《智能农业装备技术》课程建设与应用

屈 哲，何 勋，吕志军，丁 力

（河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002）

随着我国城镇化建设进程的加快，农村剩余劳动力大幅度减少。同时，在国家由传统农业向现代农业发展的关键时期，农业生产的机械化、自动化、信息化对农业高质高效发展起着决定性的作用，对智能农业装备水平提出了更高的要求[1]。智能农业装备是在传统农业机械的基础上，集成传感器技术、自动化技术、互联网技术等现代科学技术手段而形成的新型农业装备，与传统的农业装备相比具有智能、高效、高质等优点。随着我国农业现代化发展的快速推进，大力发展智能农业装备与技术已经成为国家战略需求，同时也是农业机械领域研究的重点和发展方向[2-4]。但是，现阶段国内具有智能农业装备技术知识的相关人才严重短缺。因此，在传统农机专业人才培养与课程建设的基础上，促进传感器技术、自动化技术、互联网技术等不同学科与技术的深度融合显得尤为迫切。

目前，国内部分农林类高校已经开设了农业智能装备工程新专业，并设置了智能农业装备技术等相关课程，但是课程的教学内容、教学模式、教学方法等尚不健全，课程建设需要不断地深入优化。因此，为了提高课程建设质量与水平，提高学生对智能农业装备与技术的学习兴趣与积极性，本文以河南农业大学为例，从课程教学目标与要求、理论教学内容与教学方法、实验教学内容等方面对智能农业装备技术课程建设与应用进行了研究与探讨，为国家开展智能农业装备人才培养提供参考。

1 课程教学目标与要求

1.1 课程教学目标与任务

该课程是农业工程一级学科下农业机械化及其自动化本科专业的专业必修课，也是专业核心课程。本课程是在学习传统农业机械学的基础上使学生进一步了解新型农业装备机械在现代化农业生产中的应用，特别是传感器技术、电子技术、信息技术与新型农业装备技术结合将会极大地提高农业机械生产效率和拓宽应用范围。通过本课程的学习，获得智能农业装备技术及相配套的自动控制技术必要的基本理论、专业知识和使用新装备的基本技能，具有对新型农业机械装备进行设计和应用的能力，为从事智能农业装备机械化规划与管理、教学与科研、营销与服务等相关的工程技术工作打好基础。

1.2 课程教学要求

（1）理论知识方面：让学生了解新型农业装备的内容及所涉及的科学技术领域，掌握新型智能农业装备组成的结构原理及设计方法；运用电子控制技术用于农业机械监控的基本原理和设计方法；了解现代农艺、生物、电子及信息技术与农机技术结合的内涵和基本思路。

（2）实验技能方面：通过本课程课堂教学与相关的实验，让学生了解智能农业装备技术应用于农业机械化生产将有广阔的前景，使学生掌握智能控制技术、传感器等微电子装置与农业机械监控部件结合的方法和在实际生产中的作用，能够理论与实际结合，把电子技术与农业装备结构组合应用到生产实际，提升专业实践和动手能力、现代机械设计方法及生产应用和智能农业装备的管理等。

1.3 课程教学设计

让学生了解智能农业装备的内容及所涉及的科学技术领域，掌握智能农业装备组成的结构原理及设计方法；运用电子控制技术用于农业机械监控的根本原理和设计方法；了解现代农艺、生物、电子及信息技术与农机技术结合的内涵和根本思路，了解精细农业与智能农业装备的关系等。

2 课程理论教学内容与教学方法

2.1 课程理论教学内容

（1）概述。本章主要讲解智能农业装备技术等相关概念；农业装备在农业生产中的地位，目前国外发展状况，国内存在的差距；影响农业装备现代化发展的因素及解决办法。要求学生在课堂学习的同时，注意查阅与本课程相关的国内外文献资料，掌握国内外该领域发展的最新动向。

（2）自动化技术在农业机械装备中的应用。本章主要讲解自动化技术的基础知识，熟悉自动控制系统的组成及原理，了解并且学习机电液一体化技术、计算机技术、电机电器技术信息与网络控制技术基本要素，农业装备哪些方面能巧妙地结合自动控制完成农业机械的控制操作，达到方便、精确、高效节能，提升和扩大农业机械装备应用范围。

（3）农机动力装备的智能化。本章主要讲解了在新型农用动力根据使用对象的分类；高压共轨柴油机的结构原理，与传统柴油机的区别，新型柴油机高压共轨系统的组成原理，工作过程。学习难点是高压共轨系统各自的特点，应结合实验实习课去了解掌握。

（4）种植机械智能化技术与装备。本章主要讲解传统播种技术与原有播种机械存在的不足，现代农业种植技术对播种、栽植机械的要求，重新认识现代种植技术中部分作物采用禾苗移栽代替播种的优越性，新型播种机和禾苗移栽机的机构特点、工作原理，特别是智能控制技术在种植机械上的应用原理及类型；重点掌握新型播种机的排种器组成原理，设计方法；目前各类移栽机的结构、工作过程，原理，设计方法；现代播种、栽植机械的技术创新前景。

（5）收获机械智能化技术与装备。本章主要讲解国内外收获机械化装备的最新发展状况，时刻关注收获机械与技术研发前沿的最新成果，深入了解在收获机械产品上添加的自动监测与控制装置与技术的科技新知识以及有哪些新的经济作物采用了机械化收获，重点掌握人工智能技术用于农作物机械收获的新科技知识，将所学习的机电液一体化综合知识用于与本专业相关的收获机械设计与应用中去。

（6）精细农业与农业机械化新技术。本章主要讲解传感器技术、信息化技术、自动化技术、变量控制技术等技术体系，掌握有关精细农业技术体系的基本原理以及基础知识，同时具备从事精细农业相关技术研究的能力。重点以GPS（全球定位系统）、RS（遥感系统）和GIS（地理信息系统）技术为主线，学习并掌握精细农业的基本原理以及实施方法，掌握相关仪器设备与软件的操作方法。教学难点是变量作业机械的结构组成与工作原理，以及如何利用GPS、RS、GIS、传感器、摄像头等开展田间土壤属性信息以及作物生长信息的采集等。

2.2 课程教学方法

（1）多媒体互动教学法

多媒体教学作为现代教学主要方式，可以通过图片、视频和动画等丰富的多媒体资源生动形象地向同学们展示智能化的农业装备与技术。同学们能够直观、形象地学习其结构组成与工作原理等，提高对课程学习的积极性与主动性。同时，鼓励同学们借助于当前丰富的互联网资源，围绕课程的知识点进行国内外新技术、新装备的收集与学习，并在课堂中进行讨论与交流，提高学生自主学习的能力。

（2）案例教学法

智能农业装备技术这门课不同于传统的农业机械学等课程，该课程是在传统农业机械的基础上融入了智能化、自动化、信息化等新技术，具有很强的前沿性。通过在课程教学中以案例的形式引入国内外前沿的智能化农业装备与技术，才能够让同学们更直观、更全面地学习掌握该课程的相关内容。

（3）虚实结合的体验式教学法

虚拟仿真教学具有直观生动形象、人机交互性强、开发成本低、操作不受时间与空间的限制等特点，可以将虚拟仿真教学与传统的理论教学、实验教学等结合起来，能够有效地提高理论与实验教学的质量和效果。同学们通过虚拟仿真教学的人机交互进行实训操作，直观地学习智能农业装备的结构组成和原理仿真，激发了同学们学习的兴趣，提高了同学们学习的积极性与主动性。

3 课程实验教学内容

通过与课程内容相关的实验，让学生了解机电液一体化技术应用于农业机械化生产将有广阔的前景，使学生掌握单片机、传感器等微电子装置与农业机械监控部件结合的方法和实际生产操作技能。达到能够在实际使用中完成操作调整、进而掌握电子技术与农机设计相结合的理论和方法；最终学生应能够理解实验原理及实验方案，掌握正确操作规程，掌握各种仪器的使用。

3.1 播种机排种质量性能检测实验

该实验可以在不同播种参数（如播种株距、播种速度、播种盘型孔数）下实时检测排种器的播种合格指数、漏播指数、重播指数、株距变异系数等播种质量参数，并可检测指夹式排种器各个指夹的重播个数和漏播个数。同时对种子的下落情况进行实时的动画模拟显示。可以适用于不同型号的排种器，安装和拆卸过程简单快捷。

3.2 基于智能检测缺苗系统的全自动钵苗移栽实验

该实验在移栽机械手正常匀速回转运动作业情况下，若光电识别模块检测出苗盘中正常存在秧苗，则移栽机械手依次完成取苗、运输、挖穴与栽植四个移栽工序；若光电识别模块检测出苗盘中缺苗，则由直流推杆电机带动的秧箱横向移箱加速运动至正常存在秧苗位置，以配合移栽机械手完成取苗、运输、挖穴与栽植四个移栽工序，从而保证所栽植的秧苗株距一致，减少漏栽。

3.3 基于GPS的拖拉机导航与辅助驾驶实验

该实验可实现拖拉机路径规划、辅助驾驶、路径跟踪、自动控制等动作，系统采用高精度GPS定位，控制精度在±2.5 cm以内，作业精度高，作业速度快。

3.4 雾滴粒径检测与喷雾性能综合实验

在田间开展喷雾机的喷雾性能试验时，喷雾机喷头的压力大小、流量、喷洒均匀性、功率消耗等是难以进行有效且准确测量的。但是，在实验室内我们借助于喷雾性能综合测试平台，基于计算机视觉图像处理、超声波精确测距、传感器耦合以及计算机综合控制等关键技术，可以自动完成并准确地测量所需的数据，最终实现对喷雾机以及关键部件的各项性能指标的综合测试[5-7]。

4 结语

国内部分农林类高校已经开设了农业智能装备工程新专业，并设置了智能农业装备技术等相关课程，但是课程的教学内容、教学模式、教学方法等尚不健全，课程建设需要不断地深入优化。本文以河南农业大学为例，从课程教学目标与要求、理论教学内容与教学方法、实验教学内容等方面对智能农业装备技术课程建设与应用进行了研究与探讨，以提高课程建设质量与水平，提高学生对智能农业装备与技术的学习兴趣与积极性，为国家开展智能农业装备人才培养提供了一定的参考。