旱地机械化耕种作业虚拟仿真系统建设

董向前， 陈 雨， 宋正河， 陈 度， 王庆杰， 杜岳峰

（中国农业大学机械与农业工程国家级虚拟仿真实验教学中心，北京 100083）

0 引 言

农业机械与设备是农业机械化及自动化、农业工程专业的专业核心课程，课程要求掌握各种农业机械的构造、工作过程、原理和有关理论，所需牵引力、功率耗用、与拖拉机的连接配套和使用调整。作为主要的专业实验课程，农业机械化生产实验是验证理论知识、培养学生分析问题和解决问题能力的重要手段［1-2］，对培养学生的动手能力、生产实践以及科研能力都具有重要意义。

受农业生产作业条件、生产方式等因素影响，农业机械具有种类繁多、作业复杂、生产季节性强、作业时间短等特点［3］，导致在农业机械化课程实验教学中，难以全面开展综合性、创新型机械化农田作业生产实习，仅仅依靠模型演示、动画模拟、现场观摩等教学形式，学生很难深入理解复杂农业装备的功能原理、作业性能和智能测控等方面的知识点，进而造成学生无法在装备设计、实验验证、智能作业等模块中开展创新性的学习和实践。

近年来，随着现代信息技术的快速发展，虚拟仿真技术已广泛应用于实验教学，并且获得了显著教学效果［4-8］。虚拟仿真实验教学可以突破实体教学局限，拓展实验教学的广度和深度，延伸实验教学时间和空间，有效推进教学改革并提升实验教学质量［9-12］。

根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020 年）》和《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》的要求，工学院主动适应经济社会发展需求，遵循高等教育规律和人才成长规律，以培养大学生的实践能力和创新精神为本科教学质量的重要目标，结合农业机械实验课程的教学实践，为实现农业机械综合性实验体系的教学实践，依托机械与农业工程国家级实验教学示范中心和国家级虚拟仿真实验教学中心教学优势，基于“能实不虚，虚实结合”的原则，构建了旱地机械化耕种作业虚拟仿真实验教学系统，以弥补传统实验教学的不足，促进学生综合实践能力的提升。

1 虚拟仿真实验内容设计和建设

农业生产过程包括许多不同的作业环节，其中耕地、播种作业是两个极为重要的环节，耕地为作物生长创造适宜土壤条件，是作物丰收的基础，良好的播种是保证出苗齐全和禾苗茁壮的基础。农业生产中应用的典型耕种机械包括铧式犁、旋耕机、深松机、免耕播种机，在教学中要求掌握机械的结构、工作原理与拖拉机配套使用调整和田间作业性能等内容，涉及铧式犁犁体曲面形成原理及耕作性能、旋耕机刀片的配置、深松机松土破碎理论、免耕播种机重力切茬、动力驱动和秸秆流动防堵等防堵原理等相关知识。这些知识点在常规的教学中难以在较短时间内使学生对旱地机械化耕种作业机械的知识形成清晰直观的认识。

依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的旱地机械化耕种作业虚拟仿真实验环境和实验对象，按照基础型、提高型和研究型3 个层次设置实验内容，开发了旱地机械化虚拟仿真实验教学系统，学生在虚拟环境中开展交互性实验，能够在较短时间内对旱地机械化耕种作业机械的结构组成、功能原理和性能参数形成清晰直观的认识，并通过开放、自主、交互式学习，深入理解我国北方旱地机械化作业过程，从而达到《农业机械与装备》等相关课程教学大纲所要求的教学效果，全面提高学生实践能力。

1.1 引导短视频

实验由AR 动画开始，主要介绍旱地机械化耕种基本流程与典型机具应用场景。引导视频可让学生认识虚拟仿真技术的前沿以及实验教学的必要性和优势，激发学生学习兴趣；同时，让学生在“人-机-环境”系统中了解旱地机械化耕作的特点以及对机具设计的基本要求，有助于理论联系实际，提升实验虚实结合的效果，如田间作业中土壤-农业机械直接交互作用过程。

1.2 实验原理

实验原理包括典型耕种机具结构与拖拉机组挂接调整、田间作业性能测试等部分。利用三维数字化技术展示旋耕机、铧式犁、深松机、免耕播种机的构造与工作原理（见图1）；借助虚拟仿真技术构建高度仿真的田间实验环境和实验对象，对拖拉机机组田间作业的工作过程和原理进行模拟，通过参数化界面实现拖拉机耕种作业过程的可视化；依托多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，形成网上实践教学平台，遵循学生学习和认知的客观规律，打破相对独立的各个教学环节，将课程中大量碎片化的知识系统化，创造以学生为中心的虚拟学习环境，提升学生的自主学习和实践创新能力。

图1 耕种作业机械三维建模

1.3 实验材料

农业机械的作业对象为生物及其生长的环境如种子、作物、土壤、肥料等，由于它们种类繁多、形状复杂、物理机械性质多变并且软弱易伤，为保障农业机械作业的要求，实验中必须设置合理的物料性状，满足各项作业的农业技术要求。此外实验中需要预设拖拉机耕作作业参数如行驶速度、动力输出轴转速、耕作深度、作业幅宽、土壤参数；免耕播种机作业参数如行驶速度、播种量、播深、行距、株距、土壤参数、秸秆覆盖量等。

1.4 实验操作

实验方法和基本流程如下：登录虚拟仿真实验教学平台，下载实验任务书，按照系统要求和提示在线完成虚拟仿真实验内容。在土槽实验环节，按照实验小组分工协作，设计土槽实验方案和内容，完成土槽实验，提交实验报告。

具体的操作步骤包括登录虚拟仿真实验平台，完成耕种机械结构和工作原理认知学习；耕作模式选择根据田间作业需求选择旋耕、犁耕、深松、播种模式；机组挂接调整实验需根据田间工况，选择合适的作业部件并完成整机的虚拟装配，将作业机械与拖拉机挂接形成耕作机组，并根据作业工况耕作机械调整到合适的条件作业状态并完成田间实验。

1.5 实验实施过程

项目实验教学方法如图2 所示，包括理论教学、虚拟仿真实验教学、土槽实验教学3 个部分，通过理论教学、虚拟仿真实验与土槽实验相结合，提高了实验课程的系统性和完整性。

图2 实验教学方法

实验教学过程中按3 个层次开展实验教学，基础型实验旨在培养学生了解并掌握农业生产各个环节中作业机械的结构、原理、工作过程，包括耕地机械、整地机械、种植机械。提高型实验旨在使学生掌握典型农业机械部件或整机的拆解与装配、使用与调整以及性能测试等内容，典型的农业作业机械如铧式犁、旋耕机、深松机、播种机等。研究型实验旨在培养学生以问题为主线，通过实验设计，研究农业机械工作参数、土壤特性、性能指标之间的定量关系。

在课程实施过程中采用“虚实结合、线上线下结合、相互促进、互为补充”的原则，实验实施过程（见图3），依托建设的虚拟仿真实验教学资源开展线上实验，利用土槽实验台开展线下的自主探究性实验。通过虚拟仿真线上实验与土槽线下实验相结合，构建了以农业生产环节为主线、理论与实验实践相结合的教学课程，提高了实验课程的系统性和完整性，改变传统教学方式，学生可以通过虚拟仿真实验了解农业机械的结构；仿真实验能使学生更加生动地了解各部件的工作原理，并且增加虚拟装配和实验环节，提高学生的实践和自主创新能力。通过线下自主探究实验，积极引导学生探索、发现问题，在探究的过程中培养自身的创新意识和能力［13-16］。

图3 实验实施过程

2 实验系统特色

2.1 分层次虚实结合

针对当前涉农工程类专业实验实践教学环节存在的学生自主实验能力不强、综合性创新性实验难以开展、时间和空间限制下实验教学与课堂教学衔接紧密性不足等问题，该实验以旋耕机、翻转犁、深松机、播种机等典型旱地耕种机械为对象，利用虚拟仿真技术手段，设计了包含“机具构造、工作原理、挂接调整、田间作业”4 个环节3 个层次的旱地机械化耕种实验教学内容，使学生通过交互式操作，能够全面了解并掌握典型旱地机械化耕种机械的结构原理和田间作业效能。

2.2 沉浸式体现，线上线下相结合教学模式

旱地机械化耕种作业作为涉农工程专业教学中重要的实践训练环节，以虚拟仿真实验为新型教学手段，以模拟田间实际作业为中心，通过专业知识学习和模拟农机具田间作业，使学生在虚拟场景体验田间作业环境，加深对耕种机具的结构、工作原理和工作过程的认知程度，利用形象且直观的展示方式，便于观察和理解农机具关键部件结构和实际田间作业过程。实验过程采用线上线下相结合的混合式教学模式，提高学生的专业兴趣和专业能力，为培养现代农业生产人才打下坚实基础。

2.3 优化考评机制，促进项目持续改进

实验项目从基本素养、实验操作、实验报告3 个方面进行考评，考评环节包括自评、同学间互评、教师评价3 个方面，评价还包括学生在实验过程中对知识、能力、素质的满意度评价，对该实验项目的建议与意见。这些评价将促进本实验项目的持续改进和完善。

3 结 语

在传统教学过程中，理论教学往往与生产实际相脱离，容易造成学生理解不深、理论联系实际困难等问题，本虚拟仿真实验项目通过将机具构造、工作原理、挂接调整、田间作业等理论和实践环节融为一体，通过学生自主的交互式实验操作，全面了解并掌握旱地机械化耕种作业的典型机具及作业过程。在传统理论讲授和认知实习的基础上，通过三维结构原理展示、交互操作调整、虚拟作业操控、仿真仪表数据等手段和形式，引导学生开展自主学习、深度思考和在线反馈。同时，通过网络化平台管理，可以获取学生开展实验情况及实验效果数据，为改善实践环节教学效果评价难的问题提供技术支撑。