本实验适应我国现代农业创新发展新要求，立足华南农业大学的办学定位，依托精准农业航空特色优势学科，以培养创新型、复合型和应用型农业人才为目标，坚持“学生中心、产业导向、学科融合、创新实践”的通识课程教学理念，按照“虚实结合、以虚补实、以虚代实”的原则，以农用无人机为切入点，采用三维建模、动画、视频、人机交互等技术自主研发了农用无人机设计与飞行作业虚拟仿真实验系统，使学生能够系统了解农用无人机田间作业的全过程，熟悉多种型号农用无人机的结构、功用和不同作业环境下的应用情况，以解决高等教育中农业人才培养受限于实验成本和作物生长周期等瓶颈问题。

1 实验的必要性及实用性

（1）必要性

一方面，农业航空植保技术是目前我国在病虫害防治方面实施专业化统防统治的有效方法之一，是解决粮食安全及农村劳动力结构变化问题的重要技术措施，也是国家经济社会发展的迫切需要，2014年中央一号文件就特别指出要“加强农用航空建设”。近年来，由于农用无人机可广泛适用于水田、丘陵、山地、果园和滩涂等环境，成本较低、操控方便，而且作业效率较高，已引起植保企业和相关的科研院所越来越多的关注。据农业农村部最新统计数据，截至2020年底，我国农用无人机保有量已超过100,000架，年作业量超过10亿亩次，从事农业航空植保的服务组织已超过1,000家。

另一方面，农用无人机应用技术融合全球定位系统、地理信息系统、遥感、变量喷施控制等先进科学技术，涉及到多学科多专业的知识体系。因此，开展与农用无人机应用技术相关的通识教育教学训练，对于加强跨学科通识技能训练与专业教育和创新创业教育的有机融合，不断提高学生的创新创业能力，具有积极作用，能有效满足学校规模化与个性化培养新农科人才的教学需求。

本虚拟仿真实验通过“农用无人机基础知识认知”、“农用无人机精量直播技术虚拟仿真实验”、“农用无人机植保作业虚拟仿真实验”、“农用无人机遥感监测虚拟仿真实验”和“精准农业航空喷施应用关键技术虚拟仿真实验”等农用无人机在精准农业航空应用中的5个关键技术环节和10种作业机具/装备，使学生能够系统了解农用无人机在精准农业航空领域的应用全过程，掌握关键技术原理和方法。通过该虚拟仿真实验，可以克服实物实验存在的以下问题和困难：

1）农用无人机飞行实验具有危险性。农用无人机主要是单旋翼或多旋翼的结构形式，起飞、降落和飞行过程中，因实验场地的开放性，旋翼的高速旋转使得教学危险性较高，而且需提前对学生进行专业培训和飞手资质的考核。

2）农用无人机飞行作业过程实体实验难以观测。农用无人机作业过程中学生是不能近距离观测的，不利于学生掌握关键技术环节的工作原理，展示度不够。农用无人机需定期维护保养，而且电动农用无人机的续航力有限，可供实际操作的人次少，难以满足大规模学生实际飞行操作和了解无人机作业过程。

3）农用无人机飞行作业实验成本高且不可逆。农用无人机田间作业实验对场地需求规模大，无人机精量直播、遥感监测、植保作业、精准喷施等实验环节所需装备种类多，购置和维护成本高昂，而且所需实验耗材成本也较高，而且大田试验易受自然环境变化的影响，试验结果很难重复再现。

4）航空大田实验受时空限制大。病虫害的发生具有时效性，且田间作物的生长周期长，农用无人机现场实验教学时间成本高，特别是遥感监测、航空喷施等作业过程受天气影响和场地条件约束大。

综上所述，本课程通过虚拟仿真技术和手段，拟达到降低实验危险与成本、避免自然条件约束、面对大规模学生授课、多维度互动方式和传统实验互补等效果，将农业无人机技术特征和精准农业航空领域科研成果渗透到本科实践教学环节，突出人才培养特色，提高人才培养质量。

（2）实用性

本课程构建的虚拟仿真实验环境，实现了农用无人机在精准农业航空应用领域的主要知识点和相关实验内容，涵盖了农用无人机在“水稻精量直播”、“遥感监测”和“航空植保”等不同作业环境的应用过程，还将难以想象与观察的无人机旋翼流场以及喷施雾滴在作物冠层的沉积等处理结果，以图像、动画和实验数据等形式直观呈现，具有很好的客观性和吸引力。解决了农用无人机在不同作业环境下的大田实验难以组织实施，也无法承受大批量的学生同时实验的难题。有效地拓展了实验内容的深度和广度，提升了学生对不同学科领域知识的学习效果，凸显了虚拟仿真实验的优势。

此外，依托本虚拟仿真实验教学课程，切实拓展了以自主探究为主要形式的实验教学方法，通过让学生自主学习农用无人机相关理论知识，并自主设置实验参数与作业环境，实现农用无人机在不同作业环境下的应用过程；结合自动评分系统，让学生能够直观看到实验效果，有效调动了学生参与实验教学的积极性和主动性，激发了学生的学习兴趣和潜能，推进了探究式教学方法的普遍运用。

2 教学设计的合理性

本虚拟仿真课程的整体框架设计如图1所示，其中实践教学环节围绕农用无人机在智能化施药和装备技术领域的前沿方向，即：利用机载遥感系统获取低空农情遥感信息，结合GPS（Global Positioning System）、GIS（Geographic Information System）系统和专家信息库生成农业航空作业处方图，喷施作业平台利用机载全球定位系统实时获取飞行参数（如飞行高度、速度等）和地理位置信息，然后在作业处方图中寻址匹配到相应的位置信息并读取对应的施药处方值，最后，机载变量控制系统根据施药处方值进行航空变量施药作业，设置了3个主要的教学实践模块，并按照“由浅入深、由点到面、构建农用无人机应用体系”的原则，开展了如下的教学设计：

（1）基础知识学习与无人机设计虚拟仿真模块。认知农用无人机各个组成部件及其功能原理，学习农用无人机的结构特点，并按任务要求完成适用于不同作业环境的农用无人机机体结构设计。

（2）不同应用环境下的农用无人机飞行作业虚拟仿真模块。围绕我国主要粮食作物——水稻的生长周期，应用基于农用无人机的“精量直播”、“农情信息的遥感监测”和“植保作业”等关键技术的原理和方法，熟悉无人机水稻精量条播关键装置的安装调试、主要病虫害及防治方法、无人机遥感设备选择与航迹规划、航空变量喷雾系统的结构和喷施作业等多学科领域知识。

（3）精准农业航空喷施应用关键技术虚拟仿真模块。通过计算流体力学技术，把农用无人机喷施过程中，难以实际观察的无人机旋翼风场、喷施雾滴的飘移与沉积过程，可视化地展现出来，使学生掌握不同无人机结构、飞行参数等对航空喷施药液的影响规律，明确航空喷雾技术应以减少雾滴飘移、提高农药在靶标上的附着率和利用率为目标。

图1 农用无人机设计与飞行作业虚拟仿真实验课程的整体架构

    本虚拟仿真课程分为3个层次要求考核学生掌握知识情况，分别是“认知”、“应用”和“掌握”。认知层面主要通过虚拟仿真实验向学生展示工作原理和流程，以考查学生基本概念为主；应用层面主要通过虚拟仿真实验训练学生操作应用，以考查学生对相关装备和实验装置的使用为主；掌握层面主要通过虚拟仿真实验揭示科学或技术问题的产生、解决方法和实现过程，考查学生的设计水平。

3 实验系统的先进性

本虚拟仿真实验系统综合运用电子技术、信息技术、人工智能、机械设计和自动控制、农学等多学科的知识，结合华南农业大学国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心在农用无人机领域的科研成果，创建了以真实田间环境为参照的虚拟场景，运用三维建模、动画、计算流体力学等技术手段，高度仿真了四旋翼、六旋翼和八旋翼等多型号农用无人机、遥感监测仪器设备和航空喷施装置，使实验场景和实验对象更形象和真实。学生通过键盘、鼠标和遥控器在虚拟场景中操作，系统的学习农用无人机从操作装置到末端工作装置整个过程中，相关精准农业航空系统的结构、原理和工作过程，在享受模拟实验乐趣的同时，学到专业课中需要切实掌握的知识内容。我校拥有该软件的自主知识产权。