基于森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的森工規(guī)劃教學(xué)研究

薛 偉，郭德禹 (東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150040)

森林工程是森林資源建設(shè)與保護、開發(fā)與利用中的非生物工程［1］。森工規(guī)劃是森林工程專業(yè)必修的一門專業(yè)重點課程，主要涉及林業(yè)區(qū)劃與林業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃、森林經(jīng)營方針與生產(chǎn)規(guī)模、伐區(qū)規(guī)劃、運輸規(guī)劃、貯木場規(guī)劃、天然林擇伐采運技術(shù)、林分改造、林產(chǎn)品加工規(guī)劃及多種經(jīng)營規(guī)劃、森林經(jīng)營方案的附屬工程規(guī)劃等幾個方面。由于森工作業(yè)的特殊性，相關(guān)實驗、實習(xí)受到自然條件及生態(tài)條件的限制［2］，如木材生產(chǎn)作業(yè)的高危性、森林采伐的不可逆性以及采伐對生態(tài)環(huán)境的破壞性等。為了有效解決野外實驗實訓(xùn)的受限性，利用多媒體程控沙盤結(jié)合聲光電一體化控制，模擬林區(qū)真實作業(yè)場景，為學(xué)生真實再現(xiàn)林區(qū)作業(yè)情景。

1 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

早在2003年，森林工程實驗教學(xué)中心就開始探索虛擬仿真實驗項目的開發(fā)，2005年在國內(nèi)同行業(yè)率先開發(fā)了森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)［3］，利用多媒體程控沙盤結(jié)合聲光電一體化控制技術(shù)，模擬林區(qū)真實作業(yè)場景，為學(xué)生真實再現(xiàn)林區(qū)作業(yè)情景。把虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用到森工規(guī)劃教學(xué)中，用以模擬森工規(guī)劃作業(yè)的各個過程。

1.1 模擬森林采伐作業(yè) 森林采伐是對森林進行的一項經(jīng)營管理活動，是森工作業(yè)中的一個重要環(huán)節(jié)［4－6］。森林的采伐方式(主要包括皆伐、擇伐和漸伐)、采伐強度的選擇受到地勢條件、光照條件、土壤條件、周圍環(huán)境等因素的影響。為了更好地讓學(xué)生深刻地理解森林采伐作業(yè)，合理地選擇采伐方式及采伐強度，利用沙盤模擬林地真實環(huán)境，結(jié)合聲光電一體化控制技術(shù)及計算機多媒體技術(shù)模擬森林不同采伐方式及不同采伐強度，并且在沙盤的森林采伐作業(yè)區(qū)域內(nèi)，可以模擬用油鋸伐倒單木的過程，使學(xué)生更加了解伐木過程及伐木技術(shù)。

1.2 模擬原條集材作業(yè) 集材作業(yè)是繼采伐作業(yè)后的一道重要工序，是指將木材從采伐作業(yè)地點匯集到山上楞場或裝車場的作業(yè)［7］。在我國東北林區(qū)主要采取原條集材作業(yè)方式，即將林木打枝后直接運往山上楞場或裝車場。目前我國主要的集材方式有蓄力集材、拖拉機集材、架空索道集材等集材方式，集材方式的選擇受到山地條件、林地狀況、采伐區(qū)域等因素的影響。在沙盤上山地條件、林地狀況、采伐區(qū)域等均可直觀顯示，學(xué)生綜合利用沙盤可較好地模擬出不同狀況下的集材方式。

1.3 模擬木材運輸作業(yè) 木材運輸是指將山上楞堆或裝車場的木材運輸?shù)缴较沦A木場的過程。目前我國主要采用林區(qū)公路運輸、森鐵運輸、水陸運輸?shù)饶静倪\輸方式，使用沙盤并且結(jié)合聲光電一體化控制技術(shù)可以逼真地再現(xiàn)木材運輸?shù)娜^程。

1.4 模擬貯木場生產(chǎn)作業(yè) 貯木場具有木材生產(chǎn)、貯存和銷售三大特性，在木材的產(chǎn)銷之間起調(diào)節(jié)和緩沖作用［8］。貯木場生產(chǎn)作業(yè)主要包括裝卸車、造材、選材、歸楞等生產(chǎn)工藝。森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的沙盤中安放有起重機模型，結(jié)合聲光電一體化控制可模擬起重機起吊及卸載過程;沙盤中同時內(nèi)置了原條自動化生產(chǎn)線模型，可逼真地模擬造材、選材的過程。

1.5 模擬林業(yè)局局場址優(yōu)化設(shè)計及林區(qū)道路選線 林業(yè)局局場址的選擇受到所規(guī)劃的伐區(qū)的地勢地貌、森林資源分布、樹種組成和森林蓄積量、林業(yè)生產(chǎn)要求等因素的影響，合理地對林業(yè)局局場址進行優(yōu)化設(shè)計對森工生產(chǎn)作業(yè)的有序進行起到了保障作用。可利用森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)模擬林業(yè)局局場址優(yōu)化設(shè)計。

林區(qū)道路是林區(qū)的血脈，是林區(qū)人民生活和木材生產(chǎn)利用及資源開發(fā)的紐帶。林區(qū)道路的狀況直接關(guān)系到整個林區(qū)的交通運輸、木材的生產(chǎn)成本、森林防火等一系列問題［9］。可利用森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)有的林區(qū)道路、地勢地貌模擬林區(qū)道路選線。

2 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在森工規(guī)劃教學(xué)中的優(yōu)勢

森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在森工規(guī)劃教學(xué)中的應(yīng)用彌補了傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，在森工規(guī)劃教學(xué)中發(fā)揮著極其重要的作用。利用多媒體程控沙盤模擬真實過程，在教學(xué)中存在著諸多優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點。

2.1 實時評判學(xué)生設(shè)計作業(yè) 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)具有自身的評價體系，學(xué)生在完成相關(guān)的規(guī)劃設(shè)計后，系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)生設(shè)計的合理與否，輸出一個成績，這能夠使學(xué)生實時了解自己規(guī)劃設(shè)計的效果，便于學(xué)生及時修改，同時也減輕了教師的工作負擔(dān)，有利于提高課堂授課效率。

2.2 改變了傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式 傳統(tǒng)的教學(xué)模式基本上只局限于教師課堂講解［10－12］，學(xué)生只是根據(jù)教師所提供的文本、圖片、音頻、視頻等輔助資料進行學(xué)習(xí)，對所學(xué)知識不能達到一個客觀的認識。多媒體程控沙盤可以幫助學(xué)生客觀認識，更容易接受教師所教授的內(nèi)容，對所學(xué)到的知識記憶深刻。這種教學(xué)方式使人才培養(yǎng)模式由“教師為主，學(xué)生為輔”到“師生互動”方向轉(zhuǎn)變，不但激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，而且教師所教授的知識更易被學(xué)生接受。在“師生互動”的過程中必然會出現(xiàn)一系列的問題，通過學(xué)生之間相互討論及教師的適當(dāng)點撥和引導(dǎo)，使問題得以解決，收到了良好的教學(xué)效果。

2.3 培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)涉及較廣的基礎(chǔ)知識及專業(yè)知識，學(xué)生想要更好地利用該系統(tǒng)模擬實際問題，需要綜合運用所學(xué)知識進行分析。比如:模擬木材運輸過程時，學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握林區(qū)道路網(wǎng)、運輸車輛的性質(zhì)及優(yōu)缺點、優(yōu)化設(shè)計理論等一系列理論知識，才能更好地設(shè)計出最優(yōu)路線，選擇出最優(yōu)運輸方式，達到最佳的效益。森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在森工規(guī)劃教學(xué)中的成功應(yīng)用，為培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識、解決實際問題的能力起到了良好的作用。

2.4 提高了學(xué)生的動手能力 森工規(guī)劃是一門理論緊密結(jié)合實際的課程，在課程教學(xué)結(jié)束之后，會安排學(xué)生進行一次課程設(shè)計。森工規(guī)劃課程設(shè)計要求學(xué)生綜合利用所學(xué)知識，通過動手操作，獨立或協(xié)同完成。森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個良好的綜合實驗平臺，學(xué)生可根據(jù)各自的需要在沙盤上自行進行設(shè)計模擬。學(xué)生通過實踐學(xué)習(xí)，能很好地提高自己的動手能力［13－14］。

2.5 培養(yǎng)了學(xué)生協(xié)同合作的精神 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)是一套可對森工規(guī)劃課程所講授內(nèi)容進行模擬的綜合實驗平臺，學(xué)生對森工作業(yè)各個過程進行模擬時，需要多人進行相互合作，共同完成。在模擬過程中遇到問題及產(chǎn)生不同的觀點，就需要相互溝通交流，這一過程對學(xué)生表達能力的提高及溝通技能的提升起到了很好的鍛煉作用。讓學(xué)生協(xié)同合作解決一個甚至幾個問題，對培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神起到了極其重要的作用，讓學(xué)生認識到協(xié)同合作的重要性。

3 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在森工規(guī)劃教學(xué)中的局限性

3.1 虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)畢竟是“模擬” 森工規(guī)劃是一個系統(tǒng)、復(fù)雜的作業(yè)過程，想要達到對其完全的模擬是難以實現(xiàn)的。森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)只能對森工規(guī)劃所涉及的具有代表性的作業(yè)過程進行模擬，而不能對其所有作業(yè)過程進行模擬。此虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的目的是讓學(xué)生對森工規(guī)劃主要作業(yè)過程有一個直觀的認識，學(xué)生不應(yīng)把在虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)中進行的模擬實驗過程視為實際作業(yè)過程，因此學(xué)生要正確看待虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用［15］。

3.2 虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)以特定林區(qū)為依據(jù)進行設(shè)計森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)是以我國東北林區(qū)大興安嶺林管局某一林場的地勢地貌、林相組成等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)進行設(shè)計的，雖然能較好地代表大興安嶺林區(qū)的地勢地貌、林相基本情況，但是不能代表內(nèi)蒙古林區(qū)、長白山林區(qū)、小興安嶺林區(qū)等地的地勢地貌、林相情況。在建設(shè)經(jīng)費及資源允許的情況下，應(yīng)該考慮以多個林區(qū)為依據(jù)設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，這樣能夠拓寬學(xué)生的知識面，有利于為國家培養(yǎng)出應(yīng)用復(fù)合型人才。

3.3 虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)是以林區(qū)的簡化模型為依據(jù)進行設(shè)計 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)建立的是我國東北林區(qū)大興安嶺林管局某一林場的簡化模型，因此林區(qū)個別細節(jié)被忽略，不能夠完全代表林區(qū)的實際情況。學(xué)生應(yīng)當(dāng)認識到在實際森工規(guī)劃作業(yè)時不能照搬在虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)中用到的方法，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況并結(jié)合教師上課講授的理論進行森工規(guī)劃作業(yè)。

4 結(jié)語

森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)是融合了多媒體技術(shù)、聲光電一體化控制技術(shù)等技術(shù)的綜合虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。將森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用到森工規(guī)劃課程教學(xué)當(dāng)中，對培養(yǎng)應(yīng)用復(fù)合型人才，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)同合作的精神等方面起到了極其重要的作用。盡管存在一些不足，但是森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)為模擬實驗教學(xué)搭起了一個逼真、生動的綜合實驗平臺，可以節(jié)省大量的實驗實習(xí)經(jīng)費，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，為提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高水平人才發(fā)揮著其自身的作用。該研究只是對森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在森工規(guī)劃教學(xué)中的應(yīng)用進行了初步研究分析，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)高校相關(guān)專業(yè)、森工企業(yè)培訓(xùn)部門、林管局培訓(xùn)部門等相關(guān)單位的模擬實驗教學(xué)起到一定的指導(dǎo)、參考作用。

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