基于虚拟仿真的农机实验教学改革研究

摘  要：人才短缺已成为制约我国农业机械化、智能化高质量发展的主要瓶颈。新时期，教育部推出了新农科、新工科计划。农机实验教学改革是全面强化新农科、新工科建设背景下人才培养的重要支撑。基于农机专业实验教学面临的装备不系统、受外界因素干扰大、受时间地点限制等问题，开发农业装备虚拟仿真实训系统，完善主要农作物所需典型农业装备的认知、拆装、测绘和性能动态仿真等功能及地面环境-农作物-农业机械三者耦合作用的农场系统模型。在应用推广方面，该系统不仅服务于农机专业，还服务于机械、车辆、能动等专业，同时与国内涉农高校和农机装备企业共享，取得令人满意的反馈效果。虚拟仿真实训系统为我国农业装备人才培养提供行之有效的实验教学改革方案。

关键词：农业装备；虚拟仿真；实验教学改革；人才培养；农场系统模型

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）21-0111-05

Abstract： Talent shortage has become the main bottleneck restricting the high-quality development of agricultural mechanization and intelligence in China. In the new era， the Ministry of Education has launched the plan of new agriculture and new engineering. Agricultural machinery experiment teaching reform is an important support for personnel training under the background of comprehensively strengthening the construction of new agriculture and new engineering. This study is based on the current problems of the agricultural machinery specialty experimental teaching， such as the lack of agricultural equipment， the great interference from external factors and the limitations of time and place. The virtual simulation training system of agricultural equipment was developed， which improves the functions of cognition， disassembly， key parts mapping and performance dynamic simulation of the typical agricultural equipment required by the main crops and the farm system coupling model among ground environment - crop - agricultural machinery. In terms of application and promotion， the system not only serves the agricultural machinery specialty， but also serves the machinery， vehicle and dynamic specialties. At the same time， it is shared with domestic agricultural universities and agricultural equipment enterprises， and has achieved satisfactory feedback effect. The virtual simulation training system provides an effective experimental teaching reform scheme for the cultivation of agricultural equipment talents in China.

Keywords： agricultural equipment; virtual simulation; experimental teaching reform; personnel training; farm system model

我国是农机装备大国，但与世界农机强国相比，农机装备水平整体落后20～30年[1]。加快推进我国农业机械化、智能化转型升级主要靠科技，关键在人才。《制造业人才发展规划指南》中的“制造业十大重点领域人才需求预测”显示，到2025年，我国农机装备人才总量预测72.3万人，人才缺口预测44万人，缺口比例达60.9%，在十大重点领域中人才缺口比例排名第一[2]。因此，大力培养具有知农爱农情怀，掌握强农兴农技能的高素质创新型人才，为农机行业可持续发展提供源源不断的人才保障和智力支撑已成为全国涉农专业人才培养工作的中心任务[3]。

新时期，教育部根据国家发展需求，主动适应新一轮科技革命和产业变革，推出了新农科、新工科计划，对农机专业人才培养也提出了更高的要求。实验教学是夯实学生理论基础、培养学生创新思维的重要途径，也是培养学生自主思考、提高动手能力的重要措施。在新农科、新工科建设的大背景下，变革农机实验教学手段和方法是推动高校专业发展、学科基础建设、学生能力培养与提高的重要举措与措施[4]。

《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》要求“深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平”[5]。为此，各高校已经正在结合相关专业课程积极进行虚拟仿真实验教学的探索[6-9]。虚拟仿真技术和手段，实现了降低实验成本、避免自然条件约束、多维度互动和与传统实验互补等效果，为解决当前农机专业实验教学存在的问题提供了新的思路和方法。

一  农机实验教学现状及存在的问题

（一）  传统农机实验教学

我国农作物种类繁多、形态多样、生长环境差异大且周期长，同一农作物生长的不同时期需要使用不同的农业机械，针对不同农作物又需要开发不同的农业机械，目前新的农机人才培养模式使教学内容不断增加，但是教学学时却在不断缩减。

以中国农业大学农机专业为例，农业机械学课程已从170学时逐渐缩减到48学时，实验课程也被压缩到8学时，这给教学安排带来了极大的困难[10]。

以山东理工大学农机专业为例，培养方案中设置了农业机械学、拖拉机构造、机械制造工艺学、自动机械设计和机电系统设计等核心课程，然而除了前3门课程总学时分别是64、56、64学时外，其他课程总学时以32学时为主，其中实验教学仅为4～8学时不等，且实验内容以认知、拆装、特性测试为主，这对理解复杂农机的工作原理来说远远不够[11]。

以内蒙古农业大学农机卓越人才培养为例，由于实验设备的台套数不足，在进行传感器静态标定和典型参量动态实验时，需要分批次且多人一组，以教师演示实验教学为主，仅有极少数学生能进行实际操作，多数学生沦为实验过程的观摩者，并不能给学生留下深刻印象[12]。

面向耕、种、管、收四大环节，农业机械的种类繁多且不断更新换代，仅有不足10学时的实验课程，学生要深入理解并掌握每种农业机械，这是远远不够的。部分学校会安排为期一周的生产实习，主要以认识和观摩为主，学生并不能直观地看到农业机械内部的工作过程，而且也只能看到当期作业的农业机械。基于农机专业实验课程面临的学时少、内容多的现状，拓宽教学手段和方法，提高学生的学习兴趣和效率，这已成为亟待解决的关键问题。

（二）  农机虚拟仿真教学

虚拟仿真实训系统是将现代信息技术融入实验教学，实现了对农机人才培养教学手段和方法的补充，解决了传统农机实验教学中的短板问题。但是，多数系统是以当地特色的农作物和适配的农机装备为主，难免产生农机装备不系统、不完整和不全面等问题。

以培养高素质农业工程人才为目的，结合南方特色作物机械装备优势，华南农业大学开发了水稻生产全程机械化关键环节虚拟仿真实验系统，通过水稻生产全程机械化中“水田耕整、水稻种植、田间管理、水稻收获和谷物干燥”这5个关键技术环节和10种作业机具或装备，使学生能够系统了解水稻生产机械化的全过程，熟悉相关农业机械的操作和使用，掌握关键技术原理和方法[13]。

依托虚拟现实、人机相互和网络通信等技术，中国农业大学构建了高度仿真的旱地机械化耕种作业虚拟仿真实验系统，以北方旱地机械化作业过程为仿真对象，模拟田间作业工况及机组作业性能，使学生能在短时间内掌握旱地耕种机械化作业装备的参数调整和性能评价方法，加深了学生对机械化农业生产及智能管控等专业知识的理解[14]。

为了大幅降低实验成本、提高实验安全性和加强实验环节建设，江苏大学开发了大型高地隙喷杆喷雾机虚拟仿真实验系统，可使学生快速了解大型高地隙喷杆喷雾机的组成原理、工作原理，理解大型高地隙喷杆喷雾机的结构特点及其组成、拆解原理，掌握大型高地隙喷杆喷雾机工作参数的调控原理，为后续类似的现代农业装备的设计与研发打下基础[15]。

农机的动作机构和工作参数需要实时地调整以适应不同的田块。然而，从已有的虚拟仿真系统来看，地面环境、农机和农作物相互作用时自适应调整策略并没有被充分考虑。因此，地面环境-农作物-农业机械三者耦合作用的农场系统模型还有待进一步完善。

二  农业装备虚拟仿真实训系统的建设要求

基于传统农机实验教学存在的问题与农机虚拟仿真实验教学的不足，从实验教学内容、实验教学形式、实验教学方法角度，本文归纳总结了农业装备虚拟仿真实训系统的建设要求。

（一）  实验教学内容方面

1  实现农业装备实验的系统性、完整性

实验和实践训练是提高农机专业学生综合能力、创新能力、动手能力必不可少的教学环节。然而，目前国内涉农高校农机专业的农业装备实验或实践环节存在不系统、不完整、不全面等问题，有的高校只有有限的几种装备，有的高校实验装备比较陈旧。在过去的十年里，随着社会的进步和智能技术的发展，涌现了大量的自动化、智能化农业装备，但是由于经费、场地、操作人员等限制，高校购置大量新设备不现实，而且很难操作。农业装备虚拟仿真实训系统则无须太多的费用、场地、操作人员，可以很好地解决农业装备实验和实践环节的不系统、不完整、不全面等问题。虚拟实训系统中农机装备来源于教师多年的科研成果，譬如，联合收割机来源于2013年国家技术发明二等奖“油菜联合收割机关键技术与装备”项目，保证了实验教学的先进性和前瞻性。

2  覆盖农作物生长的全周期

农作物从幼苗到长成的时间跨度太长，高校实验室内很难完成，而学生又没有充足的时间去现场记录农作物生长的每个过程或调研每个农业生产环节农业机械的作业情况。农业装备虚拟仿真实训系统则可以模拟不同农作物生长的全过程，演示不同生长过程农作物的形态、样貌、长势，并真实地再现农作物不同生长时期所需农业机械的作业情况，有利于学生快速、高效地获取和增长知识。