虚拟仿真教学在农机专业人才培养中的应用探讨

屈 哲，何 勋，吕志军，丁 力

（河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002）

0 引言

虚拟仿真是集成计算机技术、网络通讯技术、人机交互、人工智能以及传感技术等多项技术综合而生的一种现代技术。虚拟仿真是由计算机硬件、软件系统以及不同传感器结合而成的三维虚拟环境。由于其具有沉浸式、人机交互式等特点，在教学等领域得到了广泛应用与推广。教师利用虚拟仿真技术将理论教学和实验教学中晦涩难懂的知识点直观形象地传达出来，使学生学习起来更加容易[1-3]。学生在虚拟环境中运用仿真系统进行实验操作，形成逼真的图像，有效提升了学习兴趣及直观感受，能最大限度地激发学习热情和提高实验教学的效果。

虚拟仿真教学的推广顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要，推动了高校教学改革和创新，是“虚拟现实+教育”深度融合的产物[4]。2012年3月教育部在关于印发《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》的通知中提到：高等教育信息化是促进高等教育改革创新和提高质量的有效途径，是教育信息化发展的创新前沿。推进信息技术与高等教育深度融合，促进教育内容、教学手段和方法现代化，创新人才培养模式，促进高等教育质量全面提高。其中，在实施优质数字教育资源建设与共享行动中提出：到2015年遴选和开发五百个学科工具、应用平台和一千五百套虚拟仿真实训实验系统，为教学方法改革与创新开创了新局面。

农机专业尤其是在专业课的教学与实验过程中，因受到空间、时令、资源的限制，难以较好地保证教学均质化。近年来基于虚拟仿真技术的教学系统、平台等被不断开发与应用，打破了时间和空间等诸多因素的限制，能在作业环境危险、教学资源不充裕、时令调节难以满足的情况下能尽可能地满足教学要求，受到不同学科的重视，取得了良好的教学效应和社会效应[5]。因此，利用虚拟仿真教学在农机专业人才培养中具有良好的应用前景和实际意义。

1 传统农机专业教学过程中存在的问题

1.1 理论教学过程中存在的问题

在农机类专业理论教学过程中，以《农业机械学》《拖拉机汽车学》《智能农业装备技术》等为代表的大部分课程在讲解过程中，由于涉及耕整地、播种、田间管理、收获等各环节相关的农业机械，而介绍农业机械的结构组成、工作原理等是比较抽象的，仅靠传统的二维图、三维图和同学们抽象的理解，是很难全面直观地学习相关内容，尤其是农业机械内部结构。因此，给同学们对相关农业机械结构与工作原理的认知与理解带来了一定的困难，最终会造成同学们学习积极性、主动性下降，严重影响同学们的对课程学习的兴趣。

1.2 实验教学过程中存在的问题

在课程的实验教学中，需要借助于相关的实验设备，或者针对某一实物机型进行理论知识的讲解，以及进行机器工作原理的演示。问题在于随着学校不断的扩招，学生人数不断的增多，而实验所需的仪器设备和农业机械却数量有限，同时由于实验课学时有限。这就导致每组实验的学生人数过多，再加上时间有限，难以保证每个学生都能够进行实验仪器设备或机具的动手操作，达不到实验教学的最终目标。例如在拖拉机导航辅助驾驶实验课上，仅有的一台拖拉机与导航设备，不能满足每个学生进行实验操作的要求，降低了实验教学的效果。

2 虚拟仿真教学在农机专业教学中的优势

2.1 抽象的理论知识形象化提高教学质量

首先，虚拟仿真教学软件的应用可以将抽象的理论知识形象化、直观化，很直观地把农业机械的整体结构、核心工作部件等展示给同学们进行学习掌握；同时，虚拟仿真教学可以通过机器的三维原理仿真、动态模拟等让同学们非常清晰、直观地了解农业机械的工作原理和工作过程。例如在拖拉机结构拆装实验教学过程中，通过虚拟仿真教学中的发动机三维拆装、工况原理仿真、仿真实训等模块，可以让同学们很直观地学习相关内容，同时同学们能够进行模拟拆装实训与操作。在很大程度上提高了同学们的学习效率和实验教学的质量。

2.2 提高同学们学习的积极性与主动性

虚拟仿真教学具有直观生动形象、人机交互性强、开发成本低、操作不受时间与空间的限制等特点，可以将虚拟仿真教学与传统的理论教学、实验教学等结合起来，能够有效地提高理论与实验教学的质量和效果。同学们通过虚拟仿真教学的人机交互进行实训操作，直观地学习农业机械的结构组成和原理仿真，激发了同学们学习的兴趣，提高了同学们学习的积极性与主动性。

2.3 提高同学们动手操作能力

虚拟仿真教学可以作为理论教学与实验教学的补充，尤其是在以实物为基础的实践教学的基础上，先进行虚拟仿真教学，通过虚拟仿真教学先让同学们对农机结构有一定的了解与掌握，然后再进行实践操作，实现了先虚后实，虚实结合的教学方法，两者相互补充、相互促进[6]。同学们通过先虚后实的实验学习与操作，激发了他们在实践操作过程中的自信心，也提高了同学们在实践操作过程中动手操作能力。

2.4 弥补了实验教学仪器设备等资源的不足

对于实验教学来说，最重要的就是需要有大量的仪器设备和农业机械作为实验教学的基本条件，如果实验教学仪器设备平台等资源不足，加之众多的学生与有限的实验学时，就很难真正满足实验教学的所要求的目标。对于高校部分专业来说，用于购置仪器设备、拖拉机、收获机等农机装备的教学经费不足。因此，通过开发相关的虚拟仿真教学软件作为实验教学的补充，可以在一定程度上解决实验教学资源不足的问题。

3 拖拉机结构拆装虚拟仿真教学平台建设

《农业机械学》《拖拉机汽车学》《农业机械动力》等课程作为农业机械化及其自动化、农业智能装备工程等农业工程类专业和新工科班的专业核心课，拖拉机相关实验作为重中之重的实验任务，要与以上核心课程同步进行、紧密结合，为学生进行理论课的学习打下结构上的感性基础知识，使学生更加易于接受理论课知识。

长期以来，工作场合和外界环境因素的影响在很大程度上制约了拖拉机结构拆装实验教学的发展，而应用虚拟仿真实训技术则打破了教学中的时间、空间等诸多因素的限制。拖拉机结构拆装虚拟仿真实验教学系统是学习掌握拖拉机构造、原理和性能的实验教学系统，不仅使学生通过计算机直观地了解拖拉机的整体结构，而且从运动仿真的角度全方位观察拖拉机的工作原理和性能，掌握其工作原理及运动过程，虚拟仿真实训技术在农业机械教学中具有很高的应用价值和推广价值。

我校农机专业根据学生培养的需求，以及《农业机械学》《智能农业装备技术》等课程建设需要。我们与江苏农仿软件公司合作共同开发了拖拉机结构拆装虚拟仿真教学平台。该平台构建三维原理仿真环境，学生按照软件功能设置指引，进入模块进行上机实训，对拖拉机的三维结构进行交互式操作和控制，可以实现不同状态的动态展示：三维动态模拟运行透明展示、三维动态模拟运行外壳隐藏展示、三维动态模拟解剖运行展示等。虚拟仿真运行过程中，可以对拖拉机进行360°旋转、放大、缩小、移动观察，实现拖拉机模拟工况原理运行仿真教学和规范操作实训教学。

拖拉机结构拆装虚拟仿真教学平台重点建成了拖拉机发动机三维拆装教学模块、拖拉机变速箱三维拆装教学模块、拖拉机前桥三维拆装教学模块、拖拉机发动机运行工况原理仿真教学模块、拖拉机变速箱运行工况原理仿真教学模块（含分动器）和拖拉机前桥运行工况原理仿真教学模块。其中：（1）发动机三维拆装教学模块软件组成包括发动机喷油泵仿真教学模块、发动机气门组件仿真教学模块、发动机活塞连杆仿真教学模块、四缸柴油发动机整机仿真教学模块；（2）变速箱三维拆装教学模块软件组成包括三维拆装动画视频教学、三维拆装仿真实训教学。拖拉机变速箱三维拆装教学模块包括以下模块、三维仿真实训操作；（3）前桥三维拆装教学模块软件组成：拖拉机前桥三维拆装教学模块，软件功能包括三维拆装动画视频教学、三维拆装仿真实训教学；（4）发动机运行工况原理仿真教学模块软件组成：拖拉机动力运行工况原理仿真教学模块。软件构建全三维原理仿真环境，三维环境中模拟拖拉机发动机的运行工况，可以实现三种状态的动态展示：三维动态模拟运行透明展示、三维动态模拟运行外壳隐藏展示、三维动态模拟解剖运行展示。虚拟运行过程中，可以对拖拉机各模块进行360°旋转、放大、缩小观察；（5）变速箱运行工况原理仿真教学模块（含分动器）软件组成：拖拉机变速箱运行工况原理仿真教学模块（含分动器）。软件概述：软件构建全三维原理仿真环境，三维环境中模拟拖拉机变速箱的运行工况，可以实现三种状态的动态展示：三维动态模拟运行透明展示、三维动态模拟运行外壳隐藏展示、三维动态模拟解剖运行展示。虚拟运行过程中，可以对拖拉机各模块进行360°旋转、放大、缩小观察；（6）前桥运行工况原理仿真教学模块软件组成：拖拉机前桥运行工况原理仿真教学模块。软件概述：软件构建全三维原理仿真环境，三维环境中模拟拖拉机前桥的运行工况，可以实现三种状态的动态展示：三维动态模拟运行透明展示、三维动态模拟运行外壳隐藏展示、三维动态模拟解剖运行展示。虚拟运行过程中，可以对拖拉机各模块进行360°旋转、放大、缩小观察。

目前，已面向我校农业机械化及其自动化、农业智能装备工程等农业工程类专业和新工科班的本科三年级、四年级学生进行开放，使同学们在整个虚拟仿真实验过程中能够获得直观、真实的实验效果，受到了老师和同学们的一致好评，取得了良好的实验教学效果。

4 结语

把先进的虚拟仿真教学手段融入农机专业传统的理论教学和实验教学过程中，通过虚拟仿真教学中的三维拆装、工况原理仿真、仿真实训等不同模块，让同学们很直观地学习相关内容，同时能够进行模拟拆装实训与操作。在很大程度上提高了同学们的学习效率和实验教学的质量。同学们通过虚拟仿真教学的人机交互进行实训操作，直观地学习农业机械的结构组成和原理仿真，激发了同学们学习的兴趣，提高了同学们学习的积极性与主动性，以及动手操作能力。对于高校部分专业实验教学经费不足的问题，通过开发相关的虚拟仿真教学软件作为实验教学的补充，可以在一定程度上得到有效的缓解。通过拖拉机结构拆装虚拟仿真教学平台的建设与推广，使同学们在整个虚拟仿真实验过程中能够获得直观、真实的实验效果，受到了老师和同学们的一致好评，在农机专业人才培养方面具有良好的应用前景和实际意义。