智能聯(lián)合收割機(jī)多功能虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

金文忻，金 峰，孔德志，趙夢(mèng)龍，李巢湖

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400；2.江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212028；3.無錫林農(nóng)軟件科技有限公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的教育教學(xué)工具，通過計(jì)算機(jī)軟件模擬真實(shí)的物理環(huán)境或工作場(chǎng)景，為學(xué)生提供了一個(gè)真實(shí)的學(xué)習(xí)實(shí)踐環(huán)境[1]。它可以模擬各種復(fù)雜的實(shí)際場(chǎng)景，避免學(xué)生在實(shí)際操作中受到傷害，保證學(xué)生安全的同時(shí)可以通過圖形化界面進(jìn)行交互操作，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，不需要花費(fèi)大量的時(shí)間去學(xué)習(xí)[2-3]。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)沒有實(shí)際的物理限制，學(xué)生可以不斷重復(fù)操作，直到掌握技能，且與實(shí)際設(shè)備和場(chǎng)地相比，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的成本較低，可以大大降低培訓(xùn)和教育成本。

習(xí)近平總書記指出，要大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化，給農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化插上科技的翅膀。農(nóng)業(yè)裝備已向以CPS、NFC等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)為技術(shù)手段的4.0智能時(shí)代[4-5]。目前，一些大型農(nóng)場(chǎng)已逐步開始使用智能作業(yè)收獲裝備，但我們的教學(xué)仍然停留在傳統(tǒng)作業(yè)收獲裝備上，缺乏技術(shù)前沿性、先進(jìn)性，學(xué)生掌握的技能不能適應(yīng)智能化機(jī)具的發(fā)展維護(hù)要求[6-7]。本實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目堅(jiān)持“共享資源、持續(xù)發(fā)展、實(shí)踐創(chuàng)新”的指導(dǎo)思想，以全面提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，充分體現(xiàn)信息化教學(xué)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的原則，應(yīng)用虛擬仿真、多媒體、人機(jī)交互等技術(shù)，整合信息化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源，建立智能聯(lián)合收割機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人駕駛作業(yè)、遠(yuǎn)程作業(yè)監(jiān)控、虛擬拆裝維修、仿真故障排查等綜合技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

2 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能聯(lián)合收割機(jī)多功能虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可依托網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器多機(jī)運(yùn)行，保證用戶能夠隨時(shí)隨地通過瀏覽器訪問，軟件系統(tǒng)包括學(xué)生端、教師管理端、后臺(tái)服務(wù)端。

1）學(xué)生端用于日常教學(xué)中學(xué)生和行業(yè)培訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)使用及模擬考核，包括用戶模塊、課程模塊和考核模塊共3大部分。用戶模塊主要是學(xué)生及參與培訓(xùn)的人員用于管理個(gè)人信息，查詢個(gè)人學(xué)習(xí)記錄和考核記錄等；課程模塊是依托智能聯(lián)合收割機(jī)的多功能虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)軟件，包括智能聯(lián)合收割機(jī)原理仿真、智能聯(lián)合收割機(jī)虛擬故障診斷、智能聯(lián)合收割機(jī)無人駕駛作業(yè)及遠(yuǎn)程監(jiān)控，共3個(gè)模塊。

2）教師管理端主要是在教學(xué)中方便教師進(jìn)行教學(xué)管理，包括用戶權(quán)限的管理、組織結(jié)構(gòu)管理、課程類別和模塊管理、考核管理等等。

3）后臺(tái)服務(wù)端主要是面向系統(tǒng)管理員或軟件技術(shù)服務(wù)人員對(duì)虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)維護(hù)。

2.2 主要功能模塊

1）智能聯(lián)合收割機(jī)多功能虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要包含3個(gè)知識(shí)模塊，26個(gè)具體知識(shí)點(diǎn)。通過虛擬仿真原理系統(tǒng)掌握聯(lián)合收割機(jī)各部分工作原理，在理論教學(xué)過程中借助虛擬仿真原理系統(tǒng)，能直觀看到機(jī)器內(nèi)部工作過程，理解工作原理，掌握各部分功用。通過虛擬仿真排故系統(tǒng)掌握聯(lián)合收割機(jī)工作過程中常見的故障診斷方法和排故手段：選擇對(duì)應(yīng)故障現(xiàn)象進(jìn)入該故障排故模式、查看系統(tǒng)診斷思路，明確排查步驟及方法，按照系統(tǒng)提示選擇正確工具按步驟完成排故，完成后整車測(cè)試查看排故是否成功。通過課上仿真學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了故障診斷方法，課后學(xué)生可通過在線測(cè)試功能檢驗(yàn)掌握情況，系統(tǒng)隨機(jī)抽取故障，根據(jù)學(xué)生排故速度、操作規(guī)范性及正確性綜合評(píng)分。通過虛擬仿真無人駕駛及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)掌握先進(jìn)的無人駕駛智能裝備安裝調(diào)試及使用，并能在使用過程中完成參數(shù)設(shè)置及調(diào)整。

2）考核模塊主要分為結(jié)構(gòu)認(rèn)知考核、工作原理考核、排故考核3部分。結(jié)構(gòu)認(rèn)知考核主要是在仿真原理知識(shí)模塊中通過智能聯(lián)合收割機(jī)各部分拆裝仿真實(shí)訓(xùn)考核學(xué)生對(duì)割臺(tái)部分、脫粒部分、行走部分、傳動(dòng)部分、動(dòng)力部分、電氣部分、儲(chǔ)糧部分的結(jié)構(gòu)認(rèn)知情況。采用對(duì)具體部分拆裝練習(xí)幫助學(xué)生掌握具體結(jié)構(gòu)。工作原理考核主要考核學(xué)生對(duì)割臺(tái)部分、輸送部分、脫粒部分的各機(jī)構(gòu)工作原理理解情況，采用問答判斷的考核方式。排故考核主要針對(duì)智能收割機(jī)常見的20種故障進(jìn)行模擬排故訓(xùn)練。切換考核模式，設(shè)定場(chǎng)景學(xué)生即可在練習(xí)好基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)故障排查，以排故時(shí)間及完成度賦分。

2.3 教學(xué)方法及評(píng)價(jià)體系

授課教師充分利用虛擬信息技術(shù)，通過翻轉(zhuǎn)課堂，讓課堂更為人性化、師生關(guān)系更為和諧，讓學(xué)生掌握理論知識(shí)，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。在理論部分教學(xué)中主要運(yùn)用講授法、演示法、討論法和啟發(fā)式的教學(xué)法[8-10]。在實(shí)踐教學(xué)中主要運(yùn)用觀察法、練習(xí)法和行動(dòng)導(dǎo)向的教學(xué)法。學(xué)生在使用智能聯(lián)合收割機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)練習(xí)時(shí)，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)記錄學(xué)生的練習(xí)情況。此外系統(tǒng)可開啟提示模式，即每一步驟是否正確，輔助學(xué)生每個(gè)步驟的準(zhǔn)確性，對(duì)操作錯(cuò)誤環(huán)節(jié)進(jìn)行糾正。系統(tǒng)設(shè)有考核模式，實(shí)時(shí)記錄學(xué)生每步操作的正確性并同時(shí)計(jì)時(shí)，在考核結(jié)束后，列出測(cè)試過程中的錯(cuò)誤環(huán)節(jié)、操作的時(shí)間和最后的總得分。

3 教學(xué)實(shí)訓(xùn)應(yīng)用

智能聯(lián)合收割機(jī)多功能虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)將服務(wù)我校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備應(yīng)用技術(shù)、農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)，涉及《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》《現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)》《智能聯(lián)合收割機(jī)使用與維護(hù)》《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)綜合實(shí)習(xí)》等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)訓(xùn)培訓(xùn)人數(shù)超過2 000人。在日常教學(xué)中，依托虛擬仿真平臺(tái)，將視頻、動(dòng)畫、仿真有機(jī)集成，豐富了教學(xué)資源，拓展了課堂設(shè)計(jì)空間和教學(xué)手段，顯著增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)課堂設(shè)計(jì)的參與感。在《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)綜合實(shí)習(xí)》課程實(shí)操教學(xué)的過程中，學(xué)生通過事先仿真系統(tǒng)預(yù)習(xí)及回顧，顯著提高了對(duì)實(shí)操的接受能力和操作水平，取得了積極的教學(xué)效果和應(yīng)用效應(yīng)。

4 結(jié)語

1）本項(xiàng)目通過創(chuàng)建智能聯(lián)合收割機(jī)多功能虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，將收割機(jī)結(jié)構(gòu)原理仿真、故障診斷、無人駕駛及遠(yuǎn)程檢測(cè)三系統(tǒng)融合。通過三維動(dòng)畫視頻演示、仿真實(shí)訓(xùn)操作、在線考評(píng)、課件資源等教學(xué)功能，對(duì)智能收割機(jī)割臺(tái)部分、脫粒部分、輸送部分、行走部分等關(guān)鍵系統(tǒng)工作原理、模擬拆裝、典型故障診斷、無人駕駛與監(jiān)測(cè)使用設(shè)置進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可以縮短總課時(shí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)智能收割機(jī)結(jié)構(gòu)原理的認(rèn)識(shí)和理解，減少對(duì)真實(shí)農(nóng)機(jī)實(shí)訓(xùn)拆裝的磨損，降低學(xué)員實(shí)訓(xùn)事故風(fēng)險(xiǎn)，提高教學(xué)效率。

2）本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)的深度融合，虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用，可以對(duì)傳統(tǒng)課堂上不好描述和展示的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理，隱蔽的知識(shí)點(diǎn)做立體化的展示，便于理解，提高教學(xué)質(zhì)量。