機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心建設規劃與實踐

宋正河, 陳 度, 董向前, 杜岳峰, 李海濤, 張學敏

(中國農業大學 工學院, 北京 100083)

機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心建設規劃與實踐

宋正河, 陳 度, 董向前, 杜岳峰, 李海濤, 張學敏

(中國農業大學 工學院, 北京 100083)

機械工程和農業工程學科在農業高等院校人才培養中發揮著重要的作用,虛擬仿真技術在兩大學科專業教學中的應用,將成為傳統課堂和實驗教學的有利補充。以中國農業大學機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心的建設為例,通過建立包括課程實驗、綜合創新和實習實踐3個層次的虛擬仿真實驗教學平臺,實現虛擬仿真實驗教學與理論教學、創新設計、科研促教學、實習實踐的四結合,從而達到學生受益面大、創新性強、管理高效、示范程度高、易實現資源共享的建設目的,最后以實例對實驗教學中心的資源建設進展進行了介紹。

虛擬仿真； 實驗教學； 機械工程； 農業工程

1 機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心概況

機械工程學科和農業工程學科在農業高等院校人才培養中發揮著重要的作用。在傳統實驗教學中,由于存在農業生產季節性強、農業裝備機型機具種類繁多、結構復雜、易造成環境污染、實驗成本高、機械化農田作業實習、工業生產實習和大型綜合工程實訓開展困難等問題,難于全面實施實驗、實踐、實習教學各個環節[1-3]。將基于虛擬現實技術的虛擬仿真實驗教學作為傳統教學的補充,將可以極大地調動學生的學習主動性和自主性,大幅度提升教學效果,可有效解決當前實驗教學中所面臨的某些問題[4-6]。

中國農業大學在“十二五”期間建立了機械與農業工程國家級實驗教學示范中心,并長期與國內外知名汽車工業、農機工業和現代化農場建立了良好的教學、科研及人才培養合作機制,具有鮮明的人才培養特色。依托機械工程和農業工程學科,集中農業工程、農業機械化及其自動化、車輛工程、數字化設計與制造等優勢資源,建設機械與農業工程虛擬仿真實驗教學平臺,開發機械工程與農業工程兩大學科相關專業虛擬仿真實驗教學資源,可以充分發揮虛擬仿真實驗教學的優勢,實現機械與農業工程學科相關專業實驗教學的虛實結合及相互補充,在相關高校具有較高的教學資源共享性和開放性。由此,我校成立機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心,并于2013年獲批成為國家級虛擬仿真實驗教學中心(以下簡稱中心)。

2 中心建設總體規劃

實驗實踐教學是高等工程教育的重要組成部分,在培養理工類學生,尤其是工程類人才方面具有關鍵作用[7]。通過虛擬仿真實驗解決實驗手段落后、實驗過程粗放、師資力量不足、實踐活動缺乏細致管理的問題,滿足學生動手能力培養、個性化培養要求和學生的設計能力提升的要求,虛擬實驗有利于學生實現從知識學習到實驗動手的跨越[8]。

在中心建設與實驗實踐教學改革過程中,秉承“學生為本、教師主導、管理服務”的教育觀,確立以培養和提高學生工程實踐能力、綜合素質和創新精神為根本宗旨,堅持傳授知識、培養能力和提高素質協調發展,工程仿真實驗教育覆蓋大學本科全階段的新思路,從而逐漸形成機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心“重實驗,構體系；依學科,促教改；筑環境,強創新”的實驗教學理念。

以全面提高學生工程綜合素質、創新精神和實踐能力為宗旨,按照實驗教學虛實結合、相互補充的原則,構建了“三平臺、九模塊”的機械與農業工程虛擬仿真實驗教學體系,如圖1所示。三平臺是指課程虛擬仿真實驗教學平臺、綜合創新虛擬仿真實驗教學平臺和實習實踐虛擬仿真教學平臺,包含了原理類虛擬仿真實驗、設計類虛擬仿真實驗、制造類虛擬仿真實驗、機電類虛擬仿真實驗、綜合創新類虛擬仿真實驗、認知類虛擬仿真實驗、拆裝類虛擬仿真實驗、工程訓練虛擬仿真實驗、專業實習虛擬仿真實驗等9個模塊的虛擬仿真實驗教學內容。該體系涵蓋了中國農業大學機械工程與農業工程學科所有專業的實驗教學,可服務于本科階段實驗教學的全過程,如圖2所示。

中心所開展的虛擬仿真實驗教學覆蓋學生在校4年的學習,其中,認知類實驗模塊服務于相關專業一至四年級學生,工程訓練模塊主要針對相關專業二年級學生,綜合創新類實驗模塊主要針對二、三、四年級學生,原理類實驗模塊主要針對二、三年級學生,制造類實驗模塊主要針對二、三年級學生,拆裝類實驗模塊主要針對二、三、四年級學生,設計類實驗模塊主要針對三、四年級學生,機電類實驗模塊主要針對三、四年級學生,專業實習模塊主要針對三、四年級學生。

3 中心運行管理平臺與資源建設

3.1 校級運行管理平臺建設

作為中國農業大學涉農工程類虛擬仿真實驗教學中心的先導,中心在建設伊始,針對中國農業大學教學管理特點,采用學教并重的教學系統設計模式構建了校級虛擬仿真實驗教學運行管理平臺。該平臺主要包含門戶管理、虛擬實驗運行、虛擬實驗教學、教學教務管理、實驗評測評估、實驗成績管理、多媒體教學資源庫管理等多個子系統,并與學?，F有教學管理系統實現了數據的交互與共享。

同時,平臺依托基于全覆蓋學校教學、科研、管理及樓宇的校園網絡系統,應用先進的信息技術,實現多媒體教學資源、虛擬仿真實驗教學資源等多種教學資源的管理和檢索,教師在平臺環境中能夠安排學習活動、管理教學資源、構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象、制定教學計劃、批改實驗報告、分析實驗結果,并有針對性地指導學生開展實驗、實踐和創新活動；學生可以在虛擬仿真環境中進行實驗前的理論學習、虛擬仿真實驗操作、實踐創新訓練；平臺還提供數字化多媒體資源管理、師生互動交流、消息廣播、多媒體資源共享、信息發布和系統管理等多項功能,基本實現實驗教學全過程信息化管理,具有信息發布、數據收集分析、互動交流、成績評定、成果展示等功能。虛擬仿真運行管理平臺如圖3所示。

3.2 課程實驗類虛擬仿真教學資源建設實例

(1) 機械原理與農業機械構造類實驗資源。機械原理、機械設計等課程是機械類專業本科生核心基礎課程。在傳統教學中,多利用文字講解和配圖演示進行簡單機構的認知與理解,而復雜機構的教學受物理教具的限制,造成核心知識點難以講解透徹，且對學生三維抽象思考能力要求難以達到等問題[9]。通過對現有資源進行整合,利用虛擬仿真技術,建立了曲柄滑塊、曲柄搖桿、雙曲桿、擺動導桿、平面六桿機構、直動導桿凸輪機構、四桿仿形、單桿單點鉸鏈式仿形、多桿多自由度仿形等多種典型運動機構的三維仿真模型，同時,結合實際科研成果,構建了排種器、開溝器、物料切割器,撥禾輪、逐蒿器等典型農機具三維仿真演示模型,極大地豐富了機械原理、機械設計、農業機械學等核心專業課程的實驗教學資源，提高教學質量。

圖1 機械與農業工程虛擬仿真實驗教學體系

圖2 虛擬仿真實驗教學與不同學習階段對應關系

圖3 虛擬仿真中心運行管理平臺

(2) 車輛構造及發動機原理類實驗資源。汽車構造、發動機原理、發動機構造等是車輛工程專業的核心專業課程。傳統教學通常采用理論教學為主、實驗操作為輔、實踐活動為補充的教學模式,但受教學活動學時、教具數量、指導教師等的限制,教學效果往往不太理想[10]。為了豐富教學手段,為發動機原理、汽車底盤構造、汽車電子電器、液壓傳動等課程核心教學內容提供直觀的教學資源,結合虛擬仿真技術,構建了發動機曲柄連桿機構、配氣機構、燃料供給系統、潤滑冷卻系統、點火啟動系統,汽車底盤傳動系統、行駛系統、轉向系統、制動系統等三維仿真模型,并實現了各子系統在分解與合成狀態下工作原理、結構特點、工作特性的演示和交互式說明,有助于教師進行不同子系統知識點的講授,學生也可以在課后進行自主交互式學習和實驗,并完成課程作業,大大提高了教學效率和質量。

3.3 綜合創新類虛擬仿真教學資源建設

綜合創新虛擬仿真平臺包含綜合創新類實驗模塊,該模塊主要為開展機械類、工業設計類、車輛工程類、機電控制類和農業工程類的綜合創新虛擬仿真實驗,學生自行設計機械產品、車輛性能綜合檢測、機電綜合設計和農業裝備綜合設計,建立相應的模型并仿真,通過綜合創新虛擬設計與仿真,提升學生對知識的綜合應用能力和創新能力。在該平臺建設中,主要構建有機械傳動、機電控制、液壓傳動、測控系統等仿真實驗平臺,學生可以根據在交互環境中,開展軸系綜合設計、機構綜合設計、產品外觀設計、汽油機負荷特性、車輛動力特性、液壓傳動特性、機器人控制綜合實驗等創新活動。該平臺還通過引入Matlab@、Multisim@、LabVIEW@、Pro/Engineering@等建模和仿真平臺,可以對自主設計的機械機構、測試系統、控制模型等進行聯合仿真,有效提高了學生開展自主創新的積極性。

3.4 實習實踐類虛擬仿真教學資源建設

(1) 農業生產全程機械化實習實訓資源。針對農業生產季節性強、種類多樣等特點,構建了農業生產全程機械化實習實訓模塊資源,包括春季聯合整地作業、大型玉米播種機作業、中耕除草作業、高地隙噴藥機噴藥作業、玉米聯合收獲作業、秋季整地作業等環節的實習實訓資源等。在虛擬仿真交互環境中,學生可以根據實驗指導說明,自主開展不同類型虛擬樣機的操作和訓練,有效解決了農業生產實習時間短、危險度高、受季節限制明顯等問題[11]。生產全程機械化訓練資源包括豐富的實驗指導和操作說明,可用于不同年級本科生在不同學習階段開展學習和實踐活動,對于涉農工程類大學生的實踐能力培養具有重要的作用。

(2) 拆裝類實驗實訓資源。工程訓練是高等教育培養人才實踐能力、創新能力和綜合素質的重要環節[12]。在機械大類本科生教學活動過程中開展理論教授、實驗操作、實習認知的同時,進行機械裝備典型機構、部件、整機的拆裝實訓作業可以為學生掌握機械結構配合、拆裝工藝流程、裝配精度控制等概念提供有力的載體,并為后續專業課程學習打下良好的基礎。在該模塊中,針對機械與農業工程實驗教學特點,在部件方面,構建了汽油發動機、柴油發動機、機械變速箱、排種器、開溝器等部件的拆裝實訓資源；在整機裝備方面,構建了機床夾具、谷物聯合收割機、汽車底盤等的拆裝實訓資源,解決了傳統拆裝實訓中教學設備損耗大、教學成本高等問題。

4 結語

機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心以全面提高學生工程綜合素質、創新精神和實踐能力為宗旨,按照實驗教學“虛實結合、相互補充”的原則,提出了“三平臺、九模塊”的虛擬仿真實驗教學體系。在構建虛擬仿真實驗教學管理與運行平臺的基礎上,創建了涵蓋農業機械化生產、農機具原理、車輛底盤、發動機、機電測控、機械創新設計、液壓傳動等專業內容的一系列虛擬仿真實驗教學資源,并通過對現有人才培養模式和教學方案的改革,逐步實現虛擬仿真實驗教學與傳統課堂和實驗教學模式的有機融合,為符合當前創新人才培養模式下新型高層次人才的培養提供了有力支撐。

References)

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Construction planning and practice of mechanical and agricultural engineering virtual simulation experimental teaching center

Song Zhenghe, Chen Du, Dong Xiangqian, Du Yuefeng, Li Haitao, Zhang Xuemin

(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Mechanical engineering and agricultural engineering play an important role for talents’ cultivation in high level agricultural university. The virtual simulation technology in professional teaching activities will become effective supplements for traditional courses and experiments. This paper describes the development and progress of mechanical and agricultural engineering virtual simulation experimental teaching center in China Agricultural University (CAU). The center has developed three virtual simulation teaching platforms, including course experiment platform, integrated innovation platform, and practical training platform. To achieve the objective of wide beneficial range, strong innovation, high efficiency management, outstanding demonstrating, the developed center accomplishes the task of combination between experimental teaching and theoretical teaching, innovative design, scientific research, practical training. Finally the progress of virtual simulation teaching resource development is introduced.

virtual simulation; experimental teaching; mechanical engineering; agricultural engineering

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.002

2016-10-14

北京高等學校教育教學改革項目(2014-ms043和2014-ms046)

宋正河(1973—)，男，山東日照，博士，教授，中國農業大學工學院副院長，機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心主任，主要研究方向為數字化設計與虛擬現實技術.

E-mail:songzhenghe@cau.edu.cn

TP391.9

A

1002-4956(2017)1-0005-05