旱地機(jī)械化耕種作業(yè)虛擬仿真系統(tǒng)建設(shè)

董向前， 陳 雨， 宋正河， 陳 度， 王慶杰， 杜岳峰

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與農(nóng)業(yè)工程國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，北京 100083）

0 引 言

農(nóng)業(yè)機(jī)械與設(shè)備是農(nóng)業(yè)機(jī)械化及自動化、農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，課程要求掌握各種農(nóng)業(yè)機(jī)械的構(gòu)造、工作過程、原理和有關(guān)理論，所需牽引力、功率耗用、與拖拉機(jī)的連接配套和使用調(diào)整。作為主要的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證理論知識、培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題能力的重要手段［1-2］，對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、生產(chǎn)實(shí)踐以及科研能力都具有重要意義。

受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)條件、生產(chǎn)方式等因素影響，農(nóng)業(yè)機(jī)械具有種類繁多、作業(yè)復(fù)雜、生產(chǎn)季節(jié)性強(qiáng)、作業(yè)時間短等特點(diǎn)［3］，導(dǎo)致在農(nóng)業(yè)機(jī)械化課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，難以全面開展綜合性、創(chuàng)新型機(jī)械化農(nóng)田作業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，僅僅依靠模型演示、動畫模擬、現(xiàn)場觀摩等教學(xué)形式，學(xué)生很難深入理解復(fù)雜農(nóng)業(yè)裝備的功能原理、作業(yè)性能和智能測控等方面的知識點(diǎn)，進(jìn)而造成學(xué)生無法在裝備設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、智能作業(yè)等模塊中開展創(chuàng)新性的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

近年來，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并且獲得了顯著教學(xué)效果［4-8］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以突破實(shí)體教學(xué)局限，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間和空間，有效推進(jìn)教學(xué)改革并提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量［9-12］。

根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020 年）》和《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》的要求，工學(xué)院主動適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求，遵循高等教育規(guī)律和人才成長規(guī)律，以培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為本科教學(xué)質(zhì)量的重要目標(biāo)，結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械綜合性實(shí)驗(yàn)體系的教學(xué)實(shí)踐，依托機(jī)械與農(nóng)業(yè)工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教學(xué)優(yōu)勢，基于“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的原則，構(gòu)建了旱地機(jī)械化耕種作業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，促進(jìn)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的提升。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)和建設(shè)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程包括許多不同的作業(yè)環(huán)節(jié)，其中耕地、播種作業(yè)是兩個極為重要的環(huán)節(jié)，耕地為作物生長創(chuàng)造適宜土壤條件，是作物豐收的基礎(chǔ)，良好的播種是保證出苗齊全和禾苗茁壯的基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的典型耕種機(jī)械包括鏵式犁、旋耕機(jī)、深松機(jī)、免耕播種機(jī)，在教學(xué)中要求掌握機(jī)械的結(jié)構(gòu)、工作原理與拖拉機(jī)配套使用調(diào)整和田間作業(yè)性能等內(nèi)容，涉及鏵式犁犁體曲面形成原理及耕作性能、旋耕機(jī)刀片的配置、深松機(jī)松土破碎理論、免耕播種機(jī)重力切茬、動力驅(qū)動和秸稈流動防堵等防堵原理等相關(guān)知識。這些知識點(diǎn)在常規(guī)的教學(xué)中難以在較短時間內(nèi)使學(xué)生對旱地機(jī)械化耕種作業(yè)機(jī)械的知識形成清晰直觀的認(rèn)識。

依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的旱地機(jī)械化耕種作業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，按照基礎(chǔ)型、提高型和研究型3 個層次設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開發(fā)了旱地機(jī)械化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展交互性實(shí)驗(yàn)，能夠在較短時間內(nèi)對旱地機(jī)械化耕種作業(yè)機(jī)械的結(jié)構(gòu)組成、功能原理和性能參數(shù)形成清晰直觀的認(rèn)識，并通過開放、自主、交互式學(xué)習(xí)，深入理解我國北方旱地機(jī)械化作業(yè)過程，從而達(dá)到《農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備》等相關(guān)課程教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果，全面提高學(xué)生實(shí)踐能力。

1.1 引導(dǎo)短視頻

實(shí)驗(yàn)由AR 動畫開始，主要介紹旱地機(jī)械化耕種基本流程與典型機(jī)具應(yīng)用場景。引導(dǎo)視頻可讓學(xué)生認(rèn)識虛擬仿真技術(shù)的前沿以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性和優(yōu)勢，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；同時，讓學(xué)生在“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)中了解旱地機(jī)械化耕作的特點(diǎn)以及對機(jī)具設(shè)計(jì)的基本要求，有助于理論聯(lián)系實(shí)際，提升實(shí)驗(yàn)虛實(shí)結(jié)合的效果，如田間作業(yè)中土壤-農(nóng)業(yè)機(jī)械直接交互作用過程。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理包括典型耕種機(jī)具結(jié)構(gòu)與拖拉機(jī)組掛接調(diào)整、田間作業(yè)性能測試等部分。利用三維數(shù)字化技術(shù)展示旋耕機(jī)、鏵式犁、深松機(jī)、免耕播種機(jī)的構(gòu)造與工作原理（見圖1）；借助虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建高度仿真的田間實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，對拖拉機(jī)機(jī)組田間作業(yè)的工作過程和原理進(jìn)行模擬，通過參數(shù)化界面實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)耕種作業(yè)過程的可視化；依托多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，形成網(wǎng)上實(shí)踐教學(xué)平臺，遵循學(xué)生學(xué)習(xí)和認(rèn)知的客觀規(guī)律，打破相對獨(dú)立的各個教學(xué)環(huán)節(jié)，將課程中大量碎片化的知識系統(tǒng)化，創(chuàng)造以學(xué)生為中心的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

圖1 耕種作業(yè)機(jī)械三維建模

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)對象為生物及其生長的環(huán)境如種子、作物、土壤、肥料等，由于它們種類繁多、形狀復(fù)雜、物理機(jī)械性質(zhì)多變并且軟弱易傷，為保障農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的要求，實(shí)驗(yàn)中必須設(shè)置合理的物料性狀，滿足各項(xiàng)作業(yè)的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求。此外實(shí)驗(yàn)中需要預(yù)設(shè)拖拉機(jī)耕作作業(yè)參數(shù)如行駛速度、動力輸出軸轉(zhuǎn)速、耕作深度、作業(yè)幅寬、土壤參數(shù)；免耕播種機(jī)作業(yè)參數(shù)如行駛速度、播種量、播深、行距、株距、土壤參數(shù)、秸稈覆蓋量等。

1.4 實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)方法和基本流程如下：登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，下載實(shí)驗(yàn)任務(wù)書，按照系統(tǒng)要求和提示在線完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在土槽實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，按照實(shí)驗(yàn)小組分工協(xié)作，設(shè)計(jì)土槽實(shí)驗(yàn)方案和內(nèi)容，完成土槽實(shí)驗(yàn)，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

具體的操作步驟包括登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，完成耕種機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理認(rèn)知學(xué)習(xí)；耕作模式選擇根據(jù)田間作業(yè)需求選擇旋耕、犁耕、深松、播種模式；機(jī)組掛接調(diào)整實(shí)驗(yàn)需根據(jù)田間工況，選擇合適的作業(yè)部件并完成整機(jī)的虛擬裝配，將作業(yè)機(jī)械與拖拉機(jī)掛接形成耕作機(jī)組，并根據(jù)作業(yè)工況耕作機(jī)械調(diào)整到合適的條件作業(yè)狀態(tài)并完成田間實(shí)驗(yàn)。

1.5 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法如圖2 所示，包括理論教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、土槽實(shí)驗(yàn)教學(xué)3 個部分，通過理論教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與土槽實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，提高了實(shí)驗(yàn)課程的系統(tǒng)性和完整性。

圖2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中按3 個層次開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生了解并掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)中作業(yè)機(jī)械的結(jié)構(gòu)、原理、工作過程，包括耕地機(jī)械、整地機(jī)械、種植機(jī)械。提高型實(shí)驗(yàn)旨在使學(xué)生掌握典型農(nóng)業(yè)機(jī)械部件或整機(jī)的拆解與裝配、使用與調(diào)整以及性能測試等內(nèi)容，典型的農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械如鏵式犁、旋耕機(jī)、深松機(jī)、播種機(jī)等。研究型實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生以問題為主線，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究農(nóng)業(yè)機(jī)械工作參數(shù)、土壤特性、性能指標(biāo)之間的定量關(guān)系。

在課程實(shí)施過程中采用“虛實(shí)結(jié)合、線上線下結(jié)合、相互促進(jìn)、互為補(bǔ)充”的原則，實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程（見圖3），依托建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開展線上實(shí)驗(yàn)，利用土槽實(shí)驗(yàn)臺開展線下的自主探究性實(shí)驗(yàn)。通過虛擬仿真線上實(shí)驗(yàn)與土槽線下實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，構(gòu)建了以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)為主線、理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)課程，提高了實(shí)驗(yàn)課程的系統(tǒng)性和完整性，改變傳統(tǒng)教學(xué)方式，學(xué)生可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)了解農(nóng)業(yè)機(jī)械的結(jié)構(gòu)；仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生更加生動地了解各部件的工作原理，并且增加虛擬裝配和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的實(shí)踐和自主創(chuàng)新能力。通過線下自主探究實(shí)驗(yàn)，積極引導(dǎo)學(xué)生探索、發(fā)現(xiàn)問題，在探究的過程中培養(yǎng)自身的創(chuàng)新意識和能力［13-16］。

圖3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特色

2.1 分層次虛實(shí)結(jié)合

針對當(dāng)前涉農(nóng)工程類專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)存在的學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ粡?qiáng)、綜合性創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)難以開展、時間和空間限制下實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂教學(xué)銜接緊密性不足等問題，該實(shí)驗(yàn)以旋耕機(jī)、翻轉(zhuǎn)犁、深松機(jī)、播種機(jī)等典型旱地耕種機(jī)械為對象，利用虛擬仿真技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了包含“機(jī)具構(gòu)造、工作原理、掛接調(diào)整、田間作業(yè)”4 個環(huán)節(jié)3 個層次的旱地機(jī)械化耕種實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生通過交互式操作，能夠全面了解并掌握典型旱地機(jī)械化耕種機(jī)械的結(jié)構(gòu)原理和田間作業(yè)效能。

2.2 沉浸式體現(xiàn)，線上線下相結(jié)合教學(xué)模式

旱地機(jī)械化耕種作業(yè)作為涉農(nóng)工程專業(yè)教學(xué)中重要的實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為新型教學(xué)手段，以模擬田間實(shí)際作業(yè)為中心，通過專業(yè)知識學(xué)習(xí)和模擬農(nóng)機(jī)具田間作業(yè)，使學(xué)生在虛擬場景體驗(yàn)田間作業(yè)環(huán)境，加深對耕種機(jī)具的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作過程的認(rèn)知程度，利用形象且直觀的展示方式，便于觀察和理解農(nóng)機(jī)具關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和實(shí)際田間作業(yè)過程。實(shí)驗(yàn)過程采用線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，提高學(xué)生的專業(yè)興趣和專業(yè)能力，為培養(yǎng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.3 優(yōu)化考評機(jī)制，促進(jìn)項(xiàng)目持續(xù)改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從基本素養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告3 個方面進(jìn)行考評，考評環(huán)節(jié)包括自評、同學(xué)間互評、教師評價(jià)3 個方面，評價(jià)還包括學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中對知識、能力、素質(zhì)的滿意度評價(jià)，對該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建議與意見。這些評價(jià)將促進(jìn)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的持續(xù)改進(jìn)和完善。

3 結(jié) 語

在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，理論教學(xué)往往與生產(chǎn)實(shí)際相脫離，容易造成學(xué)生理解不深、理論聯(lián)系實(shí)際困難等問題，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過將機(jī)具構(gòu)造、工作原理、掛接調(diào)整、田間作業(yè)等理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)融為一體，通過學(xué)生自主的交互式實(shí)驗(yàn)操作，全面了解并掌握旱地機(jī)械化耕種作業(yè)的典型機(jī)具及作業(yè)過程。在傳統(tǒng)理論講授和認(rèn)知實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過三維結(jié)構(gòu)原理展示、交互操作調(diào)整、虛擬作業(yè)操控、仿真儀表數(shù)據(jù)等手段和形式，引導(dǎo)學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、深度思考和在線反饋。同時，通過網(wǎng)絡(luò)化平臺管理，可以獲取學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)情況及實(shí)驗(yàn)效果數(shù)據(jù)，為改善實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)效果評價(jià)難的問題提供技術(shù)支撐。