智慧农业装备虚拟仿真实训基地建设研究与实践

摘" 要：该文通过梳理目前国内虚拟仿真实训基地建设存在的问题，对比借鉴国内外先进经验，从虚拟仿真基地环境建设、仿真资源建设、虚拟仿真实训基地综合服务平台建设、运营管理模式4个方面进行研究，结合智慧农业装备产业特色，在校企合作共创共建共享的实践过程中，全面落实育训并举职责，探索解决基地整体管理资源调配共享难、“三高四不”等教学难题，为智慧农业装备虚拟仿真实训基地建设提供理论指导。

关键词：智慧农业；农业装备；虚拟仿真；实训基地；虚拟仿真基地

中图分类号：G647" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2024）16-0018-04

Abstract： By combing the problems existing in the construction of domestic virtual simulation training base， and comparing the advanced experience at home and abroad， this paper starts with four aspects： the environment construction of virtual simulation base， the construction of simulation resources， the construction of comprehensive service platform of virtual simulation training base， and the mode of operation and management， this paper considers the characteristics of smart agricultural equipment industry， and comprehensively implements the responsibility of education and training in the practical process of co-construction and sharing between schools and enterprises， to explore and solve the teaching problems such as the difficulty of resource allocation and sharing in the overall management of the base， such as \"Three Highs and Four Don'ts\"， so as to provide theoretical guidance for the construction of virtual simulation training base for smart agricultural equipment.

Keywords： smart agriculture; agricultural equipment; virtual simulation; training base; virtual simulation base

近年来，国家持续关注虚拟仿真实训基地建设，不断加强政策指导，投入大量资金支持，各大高校积极响应行动，转变思想实施数字化转型，探索利用虚拟现实新技术改革传统教育教学模式的新途径，解决职业教育教学实训课程中的“三高三难”问题，提高教学质量，对接区域产业发展，培养符合企业需求的技能型人才，推动虚拟仿真实训基地建设迈向新台阶。在这样的背景下，研究智慧农业装备虚拟仿真实训基地建设成为职业教育面临的新课题。

1" 研究意义

1.1" 学术意义

一是丰富了智慧农业装备虚拟仿真实训基地研究内容。由于国内虚拟仿真技术应用研究起步晚，研究成果较少，理论积淀较为单薄，因此本研究依据智慧农业装备人才培养逻辑体系分析，从基地环境建设、资源建设、平台建设等多维度探索，一定程度上充实了智慧农业装备虚拟仿真实训基地建设的理论研究。

二是完善传统的教学模式。利用数字化技术和虚拟现实技术，模拟真实的场景和情境，使学生身临其境地参与到实际操作和决策中，打破传统教室教学限制，提供更加灵活多样的学习方式，激发学生的学习兴趣和动力。

1.2" 应用意义

一是提升高职院校社会服务能力。聚焦智慧农业装备产业发展，提升专业技能人才培训质量，培训数以万计的高素质专业技能人才，具有助推区域经济社会发展的应用价值。

二是校企互惠共赢。基地建设创建以学校为主体，企业辅助运行的管理模式，有利于优化调配校企双方资源，有机结合教育链与产业链，达到互惠共赢目标。

2" 国内外研究现状

2.1" 国外研究现状

通过对Web of Science外文数据库检索，对77 236篇关于虚拟仿真研究的文献进行可视化分析，形成年度发文量趋势图（图1）和数据聚类点云图（图2）。

自2000年至今关于虚拟仿真的研究热度呈现上升趋势，研究较为集中的领域包括：虚拟仿真（virtual reality）、虚拟仿真技术（virtual reality technology）、虚拟仿真系统（virtual reality system）等。

2.2" 外文高引用文献简述

虚拟仿真实训广泛应用研究助力行业发展。Gavish[1]研究分析VR和AR平台用于工业维护和装配（IMA）任务时，AR解决问题能力较高，应鼓励使用AR平台来训练IMA任务。Makransky[2]对参加2×2交叉实验的52名大学生分析研究得出VR在教育和培训方面具有激励特性。Makransky[3]通过对比分析沉浸式VR、桌面VR和传统安全手册3种媒体，发现在物理实验室环境中解决问题、内在动机、自我效能感上VR具有显著成效。Turso-Finnich[4]综述虚拟现实模拟培训在医学教育领域中的应用，得出虚拟现实头戴式显示器优于传统的外科手术学习方法。

2.3" 国内研究现状

通过对中国知网关于“虚拟仿真实训”的666篇文献进行可视化分析，形成发表年度趋势图（图3）和主要主题分布图（图4）。

我国虚拟仿真实训起步较晚，2019年发文量达到短暂峰值后研究趋势呈现波浪式发展，总体研究状况呈上升趋势。关于虚拟仿真实训基地建设的研究主要集中在“虚拟仿真”“仿真实训”“仿真实训平台”等领域。

2.4" 国内核心文献简述

虚拟仿真实训基地建设全方位多元素投入。王晓光[5]提出硬件设施基础建设是教育教学工作开展的核心场所，加大基础设施投入十分重要。王强[6]提出建设高水平师资团队，采用多元化用人制度，培育“双师型”人才，是虚拟仿真实训基地建设的重点。黄德军等[7]提出综合型教学管理平台是实现远程教学指导的有效途径。杨壮[8]认为高等学校的虚拟仿真实训基地建设中要吸引多方渠道的投资，实行校企合作方式。曾照香等[9]认为要想建立新时代的智能化的虚拟仿真实训基地，就要把实训场景和平台、仿真资源以及师资力量和管理系统都完善起来。

国内外学者对虚拟仿真技术应用做了大量研究，一致认可虚拟仿真实训基地建设的重要性，但目前虚拟仿真实训基地建设研究中仍然存在不足之处，如社会服务度低、仿真资源利用率低、基地运行管理机制落后等。本文在现有基础上研究符合高职院校人才培养的智慧农业装备虚拟仿真实训基地建设，完善并解决以上存在的不足之处。

3" 研究目标及重点解决问题

虚拟仿真实训基地紧密对接区域智慧农业装备产业人才、技术需求，打造国内开放共享的工业虚拟现实中心，服务区域经济社会发展，建成汇集红色教育、安全教育、智慧农业装备虚拟现实公共体验中心，形成完善的制度标准和管理机制，提供可借鉴的模式和经验，开展多层次技能培训形成社会服务品牌。

满足企业对数字化人才的需求。目前众多企业已实现智能化管理，需要大量掌握物联网控制、智能化管理等数字化复合型技能人才，高职院校为企业开发车间虚拟仿真数字孪生系统，承接企业数字孪生工厂、智能温室建设项目、园林景观设计项目、工程建设管理项目、绿地养护项目、智慧农机装备仿真生产线项目，重点解决企业对生产、管理、人员、设备、事件、物流、环境的全面监测，帮助企业解决工厂信息不透明、监控分散、信息反馈不及时等问题，满足企业对数字化专业人才的需求。

实训教学中高风险、难操作的设备存在较大安全隐患。通过智慧农业装备虚拟仿真实训基地建设，实现专业数字化转型，教学资源数字转化提升，解决教育教学活动中看不到、进不去、难操作、成本高及危险性大等问题。有效解决职业教育实训破解“三高三难”问题，既是改革传统教学育人手段，推进人才培养模式创新的迫切需要，也是强化教学、学习、实训相融合的需要。

4" 研究内容

4.1" 环境建设研究

环境建设是实训基地建设的基础，实训基地在原有的仿真实训基础上，紧密结合智慧农业装备、智能控制装备与专业课程，打造6大功能区：红色教育和安全教育体验区、仿真资源开发区、职业体验实训区、工业仿真实训区、全息3D实训区、虚实一体实训区。形成“教-学-做-创-用”闭环，打造集“展示体验、教学实训、创研开发、专业内涵提升”于一体的虚拟仿真实训基地。

4.2" 资源建设研究

依据三层次实践教学体系，分类建设虚拟仿真资源。依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，按照真实环境真学真做掌握真本领的要求，配套建设一批先进的装备制造类虚拟仿真实训资源，提供沉浸式、交互式实习实训。通过半实物仿真、全虚拟仿真形式，替代在高危或极端的环境、不可及或不可逆以及高成本、高消耗的操作，解决“看不见、进不去、动不了、难再现”的实训教学难题。

4.3" “教学训评管”综合服务平台建设研究

基于“云物大智移”技术，按照“统一规划、资源共享、统一集成、快捷实施”的原则，研究“教学训评管”综合服务平台建设，联通设备与管理平台、管理平台与各教学平台，解决数据孤岛、难管理的问题。以智能化的手段，促进信息技术和智能技术深度融入理论教学和实训教学，从各个维度获取、监控、分析理论教学数据与实训教学数据，为学校提供全方位的教学管理与大数据分析。

4.4" 运营管理模式研究

为保障智慧农业装备虚拟仿真实训基地建设和运行始终与现代智能装备行业新技术、新工艺发展同步，充分发挥基地的资源优势，组建实训基地校企共建联合体，设立基地管理办公室，建立信息化教学管理平台，构建完善的基地管理评价体系，形成区域合作共建共享运营管理模式，达到优质虚拟仿真实训资源可持续应用的效果，创造更多社会服务价值。

5" 智慧农业装备虚拟仿真实训基地建设实践

5.1" 一流的虚拟现实环境建设

智慧农业装备虚拟仿真实训基地按照各类学科虚拟仿真技术需求，投入硬件建设搭建软件平台打造六大功能区。

红色教育和安全教育体验区。建有沉浸式VR红色教育和安全教育实训室，配备立体曲面LED屏、智能一体化操控台、3D立体眼镜等。开展红色思政教育，全景思政资源、思政课程教学资源、思政教学实践管理及精神谱系等，配合丰富生动的内涵解读、影像讲解，灵活多变的三维沉浸式体验，突破传统授课理论枯燥难题，提高学生的学习兴趣。通过全息3D交互机、VR头盔等设备，沉浸式体验地震、洪水、防溺水、高危作业的安全教育。

仿真资源开发区。建有三维扫描建模、全景制作实训室，配备工业级3D打印机、物体3D扫描仪、工业级手持式三维扫描仪等，以学校为主体企业辅助合作实现VR/AR/MR资源项目开发，同时引导学生自主研发，培养创新能力。

职业体验实训区。建有沉浸式VR职业体验实训室，配备环幕立体投影、无线VR多人协同头盔等。以智能装备、智慧农业装备、智能控制装备为主，采用虚拟互动的形式，开展产业认知、职业认知安全教育、创新创业等教育，深入学习产业发展和奋斗历程，身临其境地对机械装备等工作岗位进行认知学习，以虚拟仿真引领学生创新创业，提高学生的学习兴趣。

工业仿真体验区。建有智能控制装备、智慧农业装备仿真实训中心，配备工作站、VR虚拟现实头显示设备、虚拟现实教学系统、VR设备智能中控系统、西门子智能控制虚拟仿真系统、智能生产线虚拟仿真系统、智慧农业管养VR虚拟仿真软件、园林绿地智慧管养平台、数字孪生园林项目实训仿真软件、园林工程施工管理虚拟仿真软件以及园林绿化与养护虚拟仿真软件等。针对企业大型生产线类实验项目，开展智能生产线虚拟仿真、智能控制虚拟仿真教学，实现企业生产场景进课堂、理虚训结合教学。

全息3D实训区。建有全息3D实训室，配备3D跟踪眼镜、3D定位笔、桌面式全息3D交互机等，构建全息3D的虚拟现实实训系统，搭载全息资源供学生虚拟实验，实现2 000个立体模型交互性、可拆卸性操作，系统内置创客创意课程，具备虚拟现实课件三维建模及制作功能。为教师研发互动式三维课件提供便利，模型制作完成可直接导入课件无需渲染，同时可利用3D打印机将模型打印。

虚实一体实训区。建有智慧农业、智能装备虚实一体化中心，配备智能农机装备、智能温室虚拟仿真平台、VR图形工作站、沉浸式虚拟现实头戴显示设备和VR空间定位系统等。虚拟仿真系统与实训硬件同时部署在真实教学现场，特别是智能农机装备加工实训、智能控制、高压电器系统等，完成以实带虚、以虚助实、虚实结合的教学效果显著。

5.2" 丰富的虚拟现实资源

为解决“看不见、进不去、动不了、难再现”的教学难题，实现企业生产进课堂。校企合作开发智能控制虚拟仿真资源、智慧农业虚拟仿真资源、节水灌溉数字孪生资源、智慧园林建管养设备虚拟仿真资源、智慧农业管养VR虚拟仿真软件、园林绿化与养护虚拟仿真软件和园林工程施工管理虚拟仿真软件，涵盖智慧农业装备产业技能学习中大型、危险、高成本及难操作等真实教学场景资源，将信息化与课堂教学有机结合，教学效果显著提升。

5.3" 搭建智能化综合服务平台

智能化综合服务平台集教学训评管于一体，打造虚拟仿真资源建设、智慧化教学、实训设备管理、基地智慧化管理全生态服务。平台本地化部署，服务器托管于学校信息中心机房。虚拟仿真管理平台采用BS架构便于师生学习使用，虚拟仿真资源汇集本地自主研发及云资源，可提供API接口开放对接校园教务、学工等教育教学系统，解决信息孤岛问题。平台基于学生学习次数、易错点、作业成绩等大数据分析制定学习计划，为学生提供个性化服务，便于学生自主学习。系统硬件运行状态实时监控，异常状态短信及时通知，实现中心无人值守的智能化管理。

5.4" 合作共建共享管理运营模式

在“政府引导、校校共建、校企共建”指导思想下，建立智慧农业装备虚拟仿真实训基地的合作共建共享管理运营模式。设立专门管理机构，按照制度化、规范化、标准化要求，系统制定日常运行、绩效考核、基地维护与可持续发展等管理制度，建立有利于激励学生学习和提高学生创新能力、提高各级各类培训质量的教学效果考核、评价和反馈机制，全面引领虚拟仿真基地建设。

6" 结束语

智慧农业装备虚拟仿真实训基地将虚拟现实（包括VR虚拟现实、AR增强现实、MR混合现实）赋能前沿智能装备领域，创新实训形式和服务模式，开展行业应用示范，让师生通过虚拟现实沉浸式的授课学习，认识智能装备产业的新产品、新业态、新模式，提升对现代工业的认知，为区域经济高质量发展的新引擎和新动能助力。

参考文献：

[1] GAVISH N. Evaluating virtual reality and augmented reality training for industrial maintenance and assembly tasks[J]. Research Policy，2015，23（6）：778-798.

[2] MAKRANSKY G. Adding immersive virtual reality to a science lab simulation causes more presence but less learning[J]. Research Policy，2019，60：225-236.

[3] MAKRANSKY G. Motivational and cognitive benefits of training in immersive virtual reality based on multiple assessments[J]. Social Studies of Science，2019，35（6）：691-707.

[4] TURSO-FINNICH T. Virtual Reality Head-Mounted Displays in Medical Education A Systematic Review[J]. Econometrica，2023，18（1）：42-50.

[5] 王晓光.职业院校虚拟仿真实训基地建设模式探索[J].青海教育，2021（Z3）：92，94.

[6] 王强.高原高寒地区交通建造虚拟仿真实训基地应用研究[J].青海交通科技，2021，33（3）：32-38.

[7] 黄德军，何文胜.虚拟仿真实训基地支撑体系研究——以食品药品类专业为例[J].无线互联科技，2021，18（17）：125-127.

[8] 杨壮.电力综合虚拟仿真实训基地建设的探索与实践[J].中国新通信，2022，24（8）：44-4.

[9] 曾照香，刘哲，李金亮.新时代职业院校智能装备虚拟仿真实训基地建设研究[J].教育与职业，2022（9）：109-112.