机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心建设规划与实践

宋正河, 陈 度, 董向前, 杜岳峰, 李海涛, 张学敏

(中国农业大学 工学院, 北京 100083)

机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心建设规划与实践

宋正河, 陈 度, 董向前, 杜岳峰, 李海涛, 张学敏

(中国农业大学 工学院, 北京 100083)

机械工程和农业工程学科在农业高等院校人才培养中发挥着重要的作用,虚拟仿真技术在两大学科专业教学中的应用,将成为传统课堂和实验教学的有利补充。以中国农业大学机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心的建设为例,通过建立包括课程实验、综合创新和实习实践3个层次的虚拟仿真实验教学平台,实现虚拟仿真实验教学与理论教学、创新设计、科研促教学、实习实践的四结合,从而达到学生受益面大、创新性强、管理高效、示范程度高、易实现资源共享的建设目的,最后以实例对实验教学中心的资源建设进展进行了介绍。

虚拟仿真； 实验教学； 机械工程； 农业工程

1 机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心概况

机械工程学科和农业工程学科在农业高等院校人才培养中发挥着重要的作用。在传统实验教学中,由于存在农业生产季节性强、农业装备机型机具种类繁多、结构复杂、易造成环境污染、实验成本高、机械化农田作业实习、工业生产实习和大型综合工程实训开展困难等问题,难于全面实施实验、实践、实习教学各个环节[1-3]。将基于虚拟现实技术的虚拟仿真实验教学作为传统教学的补充,将可以极大地调动学生的学习主动性和自主性,大幅度提升教学效果,可有效解决当前实验教学中所面临的某些问题[4-6]。

中国农业大学在“十二五”期间建立了机械与农业工程国家级实验教学示范中心,并长期与国内外知名汽车工业、农机工业和现代化农场建立了良好的教学、科研及人才培养合作机制,具有鲜明的人才培养特色。依托机械工程和农业工程学科,集中农业工程、农业机械化及其自动化、车辆工程、数字化设计与制造等优势资源,建设机械与农业工程虚拟仿真实验教学平台,开发机械工程与农业工程两大学科相关专业虚拟仿真实验教学资源,可以充分发挥虚拟仿真实验教学的优势,实现机械与农业工程学科相关专业实验教学的虚实结合及相互补充,在相关高校具有较高的教学资源共享性和开放性。由此,我校成立机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心,并于2013年获批成为国家级虚拟仿真实验教学中心(以下简称中心)。

2 中心建设总体规划

实验实践教学是高等工程教育的重要组成部分,在培养理工类学生,尤其是工程类人才方面具有关键作用[7]。通过虚拟仿真实验解决实验手段落后、实验过程粗放、师资力量不足、实践活动缺乏细致管理的问题,满足学生动手能力培养、个性化培养要求和学生的设计能力提升的要求,虚拟实验有利于学生实现从知识学习到实验动手的跨越[8]。

在中心建设与实验实践教学改革过程中,秉承“学生为本、教师主导、管理服务”的教育观,确立以培养和提高学生工程实践能力、综合素质和创新精神为根本宗旨,坚持传授知识、培养能力和提高素质协调发展,工程仿真实验教育覆盖大学本科全阶段的新思路,从而逐渐形成机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心“重实验,构体系；依学科,促教改；筑环境,强创新”的实验教学理念。

以全面提高学生工程综合素质、创新精神和实践能力为宗旨,按照实验教学虚实结合、相互补充的原则,构建了“三平台、九模块”的机械与农业工程虚拟仿真实验教学体系,如图1所示。三平台是指课程虚拟仿真实验教学平台、综合创新虚拟仿真实验教学平台和实习实践虚拟仿真教学平台,包含了原理类虚拟仿真实验、设计类虚拟仿真实验、制造类虚拟仿真实验、机电类虚拟仿真实验、综合创新类虚拟仿真实验、认知类虚拟仿真实验、拆装类虚拟仿真实验、工程训练虚拟仿真实验、专业实习虚拟仿真实验等9个模块的虚拟仿真实验教学内容。该体系涵盖了中国农业大学机械工程与农业工程学科所有专业的实验教学,可服务于本科阶段实验教学的全过程,如图2所示。

中心所开展的虚拟仿真实验教学覆盖学生在校4年的学习,其中,认知类实验模块服务于相关专业一至四年级学生,工程训练模块主要针对相关专业二年级学生,综合创新类实验模块主要针对二、三、四年级学生,原理类实验模块主要针对二、三年级学生,制造类实验模块主要针对二、三年级学生,拆装类实验模块主要针对二、三、四年级学生,设计类实验模块主要针对三、四年级学生,机电类实验模块主要针对三、四年级学生,专业实习模块主要针对三、四年级学生。

3 中心运行管理平台与资源建设

3.1 校级运行管理平台建设

作为中国农业大学涉农工程类虚拟仿真实验教学中心的先导,中心在建设伊始,针对中国农业大学教学管理特点,采用学教并重的教学系统设计模式构建了校级虚拟仿真实验教学运行管理平台。该平台主要包含门户管理、虚拟实验运行、虚拟实验教学、教学教务管理、实验评测评估、实验成绩管理、多媒体教学资源库管理等多个子系统,并与学校现有教学管理系统实现了数据的交互与共享。

同时,平台依托基于全覆盖学校教学、科研、管理及楼宇的校园网络系统,应用先进的信息技术,实现多媒体教学资源、虚拟仿真实验教学资源等多种教学资源的管理和检索,教师在平台环境中能够安排学习活动、管理教学资源、构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象、制定教学计划、批改实验报告、分析实验结果,并有针对性地指导学生开展实验、实践和创新活动；学生可以在虚拟仿真环境中进行实验前的理论学习、虚拟仿真实验操作、实践创新训练；平台还提供数字化多媒体资源管理、师生互动交流、消息广播、多媒体资源共享、信息发布和系统管理等多项功能,基本实现实验教学全过程信息化管理,具有信息发布、数据收集分析、互动交流、成绩评定、成果展示等功能。虚拟仿真运行管理平台如图3所示。

3.2 课程实验类虚拟仿真教学资源建设实例

(1) 机械原理与农业机械构造类实验资源。机械原理、机械设计等课程是机械类专业本科生核心基础课程。在传统教学中,多利用文字讲解和配图演示进行简单机构的认知与理解,而复杂机构的教学受物理教具的限制,造成核心知识点难以讲解透彻，且对学生三维抽象思考能力要求难以达到等问题[9]。通过对现有资源进行整合,利用虚拟仿真技术,建立了曲柄滑块、曲柄摇杆、双曲杆、摆动导杆、平面六杆机构、直动导杆凸轮机构、四杆仿形、单杆单点铰链式仿形、多杆多自由度仿形等多种典型运动机构的三维仿真模型，同时,结合实际科研成果,构建了排种器、开沟器、物料切割器,拨禾轮、逐蒿器等典型农机具三维仿真演示模型,极大地丰富了机械原理、机械设计、农业机械学等核心专业课程的实验教学资源，提高教学质量。

图1 机械与农业工程虚拟仿真实验教学体系

图2 虚拟仿真实验教学与不同学习阶段对应关系

图3 虚拟仿真中心运行管理平台

(2) 车辆构造及发动机原理类实验资源。汽车构造、发动机原理、发动机构造等是车辆工程专业的核心专业课程。传统教学通常采用理论教学为主、实验操作为辅、实践活动为补充的教学模式,但受教学活动学时、教具数量、指导教师等的限制,教学效果往往不太理想[10]。为了丰富教学手段,为发动机原理、汽车底盘构造、汽车电子电器、液压传动等课程核心教学内容提供直观的教学资源,结合虚拟仿真技术,构建了发动机曲柄连杆机构、配气机构、燃料供给系统、润滑冷却系统、点火启动系统,汽车底盘传动系统、行驶系统、转向系统、制动系统等三维仿真模型,并实现了各子系统在分解与合成状态下工作原理、结构特点、工作特性的演示和交互式说明,有助于教师进行不同子系统知识点的讲授,学生也可以在课后进行自主交互式学习和实验,并完成课程作业,大大提高了教学效率和质量。

3.3 综合创新类虚拟仿真教学资源建设

综合创新虚拟仿真平台包含综合创新类实验模块,该模块主要为开展机械类、工业设计类、车辆工程类、机电控制类和农业工程类的综合创新虚拟仿真实验,学生自行设计机械产品、车辆性能综合检测、机电综合设计和农业装备综合设计,建立相应的模型并仿真,通过综合创新虚拟设计与仿真,提升学生对知识的综合应用能力和创新能力。在该平台建设中,主要构建有机械传动、机电控制、液压传动、测控系统等仿真实验平台,学生可以根据在交互环境中,开展轴系综合设计、机构综合设计、产品外观设计、汽油机负荷特性、车辆动力特性、液压传动特性、机器人控制综合实验等创新活动。该平台还通过引入Matlab@、Multisim@、LabVIEW@、Pro/Engineering@等建模和仿真平台,可以对自主设计的机械机构、测试系统、控制模型等进行联合仿真,有效提高了学生开展自主创新的积极性。

3.4 实习实践类虚拟仿真教学资源建设

(1) 农业生产全程机械化实习实训资源。针对农业生产季节性强、种类多样等特点,构建了农业生产全程机械化实习实训模块资源,包括春季联合整地作业、大型玉米播种机作业、中耕除草作业、高地隙喷药机喷药作业、玉米联合收获作业、秋季整地作业等环节的实习实训资源等。在虚拟仿真交互环境中,学生可以根据实验指导说明,自主开展不同类型虚拟样机的操作和训练,有效解决了农业生产实习时间短、危险度高、受季节限制明显等问题[11]。生产全程机械化训练资源包括丰富的实验指导和操作说明,可用于不同年级本科生在不同学习阶段开展学习和实践活动,对于涉农工程类大学生的实践能力培养具有重要的作用。

(2) 拆装类实验实训资源。工程训练是高等教育培养人才实践能力、创新能力和综合素质的重要环节[12]。在机械大类本科生教学活动过程中开展理论教授、实验操作、实习认知的同时,进行机械装备典型机构、部件、整机的拆装实训作业可以为学生掌握机械结构配合、拆装工艺流程、装配精度控制等概念提供有力的载体,并为后续专业课程学习打下良好的基础。在该模块中,针对机械与农业工程实验教学特点,在部件方面,构建了汽油发动机、柴油发动机、机械变速箱、排种器、开沟器等部件的拆装实训资源；在整机装备方面,构建了机床夹具、谷物联合收割机、汽车底盘等的拆装实训资源,解决了传统拆装实训中教学设备损耗大、教学成本高等问题。

4 结语

机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心以全面提高学生工程综合素质、创新精神和实践能力为宗旨,按照实验教学“虚实结合、相互补充”的原则,提出了“三平台、九模块”的虚拟仿真实验教学体系。在构建虚拟仿真实验教学管理与运行平台的基础上,创建了涵盖农业机械化生产、农机具原理、车辆底盘、发动机、机电测控、机械创新设计、液压传动等专业内容的一系列虚拟仿真实验教学资源,并通过对现有人才培养模式和教学方案的改革,逐步实现虚拟仿真实验教学与传统课堂和实验教学模式的有机融合,为符合当前创新人才培养模式下新型高层次人才的培养提供了有力支撑。

References)

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[10] 李未,滕菲,李庆华. 虚拟现实技术在汽车构造实验教学中的应用[J]. 长春大学学报,2016,26(6):89-93.

[11] 李润声,林卫国,王树才. 虚拟仿真技术在农业机械课程教学中的应用[J]. 农业工程,2015,5(3):112-118.

[12] 林健.卓越工程师培养目标下工程材料类本科专业课程体系建设[J].教育教学论坛,2014(4):237-239.

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

北京高等学校教育教学改革项目(2014-ms043和2014-ms046)

宋正河(1973—)，男，山东日照，博士，教授，中国农业大学工学院副院长，机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心主任，主要研究方向为数字化设计与虚拟现实技术.

E-mail:songzhenghe@cau.edu.cn

TP391.9

A

1002-4956(2017)1-0005-05