智慧农业生产四维数字化仿真教材与资源建设研究

刘晓宇 吴刚山 严方 陈寅

[摘           要]  智慧农业生产教学具有综合性与复杂性、危险性与易损性、季节性与时效性的特点，为学校中的智慧农业生产教学带来问题与挑战。虚拟仿真应用于智慧农业教学中，可以很好地解决上述教学中面临的问题。

[关    键   词]  智慧农业;数字化仿真;资源建设

[中图分类号]  S126                   [文献标志码]  A                 [文章编号]  2096-0603（2021）41-0084-02

一、智慧农业生产教学的特点及面临的问题

我国是农业大国，农业是支撑国民经济建设和发展的支柱之一。然而，我国农业至今仍存在着生产效率低、化肥及农药过量使用造成污染等问题。随着移动互联网、人工智能、物联网和云计算等技术的兴起与发展，智慧农业应运而生。智慧农业利用传感器和软件通过移动平台或者电脑平台对农业信息进行采集，对生产过程进行控制，使传统农业更具有“智慧”[1-2]。智慧农业有望改变“靠天吃饭”的农业生产方式，提高生产效率，减少浪费并降低污染。但我国智慧农业正处于起步阶段，具备该领域专业知识和能力的人才缺乏，需求量巨大[3]。同样，智慧农业的教学也刚刚起步，缺乏系统性的思想体系和教学体系，通过初步尝试，我们认为智慧农业生产教学主要包括如下特点：（1）综合性与复杂性。智慧农业生产教学内容涉及多学科知识与技能及综合利用，特别考验教学者的教学能力与学习者的学习能力。（2）危险性与易损性。智慧农业生产教学涉及物联网工程项目内容，操作内容具有危险性，且学习过程中设备易受损。（3）季节性与时效性。教学中涉及农业生产环节具有季节性和时效性，需要根据作物的生产季节与时间来安排教学。

因此，在智慧农业生产教学中面临以下问题：（1）如何合理表现教学中复杂抽象的项目过程，最大限度地激发学生的学习兴趣来提升教学效果？（2）如何完成具有危险性的项目并重复利用易损耗的元器件，提高教学的安全性并减少元器件损耗？（3）如何突破对作物生产季节与时间等客观条件的依赖性，满足实际的课堂中随时随地都可进行实验的需求，增大教学的灵活性？

二、虚拟仿真在智慧农业教学中的应用

虚拟仿真，实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统，可以是现实世界的再现，也可以是构想中的世界[4]。具有沉浸性、交互性和构想性的特点，就是通常所说的虚拟现实技术[5]。虚拟现实技术已经在众多领域发挥着重要作用，如农业虚拟仿真技术，可以模拟植物的生长环境和生长过程，重构植物的生命过程，典型的有气候模拟、温室模拟、植物生长模拟等[6]。虚拟仿真应用于智慧农业教学中，可以很好地解决上述教学中面临的问题。虚拟仿真技术能够合理、逼真的表现教学中复杂抽象的项目过程，以提升教学效果[7-8];学生可以借助虚拟仿真完成危险性的实验，并反复使用易耗损的元器件;借助作物模型突破对作物生产季节与时间等客观条件的依赖性，充分满足实际的课堂需求。

三、智慧农业生产四维数字化仿真教材与资源建设的研究内容

本研究以蓝莓智慧生产四维数字化仿真教材与资源建设研究为例，主要提出了如下问题的设计与探讨：（1）通过蓝莓智慧生产作物模型、环境模型、系统设备模型等机理性数学模型，形成蓝莓智慧生产过程虚拟仿真软件。（2）通过蓝莓智慧生产的工作任务分解建立数字化工作手册、关键设备分解视频等数字化教材资源。（3）通过计算机仿真技术，在时间维度上仿真学生学习训练过程并进行评价，形成训练与测评反演评价系统、训练与测评积分系统。而研究的重点包括：（1）蓝莓智慧生产四维数字化仿真教材的框架设计;蓝莓智慧生产的虚拟仿真交互方式、对象、三维模型的动态表达;仿真基本功能设计。（2）蓝莓智慧生产四维数字化仿真教材的核心算法，包含蓝莓植株生长预测模型、蓝莓生长状况的七级模糊概率模型等，采用透传协议思想建立物联网模块的信道传递通道的问询与应答模型（指令和反馈）等。（3）学员数字成长轨迹模型：通过作物模型、环境模型、系统设备模型等机理性数学模型，在线对学生实践实训成果进行科学评价，将学习训练行为变成可视化的数字成长轨迹。

研究分为蓝莓智慧生产仿真范围界定、蓝莓智慧生产仿真模型选择、蓝莓智慧生产四维数字化教材規划、实施四维数字化教材成效四个阶段（见图1），最终完成智慧农业生产仿真教材与资源建设。

四、本研究的学术价值与应用价值

（一）从仿真资源建设的角度提出四维数字化仿真教材建设理念

四维数字化仿真是指通过数字仿真技术，在学生仿真训练实践过程中，通过三维空间交互创设逼真的仿真实训情境，建立生产模型、环境模型、系统设备模型等，通过数字技术反演学生虚拟生产行为，通过学生虚拟实践训练对虚拟生产实践产生不可逆的影响，对学生虚拟生产行为进行客观评价和记录，从而将学习训练行为变成可视化的数字成长轨迹。

（二）从教学的角度提出从“管学”到“促学”转变

传统的实训评价与职业素质考核大多是对训练结果、训练时间的统计与考核，学业评价更多的是课程教学管理的延伸。现代教育是以学生为主体，学业评价是为学生成长服务的一个重要监控与校正手段，评学的目的是促学，而不是管学，是“测试”手段，而不是“考核”手段。智慧农业生产四维数字化仿真教材基于学生成长管理的评学新模式设计，将学生学习训练行为评价转变成学生的可视化成长轨迹。从“结果评价”向“成长管理”转变，将学习训练素养变成职业作业素养，将“管学思维”转变为“促学思维”，增强学生知技学习与训练评价的功能与效用。

（三）从技术实现的角度提出基于生长概率分布的农业生产过程仿真模型

在目前国内作物生长模型与作物生长机理数学模型并不成熟的情况下：第一，建立基于生长概率分布的农业生产过程仿真模型：第二，建立水肥、光照、温度、湿度等各因子网格模型：第三，建立各限制因子对作物生长影响的概率分布模型，形成对每一株作物的影响因子计算网格以及影响因子对作物生长影响的概率分布，从而获得整个温室作物的病虫害概率分布、作物花蕾、挂果、产量预期等。这种仿真建模方式一方面使学生获得了作物生产技术的关键技术要素训练，以及这些要素对作物生长的影响以及产量影响的理论训练以及直观三维体验;另一方面避免了复杂建模在仿真训练过程中难以满足实时性要求这一弊端。

综上所述，本文提出的智慧农业生产四维数字化仿真教材与资源建设的思路，能够改进教师的教学方法与手段，改进学生学习方式与学习行为，更能激发学生的学习兴趣。

参考文献：

[1]黄成龙.人工智能及云计算在智慧农业教学中的应用[J].科教文汇（上旬刊），2020（2）：71-72.

[2]栾岚.一种基于虚拟仿真的智慧农业系统方案设计及实现[J].科技资讯，2020，18（4）：11-12.

[3]王继玥，石登红，白禹，等.关于智慧农场与农业高校产教融合协同育人模式的思考[J].贵阳学院学报（自然科学版），2020，15（2）：92-95.

[4]馬艳秋，王潆笛，张龙媛，等.虚拟仿真3D教学平台在实验教学中的应用探索：以东北农业大学食品学院实验教学为例[J].轻工科技，2020，36（11）：183-184.

[5]陈浩磊，邹湘军，陈燕，等.虚拟现实技术的最新发展与展望[J].中国科技论文在线，2011，6（1）：1-5，14.

[6]钱猛，崔瑾，成丹，等.南京农业大学微生物学虚拟仿真实验教学模式的探索[J].微生物学通报，2016，43（4）：861-866.

[7]李赫，史景钊，张开飞，等.农业机械虚拟仿真教学探讨[J].青年与社会，2018（36）：185-186.

[8]崔玉鑫，孙裕晶，姜珊，等.农业机械虚拟驾驶仿真系统在《拖拉机汽车驾驶实习》实践课程中的应用[J].教育教学论坛，2016（39）：177-178.

◎编辑 鲁翠红