《智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)》課程建設(shè)與應(yīng)用

屈 哲，何 勛，呂志軍，丁 力

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快，農(nóng)村剩余勞動力大幅度減少。同時(shí)，在國家由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化、自動化、信息化對農(nóng)業(yè)高質(zhì)高效發(fā)展起著決定性的作用，對智能農(nóng)業(yè)裝備水平提出了更高的要求[1]。智能農(nóng)業(yè)裝備是在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的基礎(chǔ)上，集成傳感器技術(shù)、自動化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段而形成的新型農(nóng)業(yè)裝備，與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)裝備相比具有智能、高效、高質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的快速推進(jìn)，大力發(fā)展智能農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略需求，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和發(fā)展方向[2-4]。但是，現(xiàn)階段國內(nèi)具有智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)知識的相關(guān)人才嚴(yán)重短缺。因此，在傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)與課程建設(shè)的基礎(chǔ)上，促進(jìn)傳感器技術(shù)、自動化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等不同學(xué)科與技術(shù)的深度融合顯得尤為迫切。

目前，國內(nèi)部分農(nóng)林類高校已經(jīng)開設(shè)了農(nóng)業(yè)智能裝備工程新專業(yè)，并設(shè)置了智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)等相關(guān)課程，但是課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法等尚不健全，課程建設(shè)需要不斷地深入優(yōu)化。因此，為了提高課程建設(shè)質(zhì)量與水平，提高學(xué)生對智能農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣與積極性，本文以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)為例，從課程教學(xué)目標(biāo)與要求、理論教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容等方面對智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)課程建設(shè)與應(yīng)用進(jìn)行了研究與探討，為國家開展智能農(nóng)業(yè)裝備人才培養(yǎng)提供參考。

1 課程教學(xué)目標(biāo)與要求

1.1 課程教學(xué)目標(biāo)與任務(wù)

該課程是農(nóng)業(yè)工程一級學(xué)科下農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化本科專業(yè)的專業(yè)必修課，也是專業(yè)核心課程。本課程是在學(xué)習(xí)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)的基礎(chǔ)上使學(xué)生進(jìn)一步了解新型農(nóng)業(yè)裝備機(jī)械在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，特別是傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)與新型農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)結(jié)合將會極大地提高農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)效率和拓寬應(yīng)用范圍。通過本課程的學(xué)習(xí)，獲得智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)及相配套的自動控制技術(shù)必要的基本理論、專業(yè)知識和使用新裝備的基本技能，具有對新型農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用的能力，為從事智能農(nóng)業(yè)裝備機(jī)械化規(guī)劃與管理、教學(xué)與科研、營銷與服務(wù)等相關(guān)的工程技術(shù)工作打好基礎(chǔ)。

1.2 課程教學(xué)要求

（1）理論知識方面：讓學(xué)生了解新型農(nóng)業(yè)裝備的內(nèi)容及所涉及的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，掌握新型智能農(nóng)業(yè)裝備組成的結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)方法；運(yùn)用電子控制技術(shù)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)控的基本原理和設(shè)計(jì)方法；了解現(xiàn)代農(nóng)藝、生物、電子及信息技術(shù)與農(nóng)機(jī)技術(shù)結(jié)合的內(nèi)涵和基本思路。

（2）實(shí)驗(yàn)技能方面：通過本課程課堂教學(xué)與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)將有廣闊的前景，使學(xué)生掌握智能控制技術(shù)、傳感器等微電子裝置與農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)控部件結(jié)合的方法和在實(shí)際生產(chǎn)中的作用，能夠理論與實(shí)際結(jié)合，把電子技術(shù)與農(nóng)業(yè)裝備結(jié)構(gòu)組合應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際，提升專業(yè)實(shí)踐和動手能力、現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法及生產(chǎn)應(yīng)用和智能農(nóng)業(yè)裝備的管理等。

1.3 課程教學(xué)設(shè)計(jì)

讓學(xué)生了解智能農(nóng)業(yè)裝備的內(nèi)容及所涉及的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，掌握智能農(nóng)業(yè)裝備組成的結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)方法；運(yùn)用電子控制技術(shù)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)控的根本原理和設(shè)計(jì)方法；了解現(xiàn)代農(nóng)藝、生物、電子及信息技術(shù)與農(nóng)機(jī)技術(shù)結(jié)合的內(nèi)涵和根本思路，了解精細(xì)農(nóng)業(yè)與智能農(nóng)業(yè)裝備的關(guān)系等。

2 課程理論教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法

2.1 課程理論教學(xué)內(nèi)容

（1）概述。本章主要講解智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)等相關(guān)概念；農(nóng)業(yè)裝備在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位，目前國外發(fā)展?fàn)顩r，國內(nèi)存在的差距；影響農(nóng)業(yè)裝備現(xiàn)代化發(fā)展的因素及解決辦法。要求學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的同時(shí)，注意查閱與本課程相關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，掌握國內(nèi)外該領(lǐng)域發(fā)展的最新動向。

（2）自動化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備中的應(yīng)用。本章主要講解自動化技術(shù)的基礎(chǔ)知識，熟悉自動控制系統(tǒng)的組成及原理，了解并且學(xué)習(xí)機(jī)電液一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電機(jī)電器技術(shù)信息與網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)基本要素，農(nóng)業(yè)裝備哪些方面能巧妙地結(jié)合自動控制完成農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制操作，達(dá)到方便、精確、高效節(jié)能，提升和擴(kuò)大農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備應(yīng)用范圍。

（3）農(nóng)機(jī)動力裝備的智能化。本章主要講解了在新型農(nóng)用動力根據(jù)使用對象的分類；高壓共軌柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，與傳統(tǒng)柴油機(jī)的區(qū)別，新型柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)的組成原理，工作過程。學(xué)習(xí)難點(diǎn)是高壓共軌系統(tǒng)各自的特點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)課去了解掌握。

（4）種植機(jī)械智能化技術(shù)與裝備。本章主要講解傳統(tǒng)播種技術(shù)與原有播種機(jī)械存在的不足，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植技術(shù)對播種、栽植機(jī)械的要求，重新認(rèn)識現(xiàn)代種植技術(shù)中部分作物采用禾苗移栽代替播種的優(yōu)越性，新型播種機(jī)和禾苗移栽機(jī)的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理，特別是智能控制技術(shù)在種植機(jī)械上的應(yīng)用原理及類型；重點(diǎn)掌握新型播種機(jī)的排種器組成原理，設(shè)計(jì)方法；目前各類移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作過程，原理，設(shè)計(jì)方法；現(xiàn)代播種、栽植機(jī)械的技術(shù)創(chuàng)新前景。

（5）收獲機(jī)械智能化技術(shù)與裝備。本章主要講解國內(nèi)外收獲機(jī)械化裝備的最新發(fā)展?fàn)顩r，時(shí)刻關(guān)注收獲機(jī)械與技術(shù)研發(fā)前沿的最新成果，深入了解在收獲機(jī)械產(chǎn)品上添加的自動監(jiān)測與控制裝置與技術(shù)的科技新知識以及有哪些新的經(jīng)濟(jì)作物采用了機(jī)械化收獲，重點(diǎn)掌握人工智能技術(shù)用于農(nóng)作物機(jī)械收獲的新科技知識，將所學(xué)習(xí)的機(jī)電液一體化綜合知識用于與本專業(yè)相關(guān)的收獲機(jī)械設(shè)計(jì)與應(yīng)用中去。

（6）精細(xì)農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)機(jī)械化新技術(shù)。本章主要講解傳感器技術(shù)、信息化技術(shù)、自動化技術(shù)、變量控制技術(shù)等技術(shù)體系，掌握有關(guān)精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的基本原理以及基礎(chǔ)知識，同時(shí)具備從事精細(xì)農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)研究的能力。重點(diǎn)以GPS（全球定位系統(tǒng)）、RS（遙感系統(tǒng)）和GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)為主線，學(xué)習(xí)并掌握精細(xì)農(nóng)業(yè)的基本原理以及實(shí)施方法，掌握相關(guān)儀器設(shè)備與軟件的操作方法。教學(xué)難點(diǎn)是變量作業(yè)機(jī)械的結(jié)構(gòu)組成與工作原理，以及如何利用GPS、RS、GIS、傳感器、攝像頭等開展田間土壤屬性信息以及作物生長信息的采集等。

2.2 課程教學(xué)方法

（1）多媒體互動教學(xué)法

多媒體教學(xué)作為現(xiàn)代教學(xué)主要方式，可以通過圖片、視頻和動畫等豐富的多媒體資源生動形象地向同學(xué)們展示智能化的農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)。同學(xué)們能夠直觀、形象地學(xué)習(xí)其結(jié)構(gòu)組成與工作原理等，提高對課程學(xué)習(xí)的積極性與主動性。同時(shí)，鼓勵同學(xué)們借助于當(dāng)前豐富的互聯(lián)網(wǎng)資源，圍繞課程的知識點(diǎn)進(jìn)行國內(nèi)外新技術(shù)、新裝備的收集與學(xué)習(xí)，并在課堂中進(jìn)行討論與交流，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

（2）案例教學(xué)法

智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)這門課不同于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)等課程，該課程是在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的基礎(chǔ)上融入了智能化、自動化、信息化等新技術(shù)，具有很強(qiáng)的前沿性。通過在課程教學(xué)中以案例的形式引入國內(nèi)外前沿的智能化農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)，才能夠讓同學(xué)們更直觀、更全面地學(xué)習(xí)掌握該課程的相關(guān)內(nèi)容。

（3）虛實(shí)結(jié)合的體驗(yàn)式教學(xué)法

虛擬仿真教學(xué)具有直觀生動形象、人機(jī)交互性強(qiáng)、開發(fā)成本低、操作不受時(shí)間與空間的限制等特點(diǎn)，可以將虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等結(jié)合起來，能夠有效地提高理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果。同學(xué)們通過虛擬仿真教學(xué)的人機(jī)交互進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作，直觀地學(xué)習(xí)智能農(nóng)業(yè)裝備的結(jié)構(gòu)組成和原理仿真，激發(fā)了同學(xué)們學(xué)習(xí)的興趣，提高了同學(xué)們學(xué)習(xí)的積極性與主動性。

3 課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

通過與課程內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解機(jī)電液一體化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)將有廣闊的前景，使學(xué)生掌握單片機(jī)、傳感器等微電子裝置與農(nóng)業(yè)機(jī)械監(jiān)控部件結(jié)合的方法和實(shí)際生產(chǎn)操作技能。達(dá)到能夠在實(shí)際使用中完成操作調(diào)整、進(jìn)而掌握電子技術(shù)與農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)相結(jié)合的理論和方法；最終學(xué)生應(yīng)能夠理解實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方案，掌握正確操作規(guī)程，掌握各種儀器的使用。

3.1 播種機(jī)排種質(zhì)量性能檢測實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)可以在不同播種參數(shù)（如播種株距、播種速度、播種盤型孔數(shù)）下實(shí)時(shí)檢測排種器的播種合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)、株距變異系數(shù)等播種質(zhì)量參數(shù)，并可檢測指夾式排種器各個(gè)指夾的重播個(gè)數(shù)和漏播個(gè)數(shù)。同時(shí)對種子的下落情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的動畫模擬顯示。可以適用于不同型號的排種器，安裝和拆卸過程簡單快捷。

3.2 基于智能檢測缺苗系統(tǒng)的全自動缽苗移栽實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)在移栽機(jī)械手正常勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動作業(yè)情況下，若光電識別模塊檢測出苗盤中正常存在秧苗，則移栽機(jī)械手依次完成取苗、運(yùn)輸、挖穴與栽植四個(gè)移栽工序；若光電識別模塊檢測出苗盤中缺苗，則由直流推桿電機(jī)帶動的秧箱橫向移箱加速運(yùn)動至正常存在秧苗位置，以配合移栽機(jī)械手完成取苗、運(yùn)輸、挖穴與栽植四個(gè)移栽工序，從而保證所栽植的秧苗株距一致，減少漏栽。

3.3 基于GPS的拖拉機(jī)導(dǎo)航與輔助駕駛實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)路徑規(guī)劃、輔助駕駛、路徑跟蹤、自動控制等動作，系統(tǒng)采用高精度GPS定位，控制精度在±2.5 cm以內(nèi)，作業(yè)精度高，作業(yè)速度快。

3.4 霧滴粒徑檢測與噴霧性能綜合實(shí)驗(yàn)

在田間開展噴霧機(jī)的噴霧性能試驗(yàn)時(shí)，噴霧機(jī)噴頭的壓力大小、流量、噴灑均勻性、功率消耗等是難以進(jìn)行有效且準(zhǔn)確測量的。但是，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)我們借助于噴霧性能綜合測試平臺，基于計(jì)算機(jī)視覺圖像處理、超聲波精確測距、傳感器耦合以及計(jì)算機(jī)綜合控制等關(guān)鍵技術(shù)，可以自動完成并準(zhǔn)確地測量所需的數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)對噴霧機(jī)以及關(guān)鍵部件的各項(xiàng)性能指標(biāo)的綜合測試[5-7]。

4 結(jié)語

國內(nèi)部分農(nóng)林類高校已經(jīng)開設(shè)了農(nóng)業(yè)智能裝備工程新專業(yè)，并設(shè)置了智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)等相關(guān)課程，但是課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法等尚不健全，課程建設(shè)需要不斷地深入優(yōu)化。本文以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)為例，從課程教學(xué)目標(biāo)與要求、理論教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容等方面對智能農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)課程建設(shè)與應(yīng)用進(jìn)行了研究與探討，以提高課程建設(shè)質(zhì)量與水平，提高學(xué)生對智能農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣與積極性，為國家開展智能農(nóng)業(yè)裝備人才培養(yǎng)提供了一定的參考。