農業機械化工程數字樣機教學資源開發

楊 欣 李建平 馮曉靜 劉俊峰

河北農業大學機電工程學院 河北保定 071001

農業機械化工程數字樣機教學資源開發

楊 欣 李建平 馮曉靜 劉俊峰

河北農業大學機電工程學院 河北保定 071001

提出利用數字樣機開發技術進行教學資源建設和開發，闡述了數字樣機教學資源的技術內涵和開發原則，基于數字樣機開發技術建立了用于農業機械化工程教學的典型零部件、典型機構和典型整機的數字化模型，并利用這些模型開展機械結構認知、機構運動分析、工作原理演示等多種形式的仿真教學。

農業機械化工程；人才培養；教學資源；數字樣機

我校省級重點學科農業機械化工程，多年來一直堅持“非實習不能得真諦，非實驗不能探精微”的教學理念，取得了很好的教學成果[1-3]。但在知識經濟和科學技術飛速發展的今天，農業生產作業方式正向保護性耕作、精準作業、設施栽培等現代化作業方式轉變，農機裝備也隨之向高效、精細、節能和可持續的方向發展。未來若干年，是傳統的農業機械化工程逐步向現代農業機械化工程提升的關鍵時期，農業機械化工程學科不僅要發展外延，更要著重向內涵拓展，培養高質量人才，出高水平成果[4]。考慮新形勢下農業機械化工程教學的服務面向，以提高教學水平為主，不增加教育成本，開發高質量的農業機械化工程數字樣機教學資源，構建農業機械化工程實驗實習教學網絡平臺，已成為農業機械化工程教育信息化和現代化的迫切需要。

1 數字樣機教學資源技術內涵與開發原則

1.1 數字樣機教學資源技術內涵

數字樣機開發(Digital Prototyping)是把一個創意變成一個可以向客戶推銷的數字化產品原型的全過程，是科學研究中新產品設計開發的一種現代化技術手段。利用數字樣機開發技術可使得概念設計、工程設計、制造、銷售和市場部門在產品制造之前虛擬地體驗完整的產品[5]。工業造型師、設計工程師和制造工程師使用數字樣機技術在整個產品開發過程中對產品進行設計、優化、驗證和可視化。市場人員可以使用數字樣機技術在產品制造之前創建產品的真實感，渲染和在實景環境中的動畫模擬。目前，數字樣機技術在機械、電子、航空、汽車、動力工程等諸多領域得到了廣泛的應用。

數字樣機教學資源是指利用數字樣機開發技術對教學資源進行處理，可以在多媒體計算機及網絡環境下運行的多媒體數字化教學材料。按處理的對象劃分，數字樣機教學資源可分為典型零部件、典型機構和典型樣機等；按信息的呈現方式劃分，數字樣機教學資源可分為數字化圖像、投影、視頻以及網上教學資源等。與傳統的教學資源相比，數字樣機教學資源有開發技術數字化、處理方式多媒體化、信息傳輸網絡化等特點。數字樣機教學資源是一種動態的教學素材庫，基于數字樣機教學資源可以在不同教學單元間和教學平臺上共享數字樣機模型數據。

1.2 數字樣機教學資源開發原則

開發數字樣機教學資源應遵循教學性、科學性、開放性、通用性、層次性的原則。

(1)教學性原則：數字樣機開發技術本屬于科學研究中新產品設計開發手段，將其用于教學資源的設計開發中，與科研產品開發有著本質的區別。科研產品開發的目的是得到市場需求的新型產品，滿足人們對產品的功能需求，而數字樣機教學資源應能滿足教與學的需求。

(2)科學性原則：數字樣機教學資源應能正確反映科學知識原理和現代科學技術，所構建的樣機模型應該盡量按實際設備進行1:1建模，按實際工作原理進行運動、動力仿真參數設置。

(3)開放性原則：數字樣機教學資源應確保在任何時候、任何地方、任何師生都可以將自己的數字樣機作品納入其中，可以通過網絡論壇設置不同身份的會員機制，給每一位使用者(教師、學生等)提供提交建議、上傳作品的許可認證接口，尤其是對學生提交的課程設計、畢業設計成果進行審核認定，及時充實和更新教學資源庫。

(4)通用性原則：在相應的技術標準規范下，數字樣機教學資源應能適用于不同的教學情境和多種形式的學習，適用于針對不同專業而設置的同門類學科通論類課程，最大限度地共享資源。

(5)層次性原則：數字樣機教學資源應實行模塊化管理，使學習者通過對不同層次資源的使用和重組，方便進行課程或知識體系的篩選，最大限度地發揮資源的個性化定制潛能。

2 農業機械化工程數字樣機教學資源開發

2.1 將現有教學資源進行數字樣機建模

將現有的教學資源進行數字樣機改造是把現行教學中使用的載體進行數字化改造，形成數字化模型資源。現有教學資源包括兩大類：一是教研室和實驗室原有成熟的實物教具、機構模型、零部件結構掛圖等。二是在課程設計和畢業設計中師生創作的機械機構作品，包括展示型作品、師生交流作品集、教師對學生進行評價的作品等。將這些教學資源進行數字化樣機設計，建立虛擬教學模型，主要是三維立體模型的制作和開發。圖1所示是根據幾種典型農機部件實物教具建立的數字樣機模型。

圖1 實物教具數字樣機模型

可以篩選一批典型資源設立學生設計研究計劃項目，讓學生參與教學資源建設，并借助設計過程提高學生對現代數字化設計軟件的應用能力，將學生技能教育融于教學中，并兼顧提升學生從事科研工作的能力，提前熟悉一些主流設計軟件的使用方法和操作技能。

2.2 將科研產品數字樣機進行教學型轉化

在農業機械化工程諸多核心課程教學中，除了加強理論課程的基礎知識外，更要體現學科前沿知識，在實踐環節中融入最新科研成果，將學科前沿知識帶給學生，讓學生對專業方向有更好的把握和定位。如今農業機械產品開發已經采用了數字樣機開發技術，許多產品生產之前需要借助產品數字樣機進行功能和行為的仿真模擬，在產品開發過程中更是借助數字化手段對研究對象反復仿真分析和評價[6-9]。開發完成的產品本身就是很好的教學資源，尤其是一些新機構、新部件的結構原理、動態特性等。圖2所示是在科研項目中開發的新型機械裝備和核心部件運動仿真分析模型。

圖2 科研產品數字樣機模型

通過多媒體技術把典型科研產品設計和仿真過程進行錄制、編輯等，形成用于課程教學的素材。這要求任課教師在參與科研工作的同時捕捉可用于教學的信息，及時收集科研工作中的教學素材，這也有助于科研工作本身的總結和提高。

2.3 將調研產品數據作為數字樣機資源補充

調研數據主要包括舊式農具、農民自制農具和新型農機產品等。這些農具或農機產品是目前教材中沒有的產品類型，但它們對了解農業機械發展歷史和目前農村使用農機的現狀有著不可替代的作用。通過學生假期社會實踐活動，可以搜集到大量舊式農具、農民自制農具和新型農機產品的數據信息。篩選出比較有代表性的機具產品進行數字樣機建模，如圖3(a)所示是我國北方農村現存不多的小麥播種開溝農具，這種農具曾在我國小麥播種區域有著廣泛的應用，改革開放后逐漸淡出歷史舞臺。圖3(b)所示是目前北方農村玉米播種區域廣泛使用的一種勺輪式玉米精量免耕播種施肥聯合作業機，適用于對包衣后的優質玉米種子進行精量播種。

圖3 調研產品數字樣機模型

3 數字樣機教學資源應用

3.1 農業機械學省級精品課教學應用

農業機械學是我校農業機械化及其自動化專業必修的一門理論和實踐緊密結合的課程，2003年已經建設成為省級精品課。我們建立的各種數字樣機教學資源在農業機械學省級精品課建設過程中得到了很好的應用。在理論課和實驗課教學課件中采用的數字樣機模型包括耕整地機械、播種機械、中耕管理機械、收獲機械、植保機械等。各種模型素材在各個理論教學單元中以圖片、動畫等形式體現，其中動畫素材與理論教學課件素材占總量的50%以上。尤其是對于結構認知課，學生通過逼真的數字樣機模型分解視圖和生動的三維動畫模擬演示，很快理解了在理論課程中所講的基礎知識。

3.2 “農業機械化工程實驗實習教學網”應用

“農業機械化工程實驗實習教學網”是河北省重點學科農業機械化工程的重點建設內容之一。該教學網于2009年5月開通試運行，其內容以農業機械化及其自動化本科專業課和業務素質課的實驗和實習教學為主體內容，以省級精品課農業機械學的實驗和實習教學為核心，兼顧農學、園藝、畜牧、植保等非機化專業的農機化概論、草業機械化、植保機械等選修課程實驗教學。學生實名注冊為會員后可選擇相應內容學習、下載資料、參與師生互動交流等，實現網絡教學。圖4所示是農業機械化工程實驗實習教學網首頁，通過鏈接數字樣機教學資源，能夠讓學生在任何地方學習農業機械基礎知識和了解學科發展動態，起到事半功倍的效果。

圖4 數字樣機教學資源網絡教學應用

4 結束語

為適應農業機械化工程學科向內涵拓展，培養高質量人才的時代要求，利用數字樣機開發技術建立了大量數字樣機模型作為農業機械化工程學科的教學資源。通過將現有教學資源進行數字樣機建模、將科研產品數字樣機進行教學型轉化和將調研產品作為數字樣機資源補充的途徑，完成了一套比較完善的典型零部件、典型機構和典型樣機的數字化模型。并把這些模型應用到了農業機械學等課程教學和“農業機械化實驗實習教學網”建設中，開展多種形式的仿真教學和網絡教學，為加快農業機械化工程教學由傳統模式向現代模式的轉變提供了實踐性參考。

[1] 馮曉靜,劉俊峰,楊欣.農業機械學課程教學改革思路[J].中國農機化,2004,3:67-68.

[2] 楊欣,馮曉靜,劉俊峰.農業機械化及其自動化專業CAD教學研究[J].農機化研究,2005,5:275-277.

[3] 馮曉靜,劉俊峰,錢東平,等.面向21世紀農業機械化工程實踐教學的探討[J].中國農機化,2007,5:87-88.

[4] 中國農業工程學會.農業工程學科發展報告(2010-2011)[M].北京:中國科學技術出版社,2011.

[5] 吳菌.數字樣機真的是老生常談嗎?[J].中國制造業信息化,2007,7:60-62.

[6] Yang Xin, Feng Xiaojing, Liu Junfeng.Virtual Assembly Associative Design and Finite Element Analysis for Digging Spade of Potato Harvester [C]. Proceedings of 2007 International Conference on Agricultural Engineering, 2007: 426-431

[7] Xin Yang, Junfeng Liu, Jin Tong. Virtual Assembling Associative Design for Digging Spade of Potato Harvester [C].International Agricultural Engineering Conference, Bangkok, Thailand, 2005.

[8] 楊欣,賈靜霞,佟金,等.農業機械典型部件裝配關聯設計[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2006,18(1):156-159.

[9] 趙運生,楊欣,李建平,等.4U-1A型馬鈴薯收獲機數字樣機建模與仿真[J].農機化研究,2010,11:122-125.

Digital prototyping for teaching resources of agricultural mechanization engineering

Yang Xin, Li Jianping, Feng Xiaojing, Liu Junfeng
Agricultural university of Hebei, Baoding, 071001, China

The technology connotation and the development principle of the digital prototype instructional resource were put forward through digital prototyping method. The digital prototype models of the typical components, mechanisms and machines were founded with the digital prototyping for the agricultural mechanization engineering instructional resource, and the various forms of simulation teaching based on these digital prototype models were carried out such as mechanical structure learning, the mechanism motion analysis, and the working principle demo.

agricultural mechanization engineering; talent cultivating; teaching resources; digital prototyping

2011-10-17

楊欣，博士，副教授。

河北農業大學第六批重點資助教育教學研究項目“基于數字化設計的農業機械化工程實驗教學研究”(編號：08-A8)。