杨 欣 李建平 冯晓静 刘俊峰

河北农业大学机电工程学院 河北保定 071001

农业机械化工程数字样机教学资源开发

杨 欣 李建平 冯晓静 刘俊峰

河北农业大学机电工程学院 河北保定 071001

提出利用数字样机开发技术进行教学资源建设和开发，阐述了数字样机教学资源的技术内涵和开发原则，基于数字样机开发技术建立了用于农业机械化工程教学的典型零部件、典型机构和典型整机的数字化模型，并利用这些模型开展机械结构认知、机构运动分析、工作原理演示等多种形式的仿真教学。

农业机械化工程；人才培养；教学资源；数字样机

我校省级重点学科农业机械化工程，多年来一直坚持“非实习不能得真谛，非实验不能探精微”的教学理念，取得了很好的教学成果[1-3]。但在知识经济和科学技术飞速发展的今天，农业生产作业方式正向保护性耕作、精准作业、设施栽培等现代化作业方式转变，农机装备也随之向高效、精细、节能和可持续的方向发展。未来若干年，是传统的农业机械化工程逐步向现代农业机械化工程提升的关键时期，农业机械化工程学科不仅要发展外延，更要着重向内涵拓展，培养高质量人才，出高水平成果[4]。考虑新形势下农业机械化工程教学的服务面向，以提高教学水平为主，不增加教育成本，开发高质量的农业机械化工程数字样机教学资源，构建农业机械化工程实验实习教学网络平台，已成为农业机械化工程教育信息化和现代化的迫切需要。

1 数字样机教学资源技术内涵与开发原则

1.1 数字样机教学资源技术内涵

数字样机开发(Digital Prototyping)是把一个创意变成一个可以向客户推销的数字化产品原型的全过程，是科学研究中新产品设计开发的一种现代化技术手段。利用数字样机开发技术可使得概念设计、工程设计、制造、销售和市场部门在产品制造之前虚拟地体验完整的产品[5]。工业造型师、设计工程师和制造工程师使用数字样机技术在整个产品开发过程中对产品进行设计、优化、验证和可视化。市场人员可以使用数字样机技术在产品制造之前创建产品的真实感，渲染和在实景环境中的动画模拟。目前，数字样机技术在机械、电子、航空、汽车、动力工程等诸多领域得到了广泛的应用。

数字样机教学资源是指利用数字样机开发技术对教学资源进行处理，可以在多媒体计算机及网络环境下运行的多媒体数字化教学材料。按处理的对象划分，数字样机教学资源可分为典型零部件、典型机构和典型样机等；按信息的呈现方式划分，数字样机教学资源可分为数字化图像、投影、视频以及网上教学资源等。与传统的教学资源相比，数字样机教学资源有开发技术数字化、处理方式多媒体化、信息传输网络化等特点。数字样机教学资源是一种动态的教学素材库，基于数字样机教学资源可以在不同教学单元间和教学平台上共享数字样机模型数据。

1.2 数字样机教学资源开发原则

开发数字样机教学资源应遵循教学性、科学性、开放性、通用性、层次性的原则。

(1)教学性原则：数字样机开发技术本属于科学研究中新产品设计开发手段，将其用于教学资源的设计开发中，与科研产品开发有着本质的区别。科研产品开发的目的是得到市场需求的新型产品，满足人们对产品的功能需求，而数字样机教学资源应能满足教与学的需求。

(2)科学性原则：数字样机教学资源应能正确反映科学知识原理和现代科学技术，所构建的样机模型应该尽量按实际设备进行1:1建模，按实际工作原理进行运动、动力仿真参数设置。

(3)开放性原则：数字样机教学资源应确保在任何时候、任何地方、任何师生都可以将自己的数字样机作品纳入其中，可以通过网络论坛设置不同身份的会员机制，给每一位使用者(教师、学生等)提供提交建议、上传作品的许可认证接口，尤其是对学生提交的课程设计、毕业设计成果进行审核认定，及时充实和更新教学资源库。

(4)通用性原则：在相应的技术标准规范下，数字样机教学资源应能适用于不同的教学情境和多种形式的学习，适用于针对不同专业而设置的同门类学科通论类课程，最大限度地共享资源。

(5)层次性原则：数字样机教学资源应实行模块化管理，使学习者通过对不同层次资源的使用和重组，方便进行课程或知识体系的筛选，最大限度地发挥资源的个性化定制潜能。

2 农业机械化工程数字样机教学资源开发

2.1 将现有教学资源进行数字样机建模

将现有的教学资源进行数字样机改造是把现行教学中使用的载体进行数字化改造，形成数字化模型资源。现有教学资源包括两大类：一是教研室和实验室原有成熟的实物教具、机构模型、零部件结构挂图等。二是在课程设计和毕业设计中师生创作的机械机构作品，包括展示型作品、师生交流作品集、教师对学生进行评价的作品等。将这些教学资源进行数字化样机设计，建立虚拟教学模型，主要是三维立体模型的制作和开发。图1所示是根据几种典型农机部件实物教具建立的数字样机模型。

图1 实物教具数字样机模型

可以筛选一批典型资源设立学生设计研究计划项目，让学生参与教学资源建设，并借助设计过程提高学生对现代数字化设计软件的应用能力，将学生技能教育融于教学中，并兼顾提升学生从事科研工作的能力，提前熟悉一些主流设计软件的使用方法和操作技能。

2.2 将科研产品数字样机进行教学型转化

在农业机械化工程诸多核心课程教学中，除了加强理论课程的基础知识外，更要体现学科前沿知识，在实践环节中融入最新科研成果，将学科前沿知识带给学生，让学生对专业方向有更好的把握和定位。如今农业机械产品开发已经采用了数字样机开发技术，许多产品生产之前需要借助产品数字样机进行功能和行为的仿真模拟，在产品开发过程中更是借助数字化手段对研究对象反复仿真分析和评价[6-9]。开发完成的产品本身就是很好的教学资源，尤其是一些新机构、新部件的结构原理、动态特性等。图2所示是在科研项目中开发的新型机械装备和核心部件运动仿真分析模型。

图2 科研产品数字样机模型

通过多媒体技术把典型科研产品设计和仿真过程进行录制、编辑等，形成用于课程教学的素材。这要求任课教师在参与科研工作的同时捕捉可用于教学的信息，及时收集科研工作中的教学素材，这也有助于科研工作本身的总结和提高。

2.3 将调研产品数据作为数字样机资源补充

调研数据主要包括旧式农具、农民自制农具和新型农机产品等。这些农具或农机产品是目前教材中没有的产品类型，但它们对了解农业机械发展历史和目前农村使用农机的现状有着不可替代的作用。通过学生假期社会实践活动，可以搜集到大量旧式农具、农民自制农具和新型农机产品的数据信息。筛选出比较有代表性的机具产品进行数字样机建模，如图3(a)所示是我国北方农村现存不多的小麦播种开沟农具，这种农具曾在我国小麦播种区域有着广泛的应用，改革开放后逐渐淡出历史舞台。图3(b)所示是目前北方农村玉米播种区域广泛使用的一种勺轮式玉米精量免耕播种施肥联合作业机，适用于对包衣后的优质玉米种子进行精量播种。

图3 调研产品数字样机模型

3 数字样机教学资源应用

3.1 农业机械学省级精品课教学应用

农业机械学是我校农业机械化及其自动化专业必修的一门理论和实践紧密结合的课程，2003年已经建设成为省级精品课。我们建立的各种数字样机教学资源在农业机械学省级精品课建设过程中得到了很好的应用。在理论课和实验课教学课件中采用的数字样机模型包括耕整地机械、播种机械、中耕管理机械、收获机械、植保机械等。各种模型素材在各个理论教学单元中以图片、动画等形式体现，其中动画素材与理论教学课件素材占总量的50%以上。尤其是对于结构认知课，学生通过逼真的数字样机模型分解视图和生动的三维动画模拟演示，很快理解了在理论课程中所讲的基础知识。

3.2 “农业机械化工程实验实习教学网”应用

“农业机械化工程实验实习教学网”是河北省重点学科农业机械化工程的重点建设内容之一。该教学网于2009年5月开通试运行，其内容以农业机械化及其自动化本科专业课和业务素质课的实验和实习教学为主体内容，以省级精品课农业机械学的实验和实习教学为核心，兼顾农学、园艺、畜牧、植保等非机化专业的农机化概论、草业机械化、植保机械等选修课程实验教学。学生实名注册为会员后可选择相应内容学习、下载资料、参与师生互动交流等，实现网络教学。图4所示是农业机械化工程实验实习教学网首页，通过链接数字样机教学资源，能够让学生在任何地方学习农业机械基础知识和了解学科发展动态，起到事半功倍的效果。

图4 数字样机教学资源网络教学应用

4 结束语

为适应农业机械化工程学科向内涵拓展，培养高质量人才的时代要求，利用数字样机开发技术建立了大量数字样机模型作为农业机械化工程学科的教学资源。通过将现有教学资源进行数字样机建模、将科研产品数字样机进行教学型转化和将调研产品作为数字样机资源补充的途径，完成了一套比较完善的典型零部件、典型机构和典型样机的数字化模型。并把这些模型应用到了农业机械学等课程教学和“农业机械化实验实习教学网”建设中，开展多种形式的仿真教学和网络教学，为加快农业机械化工程教学由传统模式向现代模式的转变提供了实践性参考。

[1] 冯晓静,刘俊峰,杨欣.农业机械学课程教学改革思路[J].中国农机化,2004,3:67-68.

[2] 杨欣,冯晓静,刘俊峰.农业机械化及其自动化专业CAD教学研究[J].农机化研究,2005,5:275-277.

[3] 冯晓静,刘俊峰,钱东平,等.面向21世纪农业机械化工程实践教学的探讨[J].中国农机化,2007,5:87-88.

[4] 中国农业工程学会.农业工程学科发展报告(2010-2011)[M].北京:中国科学技术出版社,2011.

[5] 吴菌.数字样机真的是老生常谈吗?[J].中国制造业信息化,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] 杨欣,贾静霞,佟金,等.农业机械典型部件装配关联设计[J].计算机辅助设计与图形学学报,2006,18(1):156-159.

[9] 赵运生,杨欣,李建平,等.4U-1A型马铃薯收获机数字样机建模与仿真[J].农机化研究,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

杨欣，博士，副教授。

河北农业大学第六批重点资助教育教学研究项目“基于数字化设计的农业机械化工程实验教学研究”(编号：08-A8)。