基于虚拟仿真的农机实验教学改革研究

韩佃雷 杨启志 周脉乐 徐立章

摘  要：人才短缺已成为制约我国农业机械化、智能化高质量发展的主要瓶颈。新时期，教育部推出了新农科、新工科计划。农机实验教学改革是全面强化新农科、新工科建设背景下人才培养的重要支撑。基于农机专业实验教学面临的装备不系统、受外界因素干扰大、受时间地点限制等问题，开发农业装备虚拟仿真实训系统，完善主要农作物所需典型农业装备的认知、拆装、测绘和性能动态仿真等功能及地面环境-农作物-农业机械三者耦合作用的农场系统模型。在应用推广方面，该系统不仅服务于农机专业，还服务于机械、车辆、能动等专业，同时与国内涉农高校和农机装备企业共享，取得令人满意的反馈效果。虚拟仿真实训系统为我国农业装备人才培养提供行之有效的实验教学改革方案。

关键词：农业装备；虚拟仿真；实验教学改革；人才培养；农场系统模型

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）21-0111-05

Abstract： Talent shortage has become the main bottleneck restricting the high-quality development of agricultural mechanization and intelligence in China. In the new era， the Ministry of Education has launched the plan of new agriculture and new engineering. Agricultural machinery experiment teaching reform is an important support for personnel training under the background of comprehensively strengthening the construction of new agriculture and new engineering. This study is based on the current problems of the agricultural machinery specialty experimental teaching， such as the lack of agricultural equipment， the great interference from external factors and the limitations of time and place. The virtual simulation training system of agricultural equipment was developed， which improves the functions of cognition， disassembly， key parts mapping and performance dynamic simulation of the typical agricultural equipment required by the main crops and the farm system coupling model among ground environment - crop - agricultural machinery. In terms of application and promotion， the system not only serves the agricultural machinery specialty， but also serves the machinery， vehicle and dynamic specialties. At the same time， it is shared with domestic agricultural universities and agricultural equipment enterprises， and has achieved satisfactory feedback effect. The virtual simulation training system provides an effective experimental teaching reform scheme for the cultivation of agricultural equipment talents in China.

Keywords： agricultural equipment; virtual simulation; experimental teaching reform; personnel training; farm system model

我國是农机装备大国，但与世界农机强国相比，农机装备水平整体落后20～30年[1]。加快推进我国农业机械化、智能化转型升级主要靠科技，关键在人才。《制造业人才发展规划指南》中的“制造业十大重点领域人才需求预测”显示，到2025年，我国农机装备人才总量预测72.3万人，人才缺口预测44万人，缺口比例达60.9%，在十大重点领域中人才缺口比例排名第一[2]。因此，大力培养具有知农爱农情怀，掌握强农兴农技能的高素质创新型人才，为农机行业可持续发展提供源源不断的人才保障和智力支撑已成为全国涉农专业人才培养工作的中心任务[3]。

新时期，教育部根据国家发展需求，主动适应新一轮科技革命和产业变革，推出了新农科、新工科计划，对农机专业人才培养也提出了更高的要求。实验教学是夯实学生理论基础、培养学生创新思维的重要途径，也是培养学生自主思考、提高动手能力的重要措施。在新农科、新工科建设的大背景下，变革农机实验教学手段和方法是推动高校专业发展、学科基础建设、学生能力培养与提高的重要举措与措施[4]。

《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》要求“深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教學质量和实践育人水平”[5]。为此，各高校已经正在结合相关专业课程积极进行虚拟仿真实验教学的探索[6-9]。虚拟仿真技术和手段，实现了降低实验成本、避免自然条件约束、多维度互动和与传统实验互补等效果，为解决当前农机专业实验教学存在的问题提供了新的思路和方法。

一  农机实验教学现状及存在的问题

（一）  传统农机实验教学

我国农作物种类繁多、形态多样、生长环境差异大且周期长，同一农作物生长的不同时期需要使用不同的农业机械，针对不同农作物又需要开发不同的农业机械，目前新的农机人才培养模式使教学内容不断增加，但是教学学时却在不断缩减。

以中国农业大学农机专业为例，农业机械学课程已从170学时逐渐缩减到48学时，实验课程也被压缩到8学时，这给教学安排带来了极大的困难[10]。

以山东理工大学农机专业为例，培养方案中设置了农业机械学、拖拉机构造、机械制造工艺学、自动机械设计和机电系统设计等核心课程，然而除了前3门课程总学时分别是64、56、64学时外，其他课程总学时以32学时为主，其中实验教学仅为4～8学时不等，且实验内容以认知、拆装、特性测试为主，这对理解复杂农机的工作原理来说远远不够[11]。

以内蒙古农业大学农机卓越人才培养为例，由于实验设备的台套数不足，在进行传感器静态标定和典型参量动态实验时，需要分批次且多人一组，以教师演示实验教学为主，仅有极少数学生能进行实际操作，多数学生沦为实验过程的观摩者，并不能给学生留下深刻印象[12]。

面向耕、种、管、收四大环节，农业机械的种类繁多且不断更新换代，仅有不足10学时的实验课程，学生要深入理解并掌握每种农业机械，这是远远不够的。部分学校会安排为期一周的生产实习，主要以认识和观摩为主，学生并不能直观地看到农业机械内部的工作过程，而且也只能看到当期作业的农业机械。基于农机专业实验课程面临的学时少、内容多的现状，拓宽教学手段和方法，提高学生的学习兴趣和效率，这已成为亟待解决的关键问题。

（二）  农机虚拟仿真教学

虚拟仿真实训系统是将现代信息技术融入实验教学，实现了对农机人才培养教学手段和方法的补充，解决了传统农机实验教学中的短板问题。但是，多数系统是以当地特色的农作物和适配的农机装备为主，难免产生农机装备不系统、不完整和不全面等问题。

以培养高素质农业工程人才为目的，结合南方特色作物机械装备优势，华南农业大学开发了水稻生产全程机械化关键环节虚拟仿真实验系统，通过水稻生产全程机械化中“水田耕整、水稻种植、田间管理、水稻收获和谷物干燥”这5个关键技术环节和10种作业机具或装备，使学生能够系统了解水稻生产机械化的全过程，熟悉相关农业机械的操作和使用，掌握关键技术原理和方法[13]。

依托虚拟现实、人机相互和网络通信等技术，中国农业大学构建了高度仿真的旱地机械化耕种作业虚拟仿真实验系统，以北方旱地机械化作业过程为仿真对象，模拟田间作业工况及机组作业性能，使学生能在短时间内掌握旱地耕种机械化作业装备的参数调整和性能评价方法，加深了学生对机械化农业生产及智能管控等专业知识的理解[14]。

为了大幅降低实验成本、提高实验安全性和加强实验环节建设，江苏大学开发了大型高地隙喷杆喷雾机虚拟仿真实验系统，可使学生快速了解大型高地隙喷杆喷雾机的组成原理、工作原理，理解大型高地隙喷杆喷雾机的结构特点及其组成、拆解原理，掌握大型高地隙喷杆喷雾机工作参数的调控原理，为后续类似的现代农业装备的设计与研发打下基础[15]。

农机的动作机构和工作参数需要实时地调整以适应不同的田块。然而，从已有的虚拟仿真系统来看，地面环境、农机和农作物相互作用时自适应调整策略并没有被充分考虑。因此，地面环境-农作物-农业机械三者耦合作用的农场系统模型还有待进一步完善。

二  农业装备虚拟仿真实训系统的建设要求

基于传统农机实验教学存在的问题与农机虚拟仿真实验教学的不足，从实验教学内容、实验教学形式、实验教学方法角度，本文归纳总结了农业装备虚拟仿真实训系统的建设要求。

（一）  实验教学内容方面

1  实现农业装备实验的系统性、完整性

实验和实践训练是提高农机专业学生综合能力、创新能力、动手能力必不可少的教学环节。然而，目前国内涉农高校农机专业的农业装备实验或实践环节存在不系统、不完整、不全面等问题，有的高校只有有限的几种装备，有的高校实验装备比较陈旧。在过去的十年里，随着社会的进步和智能技术的发展，涌现了大量的自动化、智能化农业装备，但是由于经费、场地、操作人员等限制，高校购置大量新设备不现实，而且很难操作。农业装备虚拟仿真实训系统则无须太多的费用、场地、操作人员，可以很好地解决农业装备实验和实践环节的不系统、不完整、不全面等问题。虚拟实训系统中农机装备来源于教师多年的科研成果，譬如，联合收割机来源于2013年国家技术发明二等奖“油菜联合收割机关键技术与装备”项目，保证了实验教学的先进性和前瞻性。

2  覆盖农作物生长的全周期

农作物从幼苗到长成的时间跨度太长，高校实验室内很难完成，而学生又没有充足的时间去现场记录农作物生长的每个过程或调研每个农业生产环节农业机械的作业情况。农业装备虚拟仿真实训系统则可以模拟不同农作物生长的全过程，演示不同生长过程农作物的形态、样貌、长势，并真实地再现农作物不同生长时期所需农业机械的作业情况，有利于学生快速、高效地获取和增长知识。

3  地面环境-农作物-农业机械耦合作用可视化

传统虚拟仿真系统将重点放在农业机械的工作原理演示上，而忽略了农作物、地面环境及与农业机械三者耦合作用模型的构建。众所周知，地面環境和农作物将显著影响农业机械的作业效果。农业装备虚拟仿真实训系统在地面环境方面充分还原地形、地貌、土壤等信息，在地面环境、农作物、农业机械交互作用方面更加注重作业和运动参数的自适应调整，使学生深刻体会不同参数对农业机械性能的影响，进而提高学生对地面环境-农作物-农业机械系统的认识与理解。

（二）  实验教学形式方面

1  课内课外、线上线下延展教学形式

常规的教学组织形式通常是以班级为单位，局限于固定时间和地点的结构中。农业装备虚拟仿真实训系统通过网络全天候开放，允许学生在图书馆、教室、宿舍和家中等不同情境里学习，可以在课堂，也可以在课外，随时随地进行实践操作。延展式教学拓宽了教学组织形式，改变了传统教学中以教师为中心的情况，赋予了学生学习的主动性，实现了学生的自主学习和主动学习。

2  减小对农业装备实验员的依赖性

根据农业生产的不同环节，面向不同的农作物，不同功能的农业机械种类繁多；随着智能化技术的发展，现代农业装备一般同时具有控制、测量、检测等功能，是高度集成的机电一体化装置，往往需要专业的知识和技能，这对实验员的数量、技术、经验等提出了更高的要求。农业装备虚拟仿真实训系统则对农业装备的操作进行简化，重点演示特色的功能原理，这将大大减小对实验员的依赖，而且不需要担心由于操作不当造成机具损坏。

3  解决农业装备实习时间紧迫的问题

为了抢农时，在“夏忙”和“秋收”时节，农业装备需要完成大量繁重的收获、耕整、播种等作业，而农机专业学生的实验和实践教学环节也需要在这短短的2～4周内完成，这给时间、日程安排造成很大的困难，而且无法保证实验和实践的效果。农业装备虚拟仿真实训系统则不需要考虑农忙时节实习时间紧迫的问题，学生可以通过在线系统反复地观看各种农业机械的作业过程，使学生得到充分的训练。

（三）  实验教学方法方面

1  沉浸情景式教学

在传统实验教学课堂中，一般由教师为学生讲解农业装备的构造、原理和工作过程，一些关键或大型的农业装备也只能从外观进行观摩，学生并不能理解其内部工作原理或在田间工作的情况。借助VR技术，农业装备虚拟仿真实训系统中逼真的虚拟环境则可以提供身临其境、自主控制的人机交互，激发学生主动探索知识的热情，凭借视觉、听觉、触觉信息的协调作用，使教学内容的统一性与灵活性得到完美的结合。沉浸情景式教学充分地调动了学生的好奇心和兴趣，加深了学生对于关键农业装备的认识与理解。

2  发现式教学

常规实验教学中，实验的目的、内容、方法和结果都是明确的，学生只需按部就班地走程序，即可获得实验结果。此种教学方法虽然不会出错，但限制了学生的思考。农业装备虚拟仿真实训系统则可以有针对性地构建虚拟情景，让学生进入问题存在的环境，引导学生进行思考，找出问题存在的原因，提出多种解决问题的方案，并对不同方案的有效性进行验证，进而确定问题解决的最佳方案。发现式教学培养了学生高层次的思维技能，提高了学生解决实际问题的能力。

3  师生多人协同互动式教学

在传统农机实验教学中，由于实验设备台套数限制，一般会分组分批次进行，小组的成绩则代表了组内每位学生的成绩，教师仅仅能与部分学生进行交流，更不能掌握每位学生的学习情况，协同互助也仅仅局限于组内学生。虚拟仿真实训系统则可以将师生置于同一环境中，通过共同参与，分工完成某些项目的设计或训练，教师也可以实时掌握每位学生的实验进展并给予及时的指导。师生多人协同互动式教学为教师与每位学生交流提供了机会，促进了教师对每位学生的了解，而且培养了学生团结协作的能力。

三  农业装备虚拟仿真实训系统的开发

（一）  虚拟仿真实训平台和功能模块

基于目前虚拟仿真实训系统存在的问题，综合考虑地面环境-农作物-农业机械的耦合作用，江苏大学农业工程学院开发了基于VR技术的农业装备虚拟仿真实训系统。学校拥有完全自主知识产权，已获批3项软件著作权：①农业装备虚拟仿真实验虚拟认知教学系统V1.0（登记号2017SR699512）；②农业装备虚拟仿真实验虚拟拆装教学系统V1.0（登记号2017SR699506）；③农业装备虚拟仿真实验动态仿真教学系统V1.0（登记号2017SR699518）。

该系统总体架构包含了学生端、教师端、后台管理端，如图1所示，学生端主要用于课程选择、学习、考核和记录查询；教师端主要是协助教师进行简单的教学管理，包括学生权限管理、组织结构管理、模块管理和考核管理；后台管理端主要是系统管理员对整个虚拟实训系统进行数据维护、日常管理、模块更新。

该系统的4个特色实验模块包含：3D数字化农场虚拟认知模块、农业装备虚拟拆装模块、农业装备虚拟动态仿真模块和农业装备虚拟测绘模块，共涉及20多个实验，基本涵盖了农机专业的实验教学课程及部分实践教学环节。同时，该系统还可以服务于农业电气化专业、流体机械专业、机械设计与制造专业、车辆工程专业及食品科学与工程专业等部分涉及农业装备的课程实验，也可以用于农业装备企业技术人员的培训。

（二）  功能模块的农机知识点设计

3D数字化农场虚拟认知模块是以国内外现运营的典型农场为模本，通过虚拟仿真技术，真实还原农场不同时间段的农作物、农业机械和地面环境及相互作用的场景，使学生能够建立农场系统的整体概念并全面了解农作物的种植、管理、收获和后处理等农业生产过程。

农业装备虚拟拆装模块主要是让学生掌握农业机械的关键零部件、正确的拆装顺序、必要的拆装工具等，并实现拆装过程的自动打分与测评，使学生在研制农业机械时形成“从零件到整体”和“从整体到零件”的设计思路。

农业装备虚拟动态仿真模块是在保证传统虚拟仿真实训系统演示农业机械内部运作原理功能的基础上，更加注重不同类型农田模型的建立、不同阶段农作物长势的还原、农机作业参数的适应性调整等方面，使学生能深刻地理解农机-农艺相互融合的必要性。

农业装备虚拟测绘模块主要是让学生树立“定量”意识，通过三维结构查看和尺寸测量功能，能够充分理解农机设备中重要零部件的几何结构和关键形位尺寸，从而提高学生的工程绘图能力及未来先进农业设备中关键零部件的结构和尺寸优化能力。

四  农业装备虚拟仿真实训系统的应用效果

江苏大学农业装备虚拟仿真实训系统线下初步试用在2017年8月，正式试用在2017年10月，整个系统上线使用在2018年7月，已取得了比较好的反馈效果。

已面向农机专业的2015—2021级本科生进行了集中性使用，辅助完成了2014—2018级毕业年级农机类专业课农业机械学、智能化农业装备的多次实验教学。同时，鼓励本专业学生通过互联网进行分散性的在线使用，激发了学生对农业装备的学习兴趣，提高了学生对虚拟实验与实践的积极性，而且对学生实践动手能力和专业知识的提升起到了明显效果。

已线下开放给本校其他工科专业，在机械工程、车辆工程、流体机械、农业电气化和能源与动力等专业的实验与实践教学环节中同样取得了令人满意的效果。未来希望进一步完善软件，丰富虚拟仿真实验的内容，增加现代化农机的知识，进一步凸显学校的办学特色与科研特色。

在对外开放共享方面，该系统已在中国农业大学、浙江大学、宁夏大学、安徽农业大学、新疆大学、江苏农林职业技术学院和常州机电职业技术学院等进行了涉农工科实验与实践教学环节的免费线上使用；在江苏省农垦集团有限公司、江苏沃得农业机械有限公司、常州东风农机集团有限公司、南通富来威农业装备有限公司和镇江市农业机械技术推广站等企事业单位也已免费线上使用，进行入职定岗专业知识培训。

一致反映，通过该系统可以实现形象、生动、逼真的大型农业装备的结构认知、功能原理演示、工作参数调整，可以解决大型设备操作复杂、使用时间紧、条件差、农机操作人员短缺及实验或实践用房短缺等难题。

五  结束语

现代农业建设是一项庞大的系统工程，高端农业装备已被列入《中国制造2025》规划重点发展领域，迫切需要大量创新型工程技术人才。江苏大学以立德树人为根本，秉承“工中有农，以工支农，工农结合”的办学特色，不断地探索新工科、新农科融合发展的“现代农机”涉农专业集群建设方案。同时，依托农业工程学科优势，积极推进现代信息技术融入实验教学，开发了农业装备虚拟仿真实训系统，用新内容、新方法、新形式推进农机实验教学的全面改革，不断拓展实验教学的广度和深度，提升实验教学的质量和水平，为培养“知农、爱农、强农、兴农”的新时代涉农人才贡献“江大力量”。

参考文献：

[1] 颜晓红.新时代农机高等教育发展路径探索与思考——以江苏大学为例[J].中国农业教育，2021，22（2）：21-27.

[2] 教育部 人力资源社会保障部 工业和信息化部关于印发《制造业人才发展规划指南》的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A07/moe_953/201702/t20170214_296162.html.

[3] 贾卫东，周脉乐，袁寿其.新工科新农科融合的涉农专业集群建设[J].中国高等教育，2021（5）：10-12.

[4] 戚江涛，蒙贺伟，坎杂，等.新工科背景下农机专业实践教学体系建设探索[J].科教文汇（中旬刊），2021（10）：74-77.

[5] 教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

[6] 何勋，屈哲，张开飞，等.农业机械学虚拟仿真实验教学设计[J].农业开发与装备，2019，4（12）：81-82.

[7] 熊宏齐.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新[J].实验技术与管理，2020，37（5）：1-4，16.

[8] 柳洪洁，宋月鹏，马兰婷，等.国内外虚拟仿真教学的发展现状[J].教育教学论坛，2020（17）：124-126.

[9] 杨洋，万玲，王韦韦，等.新农科背景下拖拉机构造虚拟仿真实验教学平台建设[J].高等农业教育，2021，4（2）：108-111.

[10] 刘彩玲，张敏，赵杨.“农业机械学”实验课程改革[J].中国农业教育，2015（4）：72-76.

[11] 阮培英，蔡善儒，宋井玲，等.农业机械化专业主干课程实验教学体系改革探讨[J].农业与技术，2021，41（21）：170-172.

[12] 毕玉革，贺长彬，钱珊珠，等.基于CDIO理念的现代测试技术课程实验教学改革——以内蒙古农业大学农机卓越人才培养为例[J].內蒙古农业大学学报（社会科学版），2020，22（4）：39-43.

[13] 水稻生产全程机械化关键环节虚拟仿真实验[EB/OL].http：//www.ilab-x.com/details/v4？id=5125&isView=true.

[14] 旱地机械化耕种作业虚拟仿真实验[EB/OL].http：//www.ilab-x.com/details/v4？id=5034&isView=true.

[15] 大型高地隙喷杆喷雾机虚拟仿真实验[EB/OL].http：//www.ilab-x.com/details/v4？id=4006&isView=true.