韓佃雷 楊啟志 周脈樂 徐立章

摘? 要：人才短缺已成為制約我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化高質(zhì)量發(fā)展的主要瓶頸。新時期，教育部推出了新農(nóng)科、新工科計劃。農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是全面強(qiáng)化新農(nóng)科、新工科建設(shè)背景下人才培養(yǎng)的重要支撐?；谵r(nóng)機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的裝備不系統(tǒng)、受外界因素干擾大、受時間地點(diǎn)限制等問題，開發(fā)農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，完善主要農(nóng)作物所需典型農(nóng)業(yè)裝備的認(rèn)知、拆裝、測繪和性能動態(tài)仿真等功能及地面環(huán)境-農(nóng)作物-農(nóng)業(yè)機(jī)械三者耦合作用的農(nóng)場系統(tǒng)模型。在應(yīng)用推廣方面，該系統(tǒng)不僅服務(wù)于農(nóng)機(jī)專業(yè)，還服務(wù)于機(jī)械、車輛、能動等專業(yè)，同時與國內(nèi)涉農(nóng)高校和農(nóng)機(jī)裝備企業(yè)共享，取得令人滿意的反饋效果。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為我國農(nóng)業(yè)裝備人才培養(yǎng)提供行之有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)裝備；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；人才培養(yǎng)；農(nóng)場系統(tǒng)模型

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

我國是農(nóng)機(jī)裝備大國，但與世界農(nóng)機(jī)強(qiáng)國相比，農(nóng)機(jī)裝備水平整體落后20～30年[1]。加快推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化轉(zhuǎn)型升級主要靠科技，關(guān)鍵在人才。《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》中的“制造業(yè)十大重點(diǎn)領(lǐng)域人才需求預(yù)測”顯示，到2025年，我國農(nóng)機(jī)裝備人才總量預(yù)測72.3萬人，人才缺口預(yù)測44萬人，缺口比例達(dá)60.9%，在十大重點(diǎn)領(lǐng)域中人才缺口比例排名第一[2]。因此，大力培養(yǎng)具有知農(nóng)愛農(nóng)情懷，掌握強(qiáng)農(nóng)興農(nóng)技能的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，為農(nóng)機(jī)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供源源不斷的人才保障和智力支撐已成為全國涉農(nóng)專業(yè)人才培養(yǎng)工作的中心任務(wù)[3]。

新時期，教育部根據(jù)國家發(fā)展需求，主動適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，推出了新農(nóng)科、新工科計劃，對農(nóng)機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)也提出了更高的要求。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是夯實(shí)學(xué)生理論基礎(chǔ)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的重要途徑，也是培養(yǎng)學(xué)生自主思考、提高動手能力的重要措施。在新農(nóng)科、新工科建設(shè)的大背景下，變革農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和方法是推動高校專業(yè)發(fā)展、學(xué)科基礎(chǔ)建設(shè)、學(xué)生能力培養(yǎng)與提高的重要舉措與措施[4]。

《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目建設(shè)的通知》要求“深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平”[5]。為此，各高校已經(jīng)正在結(jié)合相關(guān)專業(yè)課程積極進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索[6-9]。虛擬仿真技術(shù)和手段，實(shí)現(xiàn)了降低實(shí)驗(yàn)成本、避免自然條件約束、多維度互動和與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)等效果，為解決當(dāng)前農(nóng)機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題提供了新的思路和方法。

一? 農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

（一）? 傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

我國農(nóng)作物種類繁多、形態(tài)多樣、生長環(huán)境差異大且周期長，同一農(nóng)作物生長的不同時期需要使用不同的農(nóng)業(yè)機(jī)械，針對不同農(nóng)作物又需要開發(fā)不同的農(nóng)業(yè)機(jī)械，目前新的農(nóng)機(jī)人才培養(yǎng)模式使教學(xué)內(nèi)容不斷增加，但是教學(xué)學(xué)時卻在不斷縮減。

以中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)專業(yè)為例，農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)課程已從170學(xué)時逐漸縮減到48學(xué)時，實(shí)驗(yàn)課程也被壓縮到8學(xué)時，這給教學(xué)安排帶來了極大的困難[10]。

以山東理工大學(xué)農(nóng)機(jī)專業(yè)為例，培養(yǎng)方案中設(shè)置了農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)、拖拉機(jī)構(gòu)造、機(jī)械制造工藝學(xué)、自動機(jī)械設(shè)計和機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計等核心課程，然而除了前3門課程總學(xué)時分別是64、56、64學(xué)時外，其他課程總學(xué)時以32學(xué)時為主，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅為4～8學(xué)時不等，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以認(rèn)知、拆裝、特性測試為主，這對理解復(fù)雜農(nóng)機(jī)的工作原理來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[11]。

以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)卓越人才培養(yǎng)為例，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的臺套數(shù)不足，在進(jìn)行傳感器靜態(tài)標(biāo)定和典型參量動態(tài)實(shí)驗(yàn)時，需要分批次且多人一組，以教師演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，僅有極少數(shù)學(xué)生能進(jìn)行實(shí)際操作，多數(shù)學(xué)生淪為實(shí)驗(yàn)過程的觀摩者，并不能給學(xué)生留下深刻印象[12]。

面向耕、種、管、收四大環(huán)節(jié)，農(nóng)業(yè)機(jī)械的種類繁多且不斷更新?lián)Q代，僅有不足10學(xué)時的實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生要深入理解并掌握每種農(nóng)業(yè)機(jī)械，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。部分學(xué)校會安排為期一周的生產(chǎn)實(shí)習(xí)，主要以認(rèn)識和觀摩為主，學(xué)生并不能直觀地看到農(nóng)業(yè)機(jī)械內(nèi)部的工作過程，而且也只能看到當(dāng)期作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械?；谵r(nóng)機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程面臨的學(xué)時少、內(nèi)容多的現(xiàn)狀，拓寬教學(xué)手段和方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，這已成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

（二）? 農(nóng)機(jī)虛擬仿真教學(xué)

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是將現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)機(jī)人才培養(yǎng)教學(xué)手段和方法的補(bǔ)充，解決了傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的短板問題。但是，多數(shù)系統(tǒng)是以當(dāng)?shù)靥厣霓r(nóng)作物和適配的農(nóng)機(jī)裝備為主，難免產(chǎn)生農(nóng)機(jī)裝備不系統(tǒng)、不完整和不全面等問題。

以培養(yǎng)高素質(zhì)農(nóng)業(yè)工程人才為目的，結(jié)合南方特色作物機(jī)械裝備優(yōu)勢，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)了水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化關(guān)鍵環(huán)節(jié)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化中“水田耕整、水稻種植、田間管理、水稻收獲和谷物干燥”這5個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和10種作業(yè)機(jī)具或裝備，使學(xué)生能夠系統(tǒng)了解水稻生產(chǎn)機(jī)械化的全過程，熟悉相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械的操作和使用，掌握關(guān)鍵技術(shù)原理和方法[13]。

依托虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)相互和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)構(gòu)建了高度仿真的旱地機(jī)械化耕種作業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以北方旱地機(jī)械化作業(yè)過程為仿真對象，模擬田間作業(yè)工況及機(jī)組作業(yè)性能，使學(xué)生能在短時間內(nèi)掌握旱地耕種機(jī)械化作業(yè)裝備的參數(shù)調(diào)整和性能評價方法，加深了學(xué)生對機(jī)械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及智能管控等專業(yè)知識的理解[14]。

為了大幅降低實(shí)驗(yàn)成本、提高實(shí)驗(yàn)安全性和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)建設(shè)，江蘇大學(xué)開發(fā)了大型高地隙噴桿噴霧機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可使學(xué)生快速了解大型高地隙噴桿噴霧機(jī)的組成原理、工作原理，理解大型高地隙噴桿噴霧機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其組成、拆解原理，掌握大型高地隙噴桿噴霧機(jī)工作參數(shù)的調(diào)控原理，為后續(xù)類似的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備的設(shè)計與研發(fā)打下基礎(chǔ)[15]。

農(nóng)機(jī)的動作機(jī)構(gòu)和工作參數(shù)需要實(shí)時地調(diào)整以適應(yīng)不同的田塊。然而，從已有的虛擬仿真系統(tǒng)來看，地面環(huán)境、農(nóng)機(jī)和農(nóng)作物相互作用時自適應(yīng)調(diào)整策略并沒有被充分考慮。因此，地面環(huán)境-農(nóng)作物-農(nóng)業(yè)機(jī)械三者耦合作用的農(nóng)場系統(tǒng)模型還有待進(jìn)一步完善。

二? 農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)要求

基于傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題與農(nóng)機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法角度，本文歸納總結(jié)了農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)要求。

（一）? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容方面

1? 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性、完整性

實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐訓(xùn)練是提高農(nóng)機(jī)專業(yè)學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新能力、動手能力必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)。然而，目前國內(nèi)涉農(nóng)高校農(nóng)機(jī)專業(yè)的農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`環(huán)節(jié)存在不系統(tǒng)、不完整、不全面等問題，有的高校只有有限的幾種裝備，有的高校實(shí)驗(yàn)裝備比較陳舊。在過去的十年里，隨著社會的進(jìn)步和智能技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了大量的自動化、智能化農(nóng)業(yè)裝備，但是由于經(jīng)費(fèi)、場地、操作人員等限制，高校購置大量新設(shè)備不現(xiàn)實(shí)，而且很難操作。農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)則無須太多的費(fèi)用、場地、操作人員，可以很好地解決農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的不系統(tǒng)、不完整、不全面等問題。虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中農(nóng)機(jī)裝備來源于教師多年的科研成果，譬如，聯(lián)合收割機(jī)來源于2013年國家技術(shù)發(fā)明二等獎“油菜聯(lián)合收割機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”項目，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性和前瞻性。

2? 覆蓋農(nóng)作物生長的全周期

農(nóng)作物從幼苗到長成的時間跨度太長，高校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)很難完成，而學(xué)生又沒有充足的時間去現(xiàn)場記錄農(nóng)作物生長的每個過程或調(diào)研每個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)情況。農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)則可以模擬不同農(nóng)作物生長的全過程，演示不同生長過程農(nóng)作物的形態(tài)、樣貌、長勢，并真實(shí)地再現(xiàn)農(nóng)作物不同生長時期所需農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)情況，有利于學(xué)生快速、高效地獲取和增長知識。

3? 地面環(huán)境-農(nóng)作物-農(nóng)業(yè)機(jī)械耦合作用可視化

傳統(tǒng)虛擬仿真系統(tǒng)將重點(diǎn)放在農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作原理演示上，而忽略了農(nóng)作物、地面環(huán)境及與農(nóng)業(yè)機(jī)械三者耦合作用模型的構(gòu)建。眾所周知，地面環(huán)境和農(nóng)作物將顯著影響農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效果。農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在地面環(huán)境方面充分還原地形、地貌、土壤等信息，在地面環(huán)境、農(nóng)作物、農(nóng)業(yè)機(jī)械交互作用方面更加注重作業(yè)和運(yùn)動參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，使學(xué)生深刻體會不同參數(shù)對農(nóng)業(yè)機(jī)械性能的影響，進(jìn)而提高學(xué)生對地面環(huán)境-農(nóng)作物-農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)的認(rèn)識與理解。

（二）? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式方面

1? 課內(nèi)課外、線上線下延展教學(xué)形式

常規(guī)的教學(xué)組織形式通常是以班級為單位，局限于固定時間和地點(diǎn)的結(jié)構(gòu)中。農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)全天候開放，允許學(xué)生在圖書館、教室、宿舍和家中等不同情境里學(xué)習(xí)，可以在課堂，也可以在課外，隨時隨地進(jìn)行實(shí)踐操作。延展式教學(xué)拓寬了教學(xué)組織形式，改變了傳統(tǒng)教學(xué)中以教師為中心的情況，賦予了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)。

2? 減小對農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)員的依賴性

根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不同環(huán)節(jié)，面向不同的農(nóng)作物，不同功能的農(nóng)業(yè)機(jī)械種類繁多；隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備一般同時具有控制、測量、檢測等功能，是高度集成的機(jī)電一體化裝置，往往需要專業(yè)的知識和技能，這對實(shí)驗(yàn)員的數(shù)量、技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)等提出了更高的要求。農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)則對農(nóng)業(yè)裝備的操作進(jìn)行簡化，重點(diǎn)演示特色的功能原理，這將大大減小對實(shí)驗(yàn)員的依賴，而且不需要擔(dān)心由于操作不當(dāng)造成機(jī)具損壞。

3? 解決農(nóng)業(yè)裝備實(shí)習(xí)時間緊迫的問題

為了搶農(nóng)時，在“夏忙”和“秋收”時節(jié)，農(nóng)業(yè)裝備需要完成大量繁重的收獲、耕整、播種等作業(yè)，而農(nóng)機(jī)專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)也需要在這短短的2～4周內(nèi)完成，這給時間、日程安排造成很大的困難，而且無法保證實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的效果。農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)則不需要考慮農(nóng)忙時節(jié)實(shí)習(xí)時間緊迫的問題，學(xué)生可以通過在線系統(tǒng)反復(fù)地觀看各種農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)過程，使學(xué)生得到充分的訓(xùn)練。

（三）? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法方面

1? 沉浸情景式教學(xué)

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂中，一般由教師為學(xué)生講解農(nóng)業(yè)裝備的構(gòu)造、原理和工作過程，一些關(guān)鍵或大型的農(nóng)業(yè)裝備也只能從外觀進(jìn)行觀摩，學(xué)生并不能理解其內(nèi)部工作原理或在田間工作的情況。借助VR技術(shù)，農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中逼真的虛擬環(huán)境則可以提供身臨其境、自主控制的人機(jī)交互，激發(fā)學(xué)生主動探索知識的熱情，憑借視覺、聽覺、觸覺信息的協(xié)調(diào)作用，使教學(xué)內(nèi)容的統(tǒng)一性與靈活性得到完美的結(jié)合。沉浸情景式教學(xué)充分地調(diào)動了學(xué)生的好奇心和興趣，加深了學(xué)生對于關(guān)鍵農(nóng)業(yè)裝備的認(rèn)識與理解。

2? 發(fā)現(xiàn)式教學(xué)

常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容、方法和結(jié)果都是明確的，學(xué)生只需按部就班地走程序，即可獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此種教學(xué)方法雖然不會出錯，但限制了學(xué)生的思考。農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)則可以有針對性地構(gòu)建虛擬情景，讓學(xué)生進(jìn)入問題存在的環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，找出問題存在的原因，提出多種解決問題的方案，并對不同方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而確定問題解決的最佳方案。發(fā)現(xiàn)式教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生高層次的思維技能，提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

3? 師生多人協(xié)同互動式教學(xué)

在傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺套數(shù)限制，一般會分組分批次進(jìn)行，小組的成績則代表了組內(nèi)每位學(xué)生的成績，教師僅僅能與部分學(xué)生進(jìn)行交流，更不能掌握每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，協(xié)同互助也僅僅局限于組內(nèi)學(xué)生。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)則可以將師生置于同一環(huán)境中，通過共同參與，分工完成某些項目的設(shè)計或訓(xùn)練，教師也可以實(shí)時掌握每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展并給予及時的指導(dǎo)。師生多人協(xié)同互動式教學(xué)為教師與每位學(xué)生交流提供了機(jī)會，促進(jìn)了教師對每位學(xué)生的了解，而且培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力。

三? 農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)

（一）? 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺和功能模塊

基于目前虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)存在的問題，綜合考慮地面環(huán)境-農(nóng)作物-農(nóng)業(yè)機(jī)械的耦合作用，江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院開發(fā)了基于VR技術(shù)的農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。學(xué)校擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，已獲批3項軟件著作權(quán)：①農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)虛擬認(rèn)知教學(xué)系統(tǒng)V1.0（登記號2017SR699512）；②農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)V1.0（登記號2017SR699506）；③農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)動態(tài)仿真教學(xué)系統(tǒng)V1.0（登記號2017SR699518）。

該系統(tǒng)總體架構(gòu)包含了學(xué)生端、教師端、后臺管理端，如圖1所示，學(xué)生端主要用于課程選擇、學(xué)習(xí)、考核和記錄查詢；教師端主要是協(xié)助教師進(jìn)行簡單的教學(xué)管理，包括學(xué)生權(quán)限管理、組織結(jié)構(gòu)管理、模塊管理和考核管理；后臺管理端主要是系統(tǒng)管理員對整個虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)、日常管理、模塊更新。

該系統(tǒng)的4個特色實(shí)驗(yàn)?zāi)K包含：3D數(shù)字化農(nóng)場虛擬認(rèn)知模塊、農(nóng)業(yè)裝備虛擬拆裝模塊、農(nóng)業(yè)裝備虛擬動態(tài)仿真模塊和農(nóng)業(yè)裝備虛擬測繪模塊，共涉及20多個實(shí)驗(yàn)，基本涵蓋了農(nóng)機(jī)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程及部分實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。同時，該系統(tǒng)還可以服務(wù)于農(nóng)業(yè)電氣化專業(yè)、流體機(jī)械專業(yè)、機(jī)械設(shè)計與制造專業(yè)、車輛工程專業(yè)及食品科學(xué)與工程專業(yè)等部分涉及農(nóng)業(yè)裝備的課程實(shí)驗(yàn)，也可以用于農(nóng)業(yè)裝備企業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)。

（二）? 功能模塊的農(nóng)機(jī)知識點(diǎn)設(shè)計

3D數(shù)字化農(nóng)場虛擬認(rèn)知模塊是以國內(nèi)外現(xiàn)運(yùn)營的典型農(nóng)場為模本，通過虛擬仿真技術(shù)，真實(shí)還原農(nóng)場不同時間段的農(nóng)作物、農(nóng)業(yè)機(jī)械和地面環(huán)境及相互作用的場景，使學(xué)生能夠建立農(nóng)場系統(tǒng)的整體概念并全面了解農(nóng)作物的種植、管理、收獲和后處理等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。

農(nóng)業(yè)裝備虛擬拆裝模塊主要是讓學(xué)生掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械的關(guān)鍵零部件、正確的拆裝順序、必要的拆裝工具等，并實(shí)現(xiàn)拆裝過程的自動打分與測評，使學(xué)生在研制農(nóng)業(yè)機(jī)械時形成“從零件到整體”和“從整體到零件”的設(shè)計思路。

農(nóng)業(yè)裝備虛擬動態(tài)仿真模塊是在保證傳統(tǒng)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)演示農(nóng)業(yè)機(jī)械內(nèi)部運(yùn)作原理功能的基礎(chǔ)上，更加注重不同類型農(nóng)田模型的建立、不同階段農(nóng)作物長勢的還原、農(nóng)機(jī)作業(yè)參數(shù)的適應(yīng)性調(diào)整等方面，使學(xué)生能深刻地理解農(nóng)機(jī)-農(nóng)藝相互融合的必要性。

農(nóng)業(yè)裝備虛擬測繪模塊主要是讓學(xué)生樹立“定量”意識，通過三維結(jié)構(gòu)查看和尺寸測量功能，能夠充分理解農(nóng)機(jī)設(shè)備中重要零部件的幾何結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵形位尺寸，從而提高學(xué)生的工程繪圖能力及未來先進(jìn)農(nóng)業(yè)設(shè)備中關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化能力。

四? 農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用效果

江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)線下初步試用在2017年8月，正式試用在2017年10月，整個系統(tǒng)上線使用在2018年7月，已取得了比較好的反饋效果。

已面向農(nóng)機(jī)專業(yè)的2015—2021級本科生進(jìn)行了集中性使用，輔助完成了2014—2018級畢業(yè)年級農(nóng)機(jī)類專業(yè)課農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)、智能化農(nóng)業(yè)裝備的多次實(shí)驗(yàn)教學(xué)。同時，鼓勵本專業(yè)學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行分散性的在線使用，激發(fā)了學(xué)生對農(nóng)業(yè)裝備的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐的積極性，而且對學(xué)生實(shí)踐動手能力和專業(yè)知識的提升起到了明顯效果。

已線下開放給本校其他工科專業(yè)，在機(jī)械工程、車輛工程、流體機(jī)械、農(nóng)業(yè)電氣化和能源與動力等專業(yè)的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中同樣取得了令人滿意的效果。未來希望進(jìn)一步完善軟件，豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，增加現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)的知識，進(jìn)一步凸顯學(xué)校的辦學(xué)特色與科研特色。

在對外開放共享方面，該系統(tǒng)已在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、寧夏大學(xué)、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)、新疆大學(xué)、江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院和常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院等進(jìn)行了涉農(nóng)工科實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的免費(fèi)線上使用；在江蘇省農(nóng)墾集團(tuán)有限公司、江蘇沃得農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司、常州東風(fēng)農(nóng)機(jī)集團(tuán)有限公司、南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司和鎮(zhèn)江市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站等企事業(yè)單位也已免費(fèi)線上使用，進(jìn)行入職定崗專業(yè)知識培訓(xùn)。

一致反映，通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)形象、生動、逼真的大型農(nóng)業(yè)裝備的結(jié)構(gòu)認(rèn)知、功能原理演示、工作參數(shù)調(diào)整，可以解決大型設(shè)備操作復(fù)雜、使用時間緊、條件差、農(nóng)機(jī)操作人員短缺及實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`用房短缺等難題。

五? 結(jié)束語

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)是一項龐大的系統(tǒng)工程，高端農(nóng)業(yè)裝備已被列入《中國制造2025》規(guī)劃重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，迫切需要大量創(chuàng)新型工程技術(shù)人才。江蘇大學(xué)以立德樹人為根本，秉承“工中有農(nóng)，以工支農(nóng)，工農(nóng)結(jié)合”的辦學(xué)特色，不斷地探索新工科、新農(nóng)科融合發(fā)展的“現(xiàn)代農(nóng)機(jī)”涉農(nóng)專業(yè)集群建設(shè)方案。同時，依托農(nóng)業(yè)工程學(xué)科優(yōu)勢，積極推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開發(fā)了農(nóng)業(yè)裝備虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，用新內(nèi)容、新方法、新形式推進(jìn)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面改革，不斷拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平，為培養(yǎng)“知農(nóng)、愛農(nóng)、強(qiáng)農(nóng)、興農(nóng)”的新時代涉農(nóng)人才貢獻(xiàn)“江大力量”。

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