農業機械虛擬仿真實驗教學設計研究

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摘要：針對農業機械化及其自動化專業教學在《農業機械學》課程實驗實習教學存在的設備購置與維護投入大、受到農業生產季節性影響等突出問題，基于虛擬現實技術在農業裝備中的應用進行了農業機械學虛擬仿真教學項目的設計。項目圍繞黃淮海地區主要農作物生產過程中“耕、種、管、收”等機械化作業環節，構建了不同模塊的網絡化的農業機械的虛擬認知、虛擬拆裝、虛擬操作、動態仿真等實驗實踐項目，能夠實現虛擬仿真教學與傳統實驗實習教學的有機融合。為培養服務于國家鄉村振興戰略的復合型高級工程技術人才提供了有力保障。

關鍵詞：農業機械學；虛擬仿真；實驗教學；設計

引言

農業機械化和農機裝備是轉變農業發展方式、提高農村生產力的重要基礎，是實施鄉村振興戰略的重要支撐[1]。加快農業機械化和農機裝備產業轉型升級，建設智慧農業離不開高素質農業裝備技術人才，離不開高水平的農業機械化及其自動化專業人才培養體系，離不開高水平的農業工程技術人才綜合能力提高的訓練系統[2]。在此背景下，課程教學團隊依托國家級農業工程綜合訓練中心和省級農業工程虛擬仿真實驗教學中心，聚集優勢學科科研平臺，按照構建功能集約、資源共享、開放充分、運作高效的實驗教學平臺有關工作要求，展開了基于VR技術的農業機械學虛擬仿真實驗教學平臺的建設與開發，圍繞黃淮海地區主要農作物全程機械化生產過程中“耕、種、管、收”環節，完成不同模塊的網絡化的農業裝備虛擬仿真實驗與部分農業裝備虛擬仿真訓練（實踐）。為加快發展“新工科”，深化科教結合與校企合作，提高人才培養能力打下基礎。

1農業機械學虛擬仿真實驗教學設計目的

為了農業機械化及其自動化本科專業學生綜合能力，特別是創新能力、動手能力的提高，逐漸加大專業課程的實驗環節或專業實踐環節的課時是目前行之有效的方法。農業機械化及自動化專業學生專業實驗或實踐環節的系統性與完整性對學生綜合實踐能力的提高十分必要。從農業裝備的認識、典型農業裝備的性能分析、設計、制造，乃至控制、智能化設計、維護等等都需要學生能夠親自參與其中。但由于經費、場地等原因，購買大量的新設備很難操作，而虛擬農業裝備實驗且可以很好解決農業裝備實驗的系統性、完備性問題，無需太多費用、場地、操作人員等，即可獲得有關實驗的虛擬現代化農業裝備。大型農場的認知、大型噴灌機械、大型復合作業機械等等大型農場、農業裝備，對學校而言根本無法購置與運行。傳統的簡單模型的替代方法無法真實再現大型農業裝備其功能、結構及大型農場的情景。采用農業裝備虛擬實訓系統可以很好的解決此類問題?？梢圆怀鲂ｉT實現大型農場、大型農業裝備的運行、認知的實驗與實踐工作。如今，農業裝備的科學研究已從二維化向三維化發展、從圖紙化向無紙化作業發展、從經典設計向現代設計的發展。虛擬仿真技術作為現代的設計方法，也得到了廣泛應用，發揮了巨大的作用。農業裝備虛擬仿真實驗項目一方面可以用于農業機械化及其自動化專業的實驗及實踐教學，一方面也可用于智能農業裝備新產品的研發。

2農業機械學虛擬仿真實驗教學設計方案

農業機械學是農業機械化及其自動化專業的核心課程之一，是一門理論性和實踐性較強的課程。《農業機械學》課程虛擬教學資源設置堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的建設原則，充分發揮專業特色優勢，加強學科交叉，凸顯虛擬教學的特色，實現虛擬教學的創新。結合農業機械化生產實際和教學特點，在原有植保無人機虛擬仿真實驗教學平臺基礎上，提出“智慧農場農業機械化生產裝備虛擬仿真實訓系統”建設項目方案，項目設有四個虛擬仿真實驗教學模塊，基本涵蓋了農業機械化及其自動化專業的專業實驗教學課程及部分實踐教學環節，主要包括智慧農場虛擬認知模塊、“耕-種-管-收”農業裝備虛擬拆裝模塊、農業裝備動態仿真模塊、農業裝備虛擬測繪模塊。每個實驗模塊均包括專業知識、綜合技能和研究創新三種層次的多個實驗，并充分與理論課程、真實實驗、工程實踐和科學研究緊密結合。

2.1模塊1：智慧農場虛擬認知

智慧農場虛擬認知主要是利用虛擬現實技術的真實再現讓學生對現代化專業化的農場進行沉浸式的認知學習。可以使學生在虛擬環境中了解不同農作物的耕作、種植、田間管理、收獲、后處理的生產過程；可以了解整個農作物生產過程的不同階段使用的不同農業機械的功能動態模擬；可以了解典型農業裝備的虛擬駕駛與操作功能。

2.2模塊2：“耕-種-管-收”農業生產裝備拆裝

“耕-種-管-收”農業生產裝備拆裝主要是讓學生掌握一些黃淮海地區主要農作物“耕-種-管-收”環節重點農機設備的正確的拆裝步驟、必要的拆裝工具，并實現實驗過程的自動打分、測評。實現犁、耙、旋耕機、播種機、插秧機（移栽機）、大型噴霧機械、大型聯合收割機、大型拖拉機等關鍵功能零部件的拆裝。

2.3模塊3：農業裝備虛擬動態仿真與操作訓練

農業裝備虛擬動態仿真與操作訓練主要是幫助學生了解農用機械設備的外形、結構，并對關鍵部件進行文字說明，對于大型設備，展示其運作原理。學生通過虛擬操作實現不同農業機械，如犁、粑、收割機、旋耕機、播種機、噴霧機等主要部件的功能的動態仿真，使學生真是體會到農業裝備正常工作的內部動態功能，了解農業裝備主要部件的工作原理。對于主要農作物，開展輪式拖拉機、輪式/履帶式收割機虛擬駕駛和收獲作業訓練，讓學生掌握道路交通安全、農機安全法律法規和機械常識、操作規程等相關知識；利用三維影像技術構建出田間作業場景，實現拖拉機/收割機模擬實景作業，通過多個作業場景練習，掌握拖拉機/收割機駕駛及操作技術。

2.4模塊4：農業裝備關鍵零部件的虛擬測繪實驗

農業裝備關鍵零部件的虛擬測繪實驗是讓學生能通過三維結構的查看和尺寸測量，能夠充分理解農機設備重要部件的幾何結構，幫助學生提高手繪能力，以及未來對先進設備重要部件的設計和改進能力。比如鏵式犁的犁曲面曲線測繪、播種機的排種器、收割機割臺、打捆機打結器等關鍵零件的測繪。

3智慧農場農業機械化生產裝備虛擬仿真實訓系統設計

3.1系統主要內容與界面

3.1.1登陸界面。進入系統，學生或教師或維護人員首先需使用學號和密碼進行登陸，在登陸的同時，系統后臺會自動驗證賬號所具有的權限，并自動加載權限對應的功能模塊；此外，登陸過程中，系統自動檢測版本號及相應的資源信息，并自動進行對應的更

3.1.2個人中心。個人中心主要是學生用于管理個人信息，查詢個人學習記錄和考核記錄；其中，學生信息主要包括管理學生個人信息，包含姓名，性別，出生年月，班級，學號等；學習記錄主要查詢學習模式下的操作記錄，包括操作時間，實訓用時，操作步驟的正誤情況等；考核記錄可查詢虛擬考核的記錄，包括考核時間，考核用時，考核點的正誤情況，考核成績等。

3.1.3課程選擇。學生進入虛擬實訓系統首先需進入課程中心進行訓練模塊選擇，當前，我們為系統設計了四個課程應用方向模塊，分別是智慧農場三維數字化認知模塊、“耕-種-管-收”農業生產裝備拆裝模塊、農業裝備動態仿真與操作訓練模塊、關鍵零部件虛擬測繪模塊。

3.2系統基本模塊中的軟件與應用

3.2.1模塊1：智慧農場三維數字化認知。進入模塊1，系統會自動加載農場模型及其中的設備，由于場景較大，所以采用的是分布式動態加載的技術；當虛擬場景較大時，場景的優化就顯得尤為重要了，一方面是從模型的制作開始，就需要進行面片數和貼圖材質的優化；另一方面，是在程序設計時，要考慮到采用圖形優化技術對場景的加載和顯示進行優化，這其中主要用到幾種深度檢測技術、遮擋剔除技術、LOD技術等；在漫游功能模塊，漫游分為手動和自動兩種，學生可以選擇讓相機自動行走漫游展示農場布局，也可利用鼠標/鍵盤進行自由查看；整個場景除了農場的布局外，還會有一些工作中的設備，幫助學生更好的理解數字化農場。

3.2.2模塊2：“耕-種-管-收”農業生產裝備拆裝。進入模塊2，系統將虛擬拆裝分為學習模式和考核模式，學生在教師的學時要求下，需先就進入學習模式進行交互操作的練習，當滿足了要求后，進入考核模式驗證學習成果。在學習模式下，拆裝的流程需遵循設備既定的拆裝順序，不允許任意拆卸/裝配，系統界面會顯示操作步驟提示和上一步操作的正誤情況；在拆裝的過程中，系統界面會顯示操作步驟列表，學生可按照該列表進行流程操作，每完成一步，系統會判斷正誤情況，并顯示在列表中；在學習模式下，系統也會對下一步操作的對象進行提示；同時，學生也可查閱實驗的操作步驟，或者開啟自動拆裝進行學習；輔助功能在學習模式下，系統默認為開啟狀態，也可由學生根據自身情況進行關閉/開啟；在操作過程中可能會有操作錯誤的情況發生，系統提供返回上一步的功能，但是在學習模式下，只記錄第一次操作的正誤情況，不更新返回操作的正誤情況，讓學生可以明確回顧自己在學習過程中不熟練或者有錯誤的地方，并對此進行反復操作練習，加深印象；碰撞操作主要作用于兩個方面，一是工具與零部件的拆裝操作，學生在使用工具進行拆卸操作時，在三維空間中需與零部件產生包圍盒碰撞才能觸發零部件空間位置的改變；二是拆裝過程中零部件之間的碰撞檢測功能將使零部件之間產生真實的物理碰撞，從而避免穿插的發生，同時也有空間定位的作用。在三維空間中，當學生對零部件進行操作時，在零部件到達存放位置或裝配位置時，約束功能將保證零部件自動捕捉空間坐標位置；當該設備的拆裝學習完成后，系統會將操作記錄自動存儲到數據庫中，學生可通過個人中心進行查詢；考核模式與學習模式類似，但是在整個操作過程中，系統不會給予任何提示，系統后臺記錄每個步驟最后一個操作的正誤情況，并在操作結束后給予評分表。

3.2.3模塊3：農業裝備虛擬動態仿真與操作訓練。進入模塊3，首先選擇動態仿真、操作訓練兩種模式；動態仿真模式下，首先先進行動態仿真農業裝備的選擇，設備主要包含犁、播種機、旋耕機、收獲機、植保無人機等，這些設備及相應的功能也是具有模塊化和松耦合化的特性，后續可作擴展添加；選擇設備后，系統會自動載入一個設備倉庫，并在倉庫中停放著所選設備；點擊外觀查看，設備會自動懸浮于倉庫中，學生可使用鼠標控制，對設備進行360°查看，放大縮小查看，點擊標簽按鈕，可顯示外觀結構重點標簽及說明。點擊結構查看，設備會呈現爆炸狀態，學生可使用鼠標控制，對設備爆炸結構進行360°查看，放大縮小查看，點擊標簽按鈕，可顯示爆炸結構重點標簽及說明；點擊運行按鈕，會顯示設備運行狀態的動態模擬；點擊重點部件，設備外殼透明化，進行內部重點部件工作原理展示，學生可選擇隨時停止播放工作原理，也可重復觀看多次。在實操場景中實現學生訓練情況記錄，并且可以在訓練結束時全程回放，回放時可任意角度的查看操作過程中出現錯誤的地方，方便學生全面觀察自己的操作情況，提高操作水平和訓練效率。模擬考核時，通過三維場景設置，按照聯合收割機/拖拉機駕駛員考核大綱規定，依據《拖拉機、聯合收割機科目考試評判表》評判標準，實現模擬考核功能。該功能嚴格按照駕駛員考核大綱的要求，設定各考核點知識說明，模擬考核場地，真實再現考核科目，評判嚴謹公正，客觀驗證聯合收割機駕駛員操作駕駛技術水平，以此激勵學生端正學習態度，提高考核優秀率。

3.2.4模塊4：農業裝備關鍵部件虛擬測繪。學生選擇考核模式后，就會看到界面上有當前所需考核的設備零部件，零部件主要包括犁曲面、旋耕刀軸及刀片、移栽機鴨嘴（或栽插器）、收割機割臺、滾筒、拖拉機懸掛系統、播種器等，具體的考核內容由教師端進行設置；首先進行部件測量，進入部件場景，部件擺放在倉庫中，考核模式下，學生根據自己掌握的知識內容，自由選擇工具和測量點對部件進行測量，系統不進行任何提示；然后進行工具選擇和操作，學生先對測量工具進行選擇，然后選擇部件的測量點，選擇測量點后，鏡頭會自動切換到適合測量的位置，學生用所選工具進行測量；需要對視角進行調整，由于測量對于視角控制的要求較高，所以系統可切換2D/3D現實，在2D視圖下，用戶可選擇只看物體的頂/側/底/正面，便于學生考核時的精準定位；同樣的，在測量過程可使用鼠標鍵盤的配合操作，調整一個較為合適的視角進行操作。

4結語

農業機械學虛擬仿真實訓項目堅持以學生能力培養為核心，通過“智慧農場農業機械化生產裝備虛擬仿真實訓系統”完善了典型農業裝備的認知、拆裝、操作、關鍵農業裝備零部件測繪等不同階段的實驗，全面促進農業機械化及自動化專業學生知識、能力、素質協調發展和理論、實踐、創新水平綜合提高。實驗項目在統籌協調理論教學和實驗教學條件下，在實驗教學環節中堅持重視基礎、突出綜合、全面開放、旨在創新的理念，突出課內課外教學一體化，虛擬教學與實體教學相結合，虛擬對象與實體對象相結合，虛擬技術與現實技術相結合，形成以“專業知識—綜合技能—研究創新”為主線的多元化、立體化、開放式、虛實結合的教學體系。

參考文獻

[1]羅海峰，謝方平，吳明亮.三段式“interactive”教學模式在“農業機械學”課程教學中的應用[J].高等農業教育，2018，（4）：68-72.

[2]田輝，梁愛琴，李保謙，等.虛擬現實技術在《農業機械學》課程教學中的應用[J].科技信息，2012，（35）：721，824.

作者：何勛 屈哲 張開飛 陳新昌 李赫 李保謙 單位：河南農業大學機電工程學院