智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地建設研究與實踐

摘" 要：該文通過梳理目前國內虛擬仿真實訓基地建設存在的問題，對比借鑒國內外先進經驗，從虛擬仿真基地環境建設、仿真資源建設、虛擬仿真實訓基地綜合服務平臺建設、運營管理模式4個方面進行研究，結合智慧農業裝備產業特色，在校企合作共創共建共享的實踐過程中，全面落實育訓并舉職責，探索解決基地整體管理資源調配共享難、“三高四不”等教學難題，為智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地建設提供理論指導。

關鍵詞：智慧農業；農業裝備；虛擬仿真；實訓基地；虛擬仿真基地

中圖分類號：G647" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）16-0018-04

Abstract： By combing the problems existing in the construction of domestic virtual simulation training base， and comparing the advanced experience at home and abroad， this paper starts with four aspects： the environment construction of virtual simulation base， the construction of simulation resources， the construction of comprehensive service platform of virtual simulation training base， and the mode of operation and management， this paper considers the characteristics of smart agricultural equipment industry， and comprehensively implements the responsibility of education and training in the practical process of co-construction and sharing between schools and enterprises， to explore and solve the teaching problems such as the difficulty of resource allocation and sharing in the overall management of the base， such as \"Three Highs and Four Don'ts\"， so as to provide theoretical guidance for the construction of virtual simulation training base for smart agricultural equipment.

Keywords： smart agriculture; agricultural equipment; virtual simulation; training base; virtual simulation base

近年來，國家持續關注虛擬仿真實訓基地建設，不斷加強政策指導，投入大量資金支持，各大高校積極響應行動，轉變思想實施數字化轉型，探索利用虛擬現實新技術改革傳統教育教學模式的新途徑，解決職業教育教學實訓課程中的“三高三難”問題，提高教學質量，對接區域產業發展，培養符合企業需求的技能型人才，推動虛擬仿真實訓基地建設邁向新臺階。在這樣的背景下，研究智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地建設成為職業教育面臨的新課題。

1" 研究意義

1.1" 學術意義

一是豐富了智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地研究內容。由于國內虛擬仿真技術應用研究起步晚，研究成果較少，理論積淀較為單薄，因此本研究依據智慧農業裝備人才培養邏輯體系分析，從基地環境建設、資源建設、平臺建設等多維度探索，一定程度上充實了智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地建設的理論研究。

二是完善傳統的教學模式。利用數字化技術和虛擬現實技術，模擬真實的場景和情境，使學生身臨其境地參與到實際操作和決策中，打破傳統教室教學限制，提供更加靈活多樣的學習方式，激發學生的學習興趣和動力。

1.2" 應用意義

一是提升高職院校社會服務能力。聚焦智慧農業裝備產業發展，提升專業技能人才培訓質量，培訓數以萬計的高素質專業技能人才，具有助推區域經濟社會發展的應用價值。

二是校企互惠共贏。基地建設創建以學校為主體，企業輔助運行的管理模式，有利于優化調配校企雙方資源，有機結合教育鏈與產業鏈，達到互惠共贏目標。

2" 國內外研究現狀

2.1" 國外研究現狀

通過對Web of Science外文數據庫檢索，對77 236篇關于虛擬仿真研究的文獻進行可視化分析，形成年度發文量趨勢圖（圖1）和數據聚類點云圖（圖2）。

自2000年至今關于虛擬仿真的研究熱度呈現上升趨勢，研究較為集中的領域包括：虛擬仿真（virtual reality）、虛擬仿真技術（virtual reality technology）、虛擬仿真系統（virtual reality system）等。

2.2" 外文高引用文獻簡述

虛擬仿真實訓廣泛應用研究助力行業發展。Gavish[1]研究分析VR和AR平臺用于工業維護和裝配（IMA）任務時，AR解決問題能力較高，應鼓勵使用AR平臺來訓練IMA任務。Makransky[2]對參加2×2交叉實驗的52名大學生分析研究得出VR在教育和培訓方面具有激勵特性。Makransky[3]通過對比分析沉浸式VR、桌面VR和傳統安全手冊3種媒體，發現在物理實驗室環境中解決問題、內在動機、自我效能感上VR具有顯著成效。Turso-Finnich[4]綜述虛擬現實模擬培訓在醫學教育領域中的應用，得出虛擬現實頭戴式顯示器優于傳統的外科手術學習方法。

2.3" 國內研究現狀

通過對中國知網關于“虛擬仿真實訓”的666篇文獻進行可視化分析，形成發表年度趨勢圖（圖3）和主要主題分布圖（圖4）。

我國虛擬仿真實訓起步較晚，2019年發文量達到短暫峰值后研究趨勢呈現波浪式發展，總體研究狀況呈上升趨勢。關于虛擬仿真實訓基地建設的研究主要集中在“虛擬仿真”“仿真實訓”“仿真實訓平臺”等領域。

2.4" 國內核心文獻簡述

虛擬仿真實訓基地建設全方位多元素投入。王曉光[5]提出硬件設施基礎建設是教育教學工作開展的核心場所，加大基礎設施投入十分重要。王強[6]提出建設高水平師資團隊，采用多元化用人制度，培育“雙師型”人才，是虛擬仿真實訓基地建設的重點。黃德軍等[7]提出綜合型教學管理平臺是實現遠程教學指導的有效途徑。楊壯[8]認為高等學校的虛擬仿真實訓基地建設中要吸引多方渠道的投資，實行校企合作方式。曾照香等[9]認為要想建立新時代的智能化的虛擬仿真實訓基地，就要把實訓場景和平臺、仿真資源以及師資力量和管理系統都完善起來。

國內外學者對虛擬仿真技術應用做了大量研究，一致認可虛擬仿真實訓基地建設的重要性，但目前虛擬仿真實訓基地建設研究中仍然存在不足之處，如社會服務度低、仿真資源利用率低、基地運行管理機制落后等。本文在現有基礎上研究符合高職院校人才培養的智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地建設，完善并解決以上存在的不足之處。

3" 研究目標及重點解決問題

虛擬仿真實訓基地緊密對接區域智慧農業裝備產業人才、技術需求，打造國內開放共享的工業虛擬現實中心，服務區域經濟社會發展，建成匯集紅色教育、安全教育、智慧農業裝備虛擬現實公共體驗中心，形成完善的制度標準和管理機制，提供可借鑒的模式和經驗，開展多層次技能培訓形成社會服務品牌。

滿足企業對數字化人才的需求。目前眾多企業已實現智能化管理，需要大量掌握物聯網控制、智能化管理等數字化復合型技能人才，高職院校為企業開發車間虛擬仿真數字孿生系統，承接企業數字孿生工廠、智能溫室建設項目、園林景觀設計項目、工程建設管理項目、綠地養護項目、智慧農機裝備仿真生產線項目，重點解決企業對生產、管理、人員、設備、事件、物流、環境的全面監測，幫助企業解決工廠信息不透明、監控分散、信息反饋不及時等問題，滿足企業對數字化專業人才的需求。

實訓教學中高風險、難操作的設備存在較大安全隱患。通過智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地建設，實現專業數字化轉型，教學資源數字轉化提升，解決教育教學活動中看不到、進不去、難操作、成本高及危險性大等問題。有效解決職業教育實訓破解“三高三難”問題，既是改革傳統教學育人手段，推進人才培養模式創新的迫切需要，也是強化教學、學習、實訓相融合的需要。

4" 研究內容

4.1" 環境建設研究

環境建設是實訓基地建設的基礎，實訓基地在原有的仿真實訓基礎上，緊密結合智慧農業裝備、智能控制裝備與專業課程，打造6大功能區：紅色教育和安全教育體驗區、仿真資源開發區、職業體驗實訓區、工業仿真實訓區、全息3D實訓區、虛實一體實訓區。形成“教-學-做-創-用”閉環，打造集“展示體驗、教學實訓、創研開發、專業內涵提升”于一體的虛擬仿真實訓基地。

4.2" 資源建設研究

依據三層次實踐教學體系，分類建設虛擬仿真資源。依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，按照真實環境真學真做掌握真本領的要求，配套建設一批先進的裝備制造類虛擬仿真實訓資源，提供沉浸式、交互式實習實訓。通過半實物仿真、全虛擬仿真形式，替代在高危或極端的環境、不可及或不可逆以及高成本、高消耗的操作，解決“看不見、進不去、動不了、難再現”的實訓教學難題。

4.3" “教學訓評管”綜合服務平臺建設研究

基于“云物大智移”技術，按照“統一規劃、資源共享、統一集成、快捷實施”的原則，研究“教學訓評管”綜合服務平臺建設，聯通設備與管理平臺、管理平臺與各教學平臺，解決數據孤島、難管理的問題。以智能化的手段，促進信息技術和智能技術深度融入理論教學和實訓教學，從各個維度獲取、監控、分析理論教學數據與實訓教學數據，為學校提供全方位的教學管理與大數據分析。

4.4" 運營管理模式研究

為保障智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地建設和運行始終與現代智能裝備行業新技術、新工藝發展同步，充分發揮基地的資源優勢，組建實訓基地校企共建聯合體，設立基地管理辦公室，建立信息化教學管理平臺，構建完善的基地管理評價體系，形成區域合作共建共享運營管理模式，達到優質虛擬仿真實訓資源可持續應用的效果，創造更多社會服務價值。

5" 智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地建設實踐

5.1" 一流的虛擬現實環境建設

智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地按照各類學科虛擬仿真技術需求，投入硬件建設搭建軟件平臺打造六大功能區。

紅色教育和安全教育體驗區。建有沉浸式VR紅色教育和安全教育實訓室，配備立體曲面LED屏、智能一體化操控臺、3D立體眼鏡等。開展紅色思政教育，全景思政資源、思政課程教學資源、思政教學實踐管理及精神譜系等，配合豐富生動的內涵解讀、影像講解，靈活多變的三維沉浸式體驗，突破傳統授課理論枯燥難題，提高學生的學習興趣。通過全息3D交互機、VR頭盔等設備，沉浸式體驗地震、洪水、防溺水、高危作業的安全教育。

仿真資源開發區。建有三維掃描建模、全景制作實訓室，配備工業級3D打印機、物體3D掃描儀、工業級手持式三維掃描儀等，以學校為主體企業輔助合作實現VR/AR/MR資源項目開發，同時引導學生自主研發，培養創新能力。

職業體驗實訓區。建有沉浸式VR職業體驗實訓室，配備環幕立體投影、無線VR多人協同頭盔等。以智能裝備、智慧農業裝備、智能控制裝備為主，采用虛擬互動的形式，開展產業認知、職業認知安全教育、創新創業等教育，深入學習產業發展和奮斗歷程，身臨其境地對機械裝備等工作崗位進行認知學習，以虛擬仿真引領學生創新創業，提高學生的學習興趣。

工業仿真體驗區。建有智能控制裝備、智慧農業裝備仿真實訓中心，配備工作站、VR虛擬現實頭顯示設備、虛擬現實教學系統、VR設備智能中控系統、西門子智能控制虛擬仿真系統、智能生產線虛擬仿真系統、智慧農業管養VR虛擬仿真軟件、園林綠地智慧管養平臺、數字孿生園林項目實訓仿真軟件、園林工程施工管理虛擬仿真軟件以及園林綠化與養護虛擬仿真軟件等。針對企業大型生產線類實驗項目，開展智能生產線虛擬仿真、智能控制虛擬仿真教學，實現企業生產場景進課堂、理虛訓結合教學。

全息3D實訓區。建有全息3D實訓室，配備3D跟蹤眼鏡、3D定位筆、桌面式全息3D交互機等，構建全息3D的虛擬現實實訓系統，搭載全息資源供學生虛擬實驗，實現2 000個立體模型交互性、可拆卸性操作，系統內置創客創意課程，具備虛擬現實課件三維建模及制作功能。為教師研發互動式三維課件提供便利，模型制作完成可直接導入課件無需渲染，同時可利用3D打印機將模型打印。

虛實一體實訓區。建有智慧農業、智能裝備虛實一體化中心，配備智能農機裝備、智能溫室虛擬仿真平臺、VR圖形工作站、沉浸式虛擬現實頭戴顯示設備和VR空間定位系統等。虛擬仿真系統與實訓硬件同時部署在真實教學現場，特別是智能農機裝備加工實訓、智能控制、高壓電器系統等，完成以實帶虛、以虛助實、虛實結合的教學效果顯著。

5.2" 豐富的虛擬現實資源

為解決“看不見、進不去、動不了、難再現”的教學難題，實現企業生產進課堂。校企合作開發智能控制虛擬仿真資源、智慧農業虛擬仿真資源、節水灌溉數字孿生資源、智慧園林建管養設備虛擬仿真資源、智慧農業管養VR虛擬仿真軟件、園林綠化與養護虛擬仿真軟件和園林工程施工管理虛擬仿真軟件，涵蓋智慧農業裝備產業技能學習中大型、危險、高成本及難操作等真實教學場景資源，將信息化與課堂教學有機結合，教學效果顯著提升。

5.3" 搭建智能化綜合服務平臺

智能化綜合服務平臺集教學訓評管于一體，打造虛擬仿真資源建設、智慧化教學、實訓設備管理、基地智慧化管理全生態服務。平臺本地化部署，服務器托管于學校信息中心機房。虛擬仿真管理平臺采用BS架構便于師生學習使用，虛擬仿真資源匯集本地自主研發及云資源，可提供API接口開放對接校園教務、學工等教育教學系統，解決信息孤島問題。平臺基于學生學習次數、易錯點、作業成績等大數據分析制定學習計劃，為學生提供個性化服務，便于學生自主學習。系統硬件運行狀態實時監控，異常狀態短信及時通知，實現中心無人值守的智能化管理。

5.4" 合作共建共享管理運營模式

在“政府引導、校校共建、校企共建”指導思想下，建立智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地的合作共建共享管理運營模式。設立專門管理機構，按照制度化、規范化、標準化要求，系統制定日常運行、績效考核、基地維護與可持續發展等管理制度，建立有利于激勵學生學習和提高學生創新能力、提高各級各類培訓質量的教學效果考核、評價和反饋機制，全面引領虛擬仿真基地建設。

6" 結束語

智慧農業裝備虛擬仿真實訓基地將虛擬現實（包括VR虛擬現實、AR增強現實、MR混合現實）賦能前沿智能裝備領域，創新實訓形式和服務模式，開展行業應用示范，讓師生通過虛擬現實沉浸式的授課學習，認識智能裝備產業的新產品、新業態、新模式，提升對現代工業的認知，為區域經濟高質量發展的新引擎和新動能助力。

參考文獻：

[1] GAVISH N. Evaluating virtual reality and augmented reality training for industrial maintenance and assembly tasks[J]. Research Policy，2015，23（6）：778-798.

[2] MAKRANSKY G. Adding immersive virtual reality to a science lab simulation causes more presence but less learning[J]. Research Policy，2019，60：225-236.

[3] MAKRANSKY G. Motivational and cognitive benefits of training in immersive virtual reality based on multiple assessments[J]. Social Studies of Science，2019，35（6）：691-707.

[4] TURSO-FINNICH T. Virtual Reality Head-Mounted Displays in Medical Education A Systematic Review[J]. Econometrica，2023，18（1）：42-50.

[5] 王曉光.職業院校虛擬仿真實訓基地建設模式探索[J].青海教育，2021（Z3）：92，94.

[6] 王強.高原高寒地區交通建造虛擬仿真實訓基地應用研究[J].青海交通科技，2021，33（3）：32-38.

[7] 黃德軍，何文勝.虛擬仿真實訓基地支撐體系研究——以食品藥品類專業為例[J].無線互聯科技，2021，18（17）：125-127.

[8] 楊壯.電力綜合虛擬仿真實訓基地建設的探索與實踐[J].中國新通信，2022，24（8）：44-4.

[9] 曾照香，劉哲，李金亮.新時代職業院校智能裝備虛擬仿真實訓基地建設研究[J].教育與職業，2022（9）：109-112.