离散元仿真分析在农机专业课程教学中的应用探索——以《农业机械化生产学》为例

戴 飞，宋学锋，黄晓鹏，赵武云

（甘肃农业大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070）

耕种收综合机械化率是衡量一个国家或地区主要粮食作物农业机械化生产水平的关键指标与参考。“十二五”期间，我国耕种收综合机械化率由52%提升至62%，当“十三五”结束时，已达到70%。2021年是我国“十四五”规划的开局之年，也是我国农业生产全面进入机械化装备主导的新阶段，要求各主要粮食作物的耕种收综合机械化率均超过80%，较2020年提高10%左右。因此，在新形势与新目标的规划要求下，农业机械化生产学的课程建设应用与讲授目标也应当有所调整与改变，其核心特色内容的侧重点应当进一步与耕种收作业环节相结合。

离散元法能够模拟各类农业机械装备作业过程，仿真效果准确、结果可视化，是近年来农业工程领域应用较多的仿真分析手段[1]。借助于甘肃农业大学混合课程建设项目与课程思政教改项目的实施，拟以授课团队在科研过程中结合西北旱区玉米、马铃薯、胡麻和藜麦等作物机械化生产相关的耕、种、收三大作业环节完成的离散元仿真模拟分析案例为依托，构建完善农业机械化生产学西北旱区特色作物线上课程资料库是一种很好的尝试，同时可以很好的揭示农业机械化生产过程中的机理机制。通过离散元对专业领域科研创新成就仿真分析案例，展示农业机械化生产相关的新农艺与新装备，进一步充实和完善“工匠精神”相关思政元素，培养农机专业学生的科研创新能力，达到学农知农爱农，增加专业自信，坚定服务三农的理想信念[2]。

1 西北旱区特色作物线上课程资料库构建

1.1 西北旱区特色作物线上课程资料库组成

如图1所示，为西北旱区特色作物线上课程资料库具体结构组成。借助于离散元方法对西北旱区特色作物机械化生产过程中的耕整 （旋耕、镇压、覆土），种植（排种、排肥、播种）和收获（分段收获、联合收获）三大环节相关机械化生产进行离散元仿真分析与教学过程中案例添加，使学生掌握相关农艺技术要求，更加生动形象的认知相关配套装备作业机理与过程。

图1 西北旱区特色作物线上课程资料库组成Figure 1 Online course database composition of Northwest arid region featured crops

1.2 课程资料库耕种收综合机械化因素分析

为进一步在课程资料库中体现耕种收综合机械化率的重要性，西北旱区特色作物线上课程资料库主要模块包括作业环节、具体组成、作业过程展示、与课程具体知识点联系和关联章节5部分构成。课程资料库内容主要依托西北旱区玉米全膜双垄沟播、马铃薯全膜面覆膜覆土栽培、胡麻与藜麦等特色作物高净度收获等相关农艺技术，按照耕整、播种、施肥、脱粒分离、清选环节进行离散元仿真分析，对作业过程进行详细展示，对作业机理进行揭示，阐明农业机械化生产过程中的相应评价指标，使学生更好的理解和掌握西北旱区主要作物机械化生产要求与过程认知。

2 西北旱区特色作物线上课程资料库应用

2.1 耕整环节线上课程资料库应用

如表1所示，为结合离散元分析方法开展的耕整环节线上课程资料库具体应用。其中，旋耕与镇压部分主要与西北旱区玉米全膜双垄沟农艺技术相结合，通过讲授仿真旋耕装置、镇压装置结构参数与离散元运动参数设置，要求学生掌握玉米全膜双垄沟种床构建技术，明确在全膜双垄沟种床构建作业工艺中对旋耕起垄的具体要求；在全膜双垄沟覆膜种床整地过程中，对膜边和垄沟的镇压作业要求进行罗列，引导学生对两种不同的镇压轮的结构和功能进行理解认知。在覆土作业环节方面，分别与农业机械化生产学的第三章与第六章内容相结合。其中，第三章依托地膜覆盖抗旱耕作法，将西北旱区特有的微垄覆膜、全膜双垄沟单幅覆膜、全膜双垄沟双幅覆膜种床覆土离散元仿真作业过程进行展示，让同学深刻体会到“膜土-机器-植物”互作系统研究已成为北方旱地雨养农业生产机械化的核心研究内容；同时，结合覆膜种床机械化构建过程解析，进一步揭示出西北旱区全膜双垄沟是集垄作法、沟播法、覆盖抗旱耕作法优点于一体的农艺技术，有助于结合上述三种典型的抗旱耕作方法去凝练总结全膜双垄沟农艺技术优势。

表1 耕整环节线上课程资料库Tab.1 Cultivation link online course database

此外，在国内马铃薯种植机械化方面，通过基于离散元法的全膜面覆土马铃薯种植模式与覆土装置作业性能展示，与传统马铃薯种植作业模式形成鲜明对比，让同学们进一步学习掌握了近年来西北旱区创新推广应用的根茎类作物覆膜覆土栽培方法与配套装备，很好的体现出西北地区农业机械化生产学讲述内容的地域特色与农作制差异。

2.2 种植环节线上课程资料库应用

如表2所示，为结合离散元分析方法开展的种植环节线上课程资料库具体应用。该部分主要与农业机械化生产学第二章农业机器作业工艺中的播种作业工艺、田间管理作业工艺2节内容相结合，以离散元法排种、排肥和播种仿真分析向学生们生动的展示玉米全膜双垄沟机械化作业过程中沟播玉米株距控制、“一膜两年用”追肥排肥和膜上直插式玉米播种，更好的辅助掌握西北旱区玉米全膜双垄沟农艺技术要求。

表2 种植环节线上课程资料库Tab.2 Planting link online course database

在上述离散元仿真分析过程中，可以向学生们初步讲解所在团队在各个案例中应用的离散元方法与技巧，引导学生们对离散元仿真分析法产生兴趣，学习农机专业领域的先进前沿研究手段、方法与理论，进一步提升学生科研创新能力，使学生对农机专业产生热爱与情怀。

2.3 收获环节线上课程资料库应用

如表3所示，为结合离散元分析方法开展的收获环节线上课程资料库具体应用。在农业机械化生产学第二版的修订教材中，第五章授课内容设置为北方水田农业生产机械化，由于这部分内容与甘肃农业生产实际性与结合性不强，加之考虑到甘肃省是我国的四大育种基地之一，因此，将原有第一版教材第九章的内容设置为第五章种子加工机械化，并在第二节种子清选方法和机具内容上配套了甘肃特色油料作物胡麻脱粒物料气流式、风筛式清选内容[13]。

表3 收获环节线上课程资料库Tab.3 Harvest link online course database

依照农作物机械化收获方法，分别开展了离散元分段收获与联合收获的仿真模拟。其中，在第二章农业机器作业工艺第六节谷物收获作业工艺中设置了与育种脱粒相关的玉米种子变径变间距低损伤脱粒和小区育种小麦无滞种脱粒2个分段收获案例，通过各装置作业过程的展示，让同学进一步深刻领会到育种机械比传统机械作业要求更高。同时，设置了与甘肃特色作物相关的胡麻机械化联合收获与藜麦机械化联合收获仿真模拟2个联合收获案例，进一步体现出西北地区农业机械化生产学讲述内容的特色与创新[18]。此外，在讲述农业物料风选原理内容时，以胡麻脱粒物料的气流式清选为例；在讲述农业物料风筛选原理内容时，以胡麻脱粒物料的风筛式清选为例，依托离散元仿真分析方法，使学生们能够直观的对比两种清选方式作业过程的异同，尤其是讲授对于小差异混杂程度大的脱粒物料更适合于哪种清选模式，学生们会一目了然，以期到达教学相长的授课效果。

3 结论

本文以“十四五”我国农业生产全面进入机械化装备主导新阶段为背景，规划构建了西北旱区特色作物线上课程资料库的结构组成，将西北旱区特色农业机械化生产相关离散元仿真分析案例运用到农业机械化生产学课程的教学当中，通过对三大作业环节（耕整、种植和收获）相关的具体组成、作业过程展示、知识点联系及关联章节内容进行设置完善与讨论，实现对西北旱区特色作物线上课程资料库构建与应用，以期进一步提升农业机械化生产学课程课堂教学质量，提高该农机专业混合式课程的建设水平。