué)校的機械工程、車輛工程、農(nóng)業(yè)電氣化與自動化、能源與動力工程等專業(yè)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，取得了令人滿意的實驗效果。

同時，該虛擬仿真實驗教學(xué)項目已向中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、寧夏大學(xué)和安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)等兄弟院校和研究院所免費開放，服務(wù)其進(jìn)行涉農(nóng)工科實踐或?qū)嶒灜h(huán)節(jié)的教學(xué)工作。同時，2019 年江蘇大學(xué)申報的“大型高地隙噴桿噴霧機工作參數(shù)調(diào)控虛擬仿真實驗”成功入駐教育部國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺（如圖3 所示），并向全國用戶免費在線開放使用。

圖3 教育部“實驗空間”官方網(wǎng)站本虛擬仿真實驗教學(xué)項目界面

該項目將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶反饋的意見和學(xué)科的新發(fā)展，逐步更新和完善項目內(nèi)容，增加相應(yīng)的功能模塊，突出針對性、實用性和操作性，逐步擴大項目的推廣范圍和推廣深度。

3.1 持續(xù)豐富項目建設(shè)內(nèi)容

在現(xiàn)有平臺功能的基礎(chǔ)上，直接與學(xué)校科研項目對接，延伸平臺的功能，進(jìn)一步優(yōu)化并打造具有鮮明特色的虛擬仿真實驗，增強人機交互性，滿足校際間、校企間不同類型用戶的需求；增強平臺穩(wěn)定性，提高共享服務(wù)能力和虛實統(tǒng)一管理能力，結(jié)合學(xué)校農(nóng)機類虛擬仿真實際教學(xué)情況，建立多平臺合一的校級開放式虛擬仿真教學(xué)管理平臺。

3.2 面向高校的教學(xué)推廣應(yīng)用計劃

在滿足學(xué)校農(nóng)業(yè)機械化及其自動化、農(nóng)業(yè)智能裝備工程、農(nóng)業(yè)電氣化與自動化等專業(yè)需求的同時，積極向省內(nèi)外，尤其是向邊遠(yuǎn)地區(qū)高校進(jìn)行推廣應(yīng)用。與相關(guān)高校協(xié)作，推動農(nóng)業(yè)工程類虛擬仿真實驗的共建、共享，以及教學(xué)實踐環(huán)節(jié)的學(xué)分互認(rèn)。

3.3 面向社會的推廣應(yīng)用計劃

充分發(fā)揮社會服務(wù)功能，一方面重點服務(wù)大中型農(nóng)業(yè)裝備企業(yè)、農(nóng)業(yè)局、農(nóng)機站、農(nóng)機公司等單位的人員培訓(xùn)，根據(jù)企業(yè)對人才的需求，定制實驗課程和資源庫，強化校企合作的人才培養(yǎng)；另一方面將虛擬仿真實驗教學(xué)平臺應(yīng)用到產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量管理、產(chǎn)品售后服務(wù)的各個環(huán)節(jié)。

4 結(jié)束語

由于設(shè)備價值高、實驗場地大、實驗材料（農(nóng)藥）有毒且污染環(huán)境等現(xiàn)實問題，開展隙噴桿噴霧機實物實驗教學(xué)十分困難。大型高地隙噴桿噴霧機虛擬仿真實驗?zāi)軌驖M足自主研習(xí)、知識應(yīng)用、興趣實現(xiàn)等方面的需求，在促進(jìn)農(nóng)機專業(yè)人才培養(yǎng)、專業(yè)課程優(yōu)化和實驗教學(xué)改革等方面起到了重要的作用。