智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地建設研究與實踐

摘" 要：該文通過梳理目前國內(nèi)虛擬仿真實訓基地建設存在的問題，對比借鑒國內(nèi)外先進經(jīng)驗，從虛擬仿真基地環(huán)境建設、仿真資源建設、虛擬仿真實訓基地綜合服務平臺建設、運營管理模式4個方面進行研究，結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)特色，在校企合作共創(chuàng)共建共享的實踐過程中，全面落實育訓并舉職責，探索解決基地整體管理資源調(diào)配共享難、“三高四不”等教學難題，為智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地建設提供理論指導。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；農(nóng)業(yè)裝備；虛擬仿真；實訓基地；虛擬仿真基地

中圖分類號：G647" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

近年來，國家持續(xù)關(guān)注虛擬仿真實訓基地建設，不斷加強政策指導，投入大量資金支持，各大高校積極響應行動，轉(zhuǎn)變思想實施數(shù)字化轉(zhuǎn)型，探索利用虛擬現(xiàn)實新技術(shù)改革傳統(tǒng)教育教學模式的新途徑，解決職業(yè)教育教學實訓課程中的“三高三難”問題，提高教學質(zhì)量，對接區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)符合企業(yè)需求的技能型人才，推動虛擬仿真實訓基地建設邁向新臺階。在這樣的背景下，研究智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地建設成為職業(yè)教育面臨的新課題。

1" 研究意義

1.1" 學術(shù)意義

一是豐富了智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地研究內(nèi)容。由于國內(nèi)虛擬仿真技術(shù)應用研究起步晚，研究成果較少，理論積淀較為單薄，因此本研究依據(jù)智慧農(nóng)業(yè)裝備人才培養(yǎng)邏輯體系分析，從基地環(huán)境建設、資源建設、平臺建設等多維度探索，一定程度上充實了智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地建設的理論研究。

二是完善傳統(tǒng)的教學模式。利用數(shù)字化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，模擬真實的場景和情境，使學生身臨其境地參與到實際操作和決策中，打破傳統(tǒng)教室教學限制，提供更加靈活多樣的學習方式，激發(fā)學生的學習興趣和動力。

1.2" 應用意義

一是提升高職院校社會服務能力。聚焦智慧農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升專業(yè)技能人才培訓質(zhì)量，培訓數(shù)以萬計的高素質(zhì)專業(yè)技能人才，具有助推區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的應用價值。

二是校企互惠共贏?；亟ㄔO創(chuàng)建以學校為主體，企業(yè)輔助運行的管理模式，有利于優(yōu)化調(diào)配校企雙方資源，有機結(jié)合教育鏈與產(chǎn)業(yè)鏈，達到互惠共贏目標。

2" 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1" 國外研究現(xiàn)狀

通過對Web of Science外文數(shù)據(jù)庫檢索，對77 236篇關(guān)于虛擬仿真研究的文獻進行可視化分析，形成年度發(fā)文量趨勢圖（圖1）和數(shù)據(jù)聚類點云圖（圖2）。

自2000年至今關(guān)于虛擬仿真的研究熱度呈現(xiàn)上升趨勢，研究較為集中的領(lǐng)域包括：虛擬仿真（virtual reality）、虛擬仿真技術(shù)（virtual reality technology）、虛擬仿真系統(tǒng)（virtual reality system）等。

2.2" 外文高引用文獻簡述

虛擬仿真實訓廣泛應用研究助力行業(yè)發(fā)展。Gavish[1]研究分析VR和AR平臺用于工業(yè)維護和裝配（IMA）任務時，AR解決問題能力較高，應鼓勵使用AR平臺來訓練IMA任務。Makransky[2]對參加2×2交叉實驗的52名大學生分析研究得出VR在教育和培訓方面具有激勵特性。Makransky[3]通過對比分析沉浸式VR、桌面VR和傳統(tǒng)安全手冊3種媒體，發(fā)現(xiàn)在物理實驗室環(huán)境中解決問題、內(nèi)在動機、自我效能感上VR具有顯著成效。Turso-Finnich[4]綜述虛擬現(xiàn)實模擬培訓在醫(yī)學教育領(lǐng)域中的應用，得出虛擬現(xiàn)實頭戴式顯示器優(yōu)于傳統(tǒng)的外科手術(shù)學習方法。

2.3" 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

通過對中國知網(wǎng)關(guān)于“虛擬仿真實訓”的666篇文獻進行可視化分析，形成發(fā)表年度趨勢圖（圖3）和主要主題分布圖（圖4）。

我國虛擬仿真實訓起步較晚，2019年發(fā)文量達到短暫峰值后研究趨勢呈現(xiàn)波浪式發(fā)展，總體研究狀況呈上升趨勢。關(guān)于虛擬仿真實訓基地建設的研究主要集中在“虛擬仿真”“仿真實訓”“仿真實訓平臺”等領(lǐng)域。

2.4" 國內(nèi)核心文獻簡述

虛擬仿真實訓基地建設全方位多元素投入。王曉光[5]提出硬件設施基礎建設是教育教學工作開展的核心場所，加大基礎設施投入十分重要。王強[6]提出建設高水平師資團隊，采用多元化用人制度，培育“雙師型”人才，是虛擬仿真實訓基地建設的重點。黃德軍等[7]提出綜合型教學管理平臺是實現(xiàn)遠程教學指導的有效途徑。楊壯[8]認為高等學校的虛擬仿真實訓基地建設中要吸引多方渠道的投資，實行校企合作方式。曾照香等[9]認為要想建立新時代的智能化的虛擬仿真實訓基地，就要把實訓場景和平臺、仿真資源以及師資力量和管理系統(tǒng)都完善起來。

國內(nèi)外學者對虛擬仿真技術(shù)應用做了大量研究，一致認可虛擬仿真實訓基地建設的重要性，但目前虛擬仿真實訓基地建設研究中仍然存在不足之處，如社會服務度低、仿真資源利用率低、基地運行管理機制落后等。本文在現(xiàn)有基礎上研究符合高職院校人才培養(yǎng)的智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地建設，完善并解決以上存在的不足之處。

3" 研究目標及重點解決問題

虛擬仿真實訓基地緊密對接區(qū)域智慧農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)人才、技術(shù)需求，打造國內(nèi)開放共享的工業(yè)虛擬現(xiàn)實中心，服務區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展，建成匯集紅色教育、安全教育、智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬現(xiàn)實公共體驗中心，形成完善的制度標準和管理機制，提供可借鑒的模式和經(jīng)驗，開展多層次技能培訓形成社會服務品牌。

滿足企業(yè)對數(shù)字化人才的需求。目前眾多企業(yè)已實現(xiàn)智能化管理，需要大量掌握物聯(lián)網(wǎng)控制、智能化管理等數(shù)字化復合型技能人才，高職院校為企業(yè)開發(fā)車間虛擬仿真數(shù)字孿生系統(tǒng)，承接企業(yè)數(shù)字孿生工廠、智能溫室建設項目、園林景觀設計項目、工程建設管理項目、綠地養(yǎng)護項目、智慧農(nóng)機裝備仿真生產(chǎn)線項目，重點解決企業(yè)對生產(chǎn)、管理、人員、設備、事件、物流、環(huán)境的全面監(jiān)測，幫助企業(yè)解決工廠信息不透明、監(jiān)控分散、信息反饋不及時等問題，滿足企業(yè)對數(shù)字化專業(yè)人才的需求。

實訓教學中高風險、難操作的設備存在較大安全隱患。通過智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地建設，實現(xiàn)專業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，教學資源數(shù)字轉(zhuǎn)化提升，解決教育教學活動中看不到、進不去、難操作、成本高及危險性大等問題。有效解決職業(yè)教育實訓破解“三高三難”問題，既是改革傳統(tǒng)教學育人手段，推進人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新的迫切需要，也是強化教學、學習、實訓相融合的需要。

4" 研究內(nèi)容

4.1" 環(huán)境建設研究

環(huán)境建設是實訓基地建設的基礎，實訓基地在原有的仿真實訓基礎上，緊密結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)裝備、智能控制裝備與專業(yè)課程，打造6大功能區(qū)：紅色教育和安全教育體驗區(qū)、仿真資源開發(fā)區(qū)、職業(yè)體驗實訓區(qū)、工業(yè)仿真實訓區(qū)、全息3D實訓區(qū)、虛實一體實訓區(qū)。形成“教-學-做-創(chuàng)-用”閉環(huán)，打造集“展示體驗、教學實訓、創(chuàng)研開發(fā)、專業(yè)內(nèi)涵提升”于一體的虛擬仿真實訓基地。

4.2" 資源建設研究

依據(jù)三層次實踐教學體系，分類建設虛擬仿真資源。依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通信等技術(shù)，按照真實環(huán)境真學真做掌握真本領(lǐng)的要求，配套建設一批先進的裝備制造類虛擬仿真實訓資源，提供沉浸式、交互式實習實訓。通過半實物仿真、全虛擬仿真形式，替代在高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆以及高成本、高消耗的操作，解決“看不見、進不去、動不了、難再現(xiàn)”的實訓教學難題。

4.3" “教學訓評管”綜合服務平臺建設研究

基于“云物大智移”技術(shù)，按照“統(tǒng)一規(guī)劃、資源共享、統(tǒng)一集成、快捷實施”的原則，研究“教學訓評管”綜合服務平臺建設，聯(lián)通設備與管理平臺、管理平臺與各教學平臺，解決數(shù)據(jù)孤島、難管理的問題。以智能化的手段，促進信息技術(shù)和智能技術(shù)深度融入理論教學和實訓教學，從各個維度獲取、監(jiān)控、分析理論教學數(shù)據(jù)與實訓教學數(shù)據(jù)，為學校提供全方位的教學管理與大數(shù)據(jù)分析。

4.4" 運營管理模式研究

為保障智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地建設和運行始終與現(xiàn)代智能裝備行業(yè)新技術(shù)、新工藝發(fā)展同步，充分發(fā)揮基地的資源優(yōu)勢，組建實訓基地校企共建聯(lián)合體，設立基地管理辦公室，建立信息化教學管理平臺，構(gòu)建完善的基地管理評價體系，形成區(qū)域合作共建共享運營管理模式，達到優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實訓資源可持續(xù)應用的效果，創(chuàng)造更多社會服務價值。

5" 智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地建設實踐

5.1" 一流的虛擬現(xiàn)實環(huán)境建設

智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地按照各類學科虛擬仿真技術(shù)需求，投入硬件建設搭建軟件平臺打造六大功能區(qū)。

紅色教育和安全教育體驗區(qū)。建有沉浸式VR紅色教育和安全教育實訓室，配備立體曲面LED屏、智能一體化操控臺、3D立體眼鏡等。開展紅色思政教育，全景思政資源、思政課程教學資源、思政教學實踐管理及精神譜系等，配合豐富生動的內(nèi)涵解讀、影像講解，靈活多變的三維沉浸式體驗，突破傳統(tǒng)授課理論枯燥難題，提高學生的學習興趣。通過全息3D交互機、VR頭盔等設備，沉浸式體驗地震、洪水、防溺水、高危作業(yè)的安全教育。

仿真資源開發(fā)區(qū)。建有三維掃描建模、全景制作實訓室，配備工業(yè)級3D打印機、物體3D掃描儀、工業(yè)級手持式三維掃描儀等，以學校為主體企業(yè)輔助合作實現(xiàn)VR/AR/MR資源項目開發(fā)，同時引導學生自主研發(fā)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

職業(yè)體驗實訓區(qū)。建有沉浸式VR職業(yè)體驗實訓室，配備環(huán)幕立體投影、無線VR多人協(xié)同頭盔等。以智能裝備、智慧農(nóng)業(yè)裝備、智能控制裝備為主，采用虛擬互動的形式，開展產(chǎn)業(yè)認知、職業(yè)認知安全教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等教育，深入學習產(chǎn)業(yè)發(fā)展和奮斗歷程，身臨其境地對機械裝備等工作崗位進行認知學習，以虛擬仿真引領(lǐng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，提高學生的學習興趣。

工業(yè)仿真體驗區(qū)。建有智能控制裝備、智慧農(nóng)業(yè)裝備仿真實訓中心，配備工作站、VR虛擬現(xiàn)實頭顯示設備、虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)、VR設備智能中控系統(tǒng)、西門子智能控制虛擬仿真系統(tǒng)、智能生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)管養(yǎng)VR虛擬仿真軟件、園林綠地智慧管養(yǎng)平臺、數(shù)字孿生園林項目實訓仿真軟件、園林工程施工管理虛擬仿真軟件以及園林綠化與養(yǎng)護虛擬仿真軟件等。針對企業(yè)大型生產(chǎn)線類實驗項目，開展智能生產(chǎn)線虛擬仿真、智能控制虛擬仿真教學，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)場景進課堂、理虛訓結(jié)合教學。

全息3D實訓區(qū)。建有全息3D實訓室，配備3D跟蹤眼鏡、3D定位筆、桌面式全息3D交互機等，構(gòu)建全息3D的虛擬現(xiàn)實實訓系統(tǒng)，搭載全息資源供學生虛擬實驗，實現(xiàn)2 000個立體模型交互性、可拆卸性操作，系統(tǒng)內(nèi)置創(chuàng)客創(chuàng)意課程，具備虛擬現(xiàn)實課件三維建模及制作功能。為教師研發(fā)互動式三維課件提供便利，模型制作完成可直接導入課件無需渲染，同時可利用3D打印機將模型打印。

虛實一體實訓區(qū)。建有智慧農(nóng)業(yè)、智能裝備虛實一體化中心，配備智能農(nóng)機裝備、智能溫室虛擬仿真平臺、VR圖形工作站、沉浸式虛擬現(xiàn)實頭戴顯示設備和VR空間定位系統(tǒng)等。虛擬仿真系統(tǒng)與實訓硬件同時部署在真實教學現(xiàn)場，特別是智能農(nóng)機裝備加工實訓、智能控制、高壓電器系統(tǒng)等，完成以實帶虛、以虛助實、虛實結(jié)合的教學效果顯著。

5.2" 豐富的虛擬現(xiàn)實資源

為解決“看不見、進不去、動不了、難再現(xiàn)”的教學難題，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)進課堂。校企合作開發(fā)智能控制虛擬仿真資源、智慧農(nóng)業(yè)虛擬仿真資源、節(jié)水灌溉數(shù)字孿生資源、智慧園林建管養(yǎng)設備虛擬仿真資源、智慧農(nóng)業(yè)管養(yǎng)VR虛擬仿真軟件、園林綠化與養(yǎng)護虛擬仿真軟件和園林工程施工管理虛擬仿真軟件，涵蓋智慧農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)技能學習中大型、危險、高成本及難操作等真實教學場景資源，將信息化與課堂教學有機結(jié)合，教學效果顯著提升。

5.3" 搭建智能化綜合服務平臺

智能化綜合服務平臺集教學訓評管于一體，打造虛擬仿真資源建設、智慧化教學、實訓設備管理、基地智慧化管理全生態(tài)服務。平臺本地化部署，服務器托管于學校信息中心機房。虛擬仿真管理平臺采用BS架構(gòu)便于師生學習使用，虛擬仿真資源匯集本地自主研發(fā)及云資源，可提供API接口開放對接校園教務、學工等教育教學系統(tǒng)，解決信息孤島問題。平臺基于學生學習次數(shù)、易錯點、作業(yè)成績等大數(shù)據(jù)分析制定學習計劃，為學生提供個性化服務，便于學生自主學習。系統(tǒng)硬件運行狀態(tài)實時監(jiān)控，異常狀態(tài)短信及時通知，實現(xiàn)中心無人值守的智能化管理。

5.4" 合作共建共享管理運營模式

在“政府引導、校校共建、校企共建”指導思想下，建立智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地的合作共建共享管理運營模式。設立專門管理機構(gòu)，按照制度化、規(guī)范化、標準化要求，系統(tǒng)制定日常運行、績效考核、基地維護與可持續(xù)發(fā)展等管理制度，建立有利于激勵學生學習和提高學生創(chuàng)新能力、提高各級各類培訓質(zhì)量的教學效果考核、評價和反饋機制，全面引領(lǐng)虛擬仿真基地建設。

6" 結(jié)束語

智慧農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實訓基地將虛擬現(xiàn)實（包括VR虛擬現(xiàn)實、AR增強現(xiàn)實、MR混合現(xiàn)實）賦能前沿智能裝備領(lǐng)域，創(chuàng)新實訓形式和服務模式，開展行業(yè)應用示范，讓師生通過虛擬現(xiàn)實沉浸式的授課學習，認識智能裝備產(chǎn)業(yè)的新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)、新模式，提升對現(xiàn)代工業(yè)的認知，為區(qū)域經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的新引擎和新動能助力。

參考文獻：

[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] 王曉光.職業(yè)院校虛擬仿真實訓基地建設模式探索[J].青海教育，2021（Z3）：92，94.

[6] 王強.高原高寒地區(qū)交通建造虛擬仿真實訓基地應用研究[J].青海交通科技，2021，33（3）：32-38.

[7] 黃德軍，何文勝.虛擬仿真實訓基地支撐體系研究——以食品藥品類專業(yè)為例[J].無線互聯(lián)科技，2021，18（17）：125-127.

[8] 楊壯.電力綜合虛擬仿真實訓基地建設的探索與實踐[J].中國新通信，2022，24（8）：44-4.

[9] 曾照香，劉哲，李金亮.新時代職業(yè)院校智能裝備虛擬仿真實訓基地建設研究[J].教育與職業(yè)，2022（9）：109-112.