智能联合收割机多功能虚拟仿真实训系统设计与应用

金文忻，金 峰，孔德志，赵梦龙，李巢湖

（1.江苏农林职业技术学院，江苏句容 212400；2.江苏省交通技师学院，江苏镇江 212028；3.无锡林农软件科技有限公司，江苏无锡 214000）

0 引言

虚拟仿真实训系统是一种基于计算机技术实现的教育教学工具，通过计算机软件模拟真实的物理环境或工作场景，为学生提供了一个真实的学习实践环境[1]。它可以模拟各种复杂的实际场景，避免学生在实际操作中受到伤害，保证学生安全的同时可以通过图形化界面进行交互操作，操作简单易学，不需要花费大量的时间去学习[2-3]。虚拟仿真实训系统没有实际的物理限制，学生可以不断重复操作，直到掌握技能，且与实际设备和场地相比，虚拟仿真实训系统的成本较低，可以大大降低培训和教育成本。

习近平总书记指出，要大力推进农业机械化、智能化，给农业现代化插上科技的翅膀。农业装备已向以CPS、NFC等互联网应用系统为技术手段的4.0智能时代[4-5]。目前，一些大型农场已逐步开始使用智能作业收获装备，但我们的教学仍然停留在传统作业收获装备上，缺乏技术前沿性、先进性，学生掌握的技能不能适应智能化机具的发展维护要求[6-7]。本实训项目坚持“共享资源、持续发展、实践创新”的指导思想，以全面提高学生创新精神和实践能力为宗旨，充分体现信息化教学“虚实结合、相互补充”的原则，应用虚拟仿真、多媒体、人机交互等技术，整合信息化实验实训教学资源，建立智能联合收割机虚拟仿真实训系统，实现无人驾驶作业、远程作业监控、虚拟拆装维修、仿真故障排查等综合技能实训教学。

2 虚拟仿真实训系统设计

2.1 系统结构

智能联合收割机多功能虚拟仿真实训系统可依托网络服务器多机运行，保证用户能够随时随地通过浏览器访问，软件系统包括学生端、教师管理端、后台服务端。

1）学生端用于日常教学中学生和行业培训人员的学习使用及模拟考核，包括用户模块、课程模块和考核模块共3大部分。用户模块主要是学生及参与培训的人员用于管理个人信息，查询个人学习记录和考核记录等；课程模块是依托智能联合收割机的多功能虚拟仿真实训系统软件，包括智能联合收割机原理仿真、智能联合收割机虚拟故障诊断、智能联合收割机无人驾驶作业及远程监控，共3个模块。

2）教师管理端主要是在教学中方便教师进行教学管理，包括用户权限的管理、组织结构管理、课程类别和模块管理、考核管理等等。

3）后台服务端主要是面向系统管理员或软件技术服务人员对虚拟实训系统的数据维护。

2.2 主要功能模块

1）智能联合收割机多功能虚拟仿真实训系统主要包含3个知识模块，26个具体知识点。通过虚拟仿真原理系统掌握联合收割机各部分工作原理，在理论教学过程中借助虚拟仿真原理系统，能直观看到机器内部工作过程，理解工作原理，掌握各部分功用。通过虚拟仿真排故系统掌握联合收割机工作过程中常见的故障诊断方法和排故手段：选择对应故障现象进入该故障排故模式、查看系统诊断思路，明确排查步骤及方法，按照系统提示选择正确工具按步骤完成排故，完成后整车测试查看排故是否成功。通过课上仿真学习，学生掌握了故障诊断方法，课后学生可通过在线测试功能检验掌握情况，系统随机抽取故障，根据学生排故速度、操作规范性及正确性综合评分。通过虚拟仿真无人驾驶及监测系统掌握先进的无人驾驶智能装备安装调试及使用，并能在使用过程中完成参数设置及调整。

2）考核模块主要分为结构认知考核、工作原理考核、排故考核3部分。结构认知考核主要是在仿真原理知识模块中通过智能联合收割机各部分拆装仿真实训考核学生对割台部分、脱粒部分、行走部分、传动部分、动力部分、电气部分、储粮部分的结构认知情况。采用对具体部分拆装练习帮助学生掌握具体结构。工作原理考核主要考核学生对割台部分、输送部分、脱粒部分的各机构工作原理理解情况，采用问答判断的考核方式。排故考核主要针对智能收割机常见的20种故障进行模拟排故训练。切换考核模式，设定场景学生即可在练习好基础上进行相应故障排查，以排故时间及完成度赋分。

2.3 教学方法及评价体系

授课教师充分利用虚拟信息技术，通过翻转课堂，让课堂更为人性化、师生关系更为和谐，让学生掌握理论知识，养成良好的学习习惯。在理论部分教学中主要运用讲授法、演示法、讨论法和启发式的教学法[8-10]。在实践教学中主要运用观察法、练习法和行动导向的教学法。学生在使用智能联合收割机虚拟仿真实训系统练习时，系统将实时记录学生的练习情况。此外系统可开启提示模式，即每一步骤是否正确，辅助学生每个步骤的准确性，对操作错误环节进行纠正。系统设有考核模式，实时记录学生每步操作的正确性并同时计时，在考核结束后，列出测试过程中的错误环节、操作的时间和最后的总得分。

3 教学实训应用

智能联合收割机多功能虚拟仿真实训系统将服务我校现代农业装备应用技术、农业机械化及其自动化专业，涉及《农业机械学》《现代农业装备技术》《智能联合收割机使用与维护》《农业机械生产综合实习》等课程的实验教学，实训培训人数超过2 000人。在日常教学中，依托虚拟仿真平台，将视频、动画、仿真有机集成，丰富了教学资源，拓展了课堂设计空间和教学手段，显著增强了学生对课堂设计的参与感。在《农业机械生产综合实习》课程实操教学的过程中，学生通过事先仿真系统预习及回顾，显著提高了对实操的接受能力和操作水平，取得了积极的教学效果和应用效应。

4 结语

1）本项目通过创建智能联合收割机多功能虚拟仿真实训系统，将收割机结构原理仿真、故障诊断、无人驾驶及远程检测三系统融合。通过三维动画视频演示、仿真实训操作、在线考评、课件资源等教学功能，对智能收割机割台部分、脱粒部分、输送部分、行走部分等关键系统工作原理、模拟拆装、典型故障诊断、无人驾驶与监测使用设置进行综合实训教学，可以缩短总课时，加强学生对智能收割机结构原理的认识和理解，减少对真实农机实训拆装的磨损，降低学员实训事故风险，提高教学效率。

2）本项目实现了信息技术与实践教学的深度融合，虚拟仿真技术的运用，可以对传统课堂上不好描述和展示的复杂内部结构及原理，隐蔽的知识点做立体化的展示，便于理解，提高教学质量。