森林作業(yè)與規(guī)劃動態(tài)仿真實驗室建設

巫志龍，周成軍，周新年，張正雄，沈嶸楓，李 綱

（福建農(nóng)林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002）

高校實驗室是學校教學、科研、科技開發(fā)及人才培養(yǎng)過程中的必備條件［1－2］。實踐教學是學校教學工作的重要組成部分，在人才創(chuàng)新能力及全面素質(zhì)提高方面有著其他教學環(huán)節(jié)不可替代的獨特作用［3－5］。過去，在森林作業(yè)與規(guī)劃的教學內(nèi)容、教學方法和教學手段等諸方面存在較多問題，概括起來可以用“內(nèi)容陳舊、手段落后”來形容［6－7］。改革開放以來，圍繞專業(yè)建設與拓寬專業(yè)面等方面，我校森林工程學科對專業(yè)培養(yǎng)計劃進行了一系列的探索和改革，取得顯著成效［8－9］。

21世紀的人才教育方向是培養(yǎng)開放型、應用型與復合型的高素質(zhì)人才。近年來，我們在多年專業(yè)建設的基礎上，新出版了《工程索道與柔性吊橋—理論·設計·案例》、《木材生產(chǎn)技術與管理》、《林業(yè)工程概論》、《森工與土木工程科技進展》、《山地森林作業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化技術》等系列教材。雖然教學內(nèi)容得到更新，但實踐教學手段依然比較落后。傳統(tǒng)教學手段已不能體現(xiàn)現(xiàn)代森林工程學科的發(fā)展前沿，也無法滿足森林工程及相關專業(yè)的實踐教學要求［6，10－11］。因此，構(gòu)建適應我國南方森林作業(yè)與規(guī)劃實踐教學要求的動態(tài)仿真實驗室，更新教學手段和創(chuàng)新教學方法，適應21世紀經(jīng)濟、社會、科技和文化發(fā)展的需要，培養(yǎng)“基礎扎實、知識面寬、創(chuàng)新能力強、綜合素質(zhì)高、適應性廣”的高質(zhì)量森林工程專業(yè)人才，服務海西新農(nóng)村和廣大林區(qū)的建設與發(fā)展，具有極其重要的意義。

1 動態(tài)仿真實驗室的建設背景

（1）20世紀80年代中期，我國林業(yè)高校曾引進加拿大、哥倫比亞、原西德等國相關專業(yè)教學片；我國較早的森林工程專業(yè)教育音像教材是由農(nóng)業(yè)部組織攝制于1977年的電影《森林采運》。由于受時代的局限，這些教學片的技術和知識層次都比較低。

（2）1988年林業(yè)部林業(yè)干部學校攝制了《內(nèi)蒙古大興安嶺木材生產(chǎn)工藝與設備》音像帶，比較詳盡地介紹了森林作業(yè)木材生產(chǎn)的全過程，涉及了森林采運機械與設備、作業(yè)技術和工藝。但是，這些教學片只介紹了我國東北林區(qū)的情況。限于當時的學科理論和科技發(fā)展水平，在表現(xiàn)手法上流于圖解式，內(nèi)容上已不能反映當前森林工程專業(yè)前沿技術以及新的科研成果，缺乏有縱向深度的技術發(fā)展沿革、橫向廣度的綜合性成果、以及對林業(yè)本身的全面深刻的認識，不能體現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代兩大體系（森林生態(tài)體系和林業(yè)產(chǎn)業(yè)體系）和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的理念，更無與影音配套的動態(tài)仿真實物模型，其缺陷明顯已不適應現(xiàn)代的教學要求。

（3）20世紀80年代后期起，隨著人們對森林生態(tài)環(huán)境的關注，森林為人類提供種類更多、質(zhì)量更高的有形、無形產(chǎn)品的觀念已滲入到森林作業(yè)與規(guī)劃的全過程。針對我國南方人工林資源條件的開發(fā)利用，出現(xiàn)了一系列的輕型、小型采集機械與裝備，及其與之相適應的生產(chǎn)工藝和嶄新的森工采運技術模式［12－13］。近30多年的科學技術的發(fā)展，森林工程與相關學科互相滲透，產(chǎn)生了眾多的學科交匯點和產(chǎn)業(yè)鏈。當前，我國林業(yè)整體處于上升時期，特別在南方，人工林進入成熟林階段，對森林工程學科提出了全新的內(nèi)涵和新的增長點。

福建農(nóng)林大學森林工程專業(yè)創(chuàng)建于1958年，55年來一直堅持以科研促進教學和產(chǎn)學研創(chuàng)新培養(yǎng)之路，為突出農(nóng)林高等院校工科專業(yè)辦學特色，該專業(yè)在培養(yǎng)服務新農(nóng)村和林區(qū)建設的應用型人才方面做了很多工作。多年產(chǎn)學研的成果以及在森林工程、物流管理、交通運輸、土木工程方面的教學積累促使我們建立森林作業(yè)與規(guī)劃動態(tài)仿真實驗室，以特殊表現(xiàn)手法和大信息量對學生進行專業(yè)教育。

2 動態(tài)仿真實驗室的構(gòu)建

2.1 電控動態(tài)仿真模型

動態(tài)仿真主體實物模型選擇南方林區(qū)代表性地形和林相，立體化展現(xiàn)南方森工林區(qū)內(nèi)的山形、地勢、溝壑、丘陵、水系以及行政區(qū)域（局、場址、生活區(qū)）等。40m2的微縮立體實物模型采用模塊化設計和制作，而后將多個模塊拼接而成，細致、動態(tài)、逼真地展示森林作業(yè)與規(guī)劃的整個木材生產(chǎn)工藝流程（采伐—集材—運材—貯木場作業(yè)），形象直觀地模擬伐木與樹木傾倒、拖拉機集材、索道集材、山場裝車、陸路和水路運材、貯木場選材及木材裝卸等每一道生產(chǎn)工序的作業(yè)過程。實物模型上各種樹木設計均根據(jù)南方林區(qū)林相圖及林分組成（如針葉、闊葉、喬、灌木叢、地表植被）按比例制作，與實際形體相符，層次分明；在模型中突出主要河流的表面，明晰林區(qū)水系分布；道路制作按國家道路最新規(guī)劃標準，利用燈光變化來體現(xiàn)交通體系，重點的道路布置頻閃流動燈光；主要建筑雕刻成型后無縫拼接，建筑物有燈光照明，即體現(xiàn)建筑的特性，又與周圍環(huán)境相呼應。實物模型各模塊動態(tài)仿真采用微電子電路和無線電技術，實現(xiàn)智能控制和信號傳輸，設備包括聲、光、電控制系統(tǒng)及軟件，音響、聲控設備、燈光設備，攝影儀及投影屏幕，控制采用電子觸摸屏及遙控器2種方式，也可通過計算機界面控制。

2.2 配套影音教學系統(tǒng)

該系統(tǒng)是應用現(xiàn)代林業(yè)和森林生態(tài)采運的觀點，按木材生產(chǎn)工序，劃分森林作業(yè)與規(guī)劃動態(tài)仿真教學系統(tǒng)模塊，見圖1。模塊各自獨立，具有各自的基本理論、主要設備及其工藝。該系統(tǒng)是一個有機的整體，貫穿于木材生產(chǎn)的全過程，同時又與現(xiàn)代的育苗造林、森林生態(tài)保護技術和林區(qū)規(guī)劃等相互聯(lián)系。

森林作業(yè)與規(guī)劃動態(tài)仿真實驗教學系統(tǒng)的設計指導思想是“遵循一條主線，突出一個重點，拓展縱、橫兩個方向”?！耙粭l主線”即以森林采運工程中的采、集、運、貯系列知識為主線，按木材生產(chǎn)工藝流程的順序，相應展示各工序的機械設備與工藝。在某一典型作業(yè)區(qū)內(nèi)，模擬林木采伐，顯示出林木倒下的過程；采用電控方式以計算機模擬25%、50%、100%的不同采伐強度；被伐倒的樹木加工為原木、原條或伐倒木等不同產(chǎn)品形態(tài)；根據(jù)不同的山形地勢，可設計全懸空索道、遙控索道和手扶拖拉機等不同集材方式，模擬通過不同集材方式將原木、原條、伐倒木等集運到地勢較為平坦的山下裝車場或河邊楞場，再通過陸路或水路運到貯木場或需材單位的全過程?！耙粋€重點”即突出木材生產(chǎn)過程中占全作業(yè)量50%以上、作業(yè)條件最復雜的集材作業(yè)，尤其是在新的森林資源人工林的集材作業(yè)。“兩個拓展方向”即縱向以森林采運工程不同的發(fā)展階段為軸，闡述森林工程發(fā)展歷史及其發(fā)展趨勢；橫向以森林工程與相關學科，如森林生態(tài)學、技術經(jīng)濟學、林業(yè)人機工程學和林區(qū)交通與規(guī)劃等學科相互滲透、交叉發(fā)展為主題。各模塊的配套影音視頻素材均來自林業(yè)生產(chǎn)實際和最新科研成果，著重介紹其主要特點，發(fā)展歷史、最新研究成果以及發(fā)展前景等。

圖1 森林作業(yè)與規(guī)劃動態(tài)仿真模塊

3 動態(tài)仿真實驗室的特色與創(chuàng)新

該實驗室的建設借鑒了東北林業(yè)大學森林工程專業(yè)實驗教學平臺建設的成功經(jīng)驗，通過真實再現(xiàn)伐區(qū)生產(chǎn)的所有元素，改變了傳統(tǒng)的實驗教學模式［11］。森林作業(yè)與規(guī)劃動態(tài)仿真教學系統(tǒng)運用計算機多媒體程控技術，實現(xiàn)配套影音與動態(tài)仿真實物模型同步，并新增了大量最新科研成果，緊密結(jié)合當前林業(yè)生產(chǎn)實際，其自身特色與創(chuàng)新主要表現(xiàn)在4個方面：

（1）突出了我國南方林區(qū)特點。針對南方山地林區(qū)特點，將森林采伐、集材、運材和貯木場作業(yè)按模塊化設計并制作，而后拼接為一個整體的仿真實物模型；森林采伐作業(yè)模擬包括了皆伐、擇伐（強度分別為25%和50%）；在林木運輸上，除陸路運材外，木材水運是一種運量大且經(jīng)濟、節(jié)能的方式；貯木場是木材生產(chǎn)的最后階段，包括卸車、選材、造材、歸楞、裝車等，重點突出了裝卸橋裝卸木材［12］。

（2）創(chuàng)造了學生創(chuàng)新培養(yǎng)的條件。將森林作業(yè)與規(guī)劃作業(yè)現(xiàn)場以仿真模型的形式搬進了課堂，采用直觀、具體、理論與實際相結(jié)合的方法，讓學生在逼真的環(huán)境中了解并掌握專業(yè)知識和業(yè)務流程，節(jié)約了學時，提高了效率。該實驗室還可作為學生設計性和創(chuàng)新性實驗研究平臺，為學生課外創(chuàng)新研究提供很好的條件。

（3）突顯了森林工程學科教學與科研特色。我校森林工程學科經(jīng)過55年的發(fā)展，現(xiàn)已形成了山地森林生態(tài)采運理論與技術、工程索道與懸索橋理論及其工程應用、人工林輕型采運機械系列、山地林道網(wǎng)理論及其生態(tài)經(jīng)濟、木材剩余物綜合利用及其設備、森林工程計算機應用技術等幾個鮮明的特色和科研方向。利用動態(tài)仿真實驗手段，堅持教學與科研相結(jié)合，將最新的科研成果融入到教學之中，及時更新教學內(nèi)容，讓學生及時了解學科前沿動態(tài)，增強實踐教學效果，培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新思維能力。

（4）融入了工程索道領域的最新技術。索道是在南方復雜地形條件下林區(qū)使用的有效集材機械設備。除傳統(tǒng)的畜力、拖拉機集材外，教學中結(jié)合我校工程索道科研成果，融入機械化程度高的全懸增力式索道集材和具有自主知識產(chǎn)權的遙控索道集材。此外，教學內(nèi)容中還增加了對林區(qū)的旅游開發(fā)與保護，并著重介紹旅游客運索道開發(fā)與設計。

4 建設成效

4.1 為多個專業(yè)提供了實踐教學課程

根據(jù)新世紀的課程改革和建設需要，福建農(nóng)林大學以本科教育為主，把學校建設成海峽西岸經(jīng)濟區(qū)重點人才培養(yǎng)基地，把學生培養(yǎng)成具有創(chuàng)新精神和實踐能力的應用型和復合型人才。結(jié)合這一辦學定位，“木材生產(chǎn)技術與管理”、“工程索道”等課程體系和課程內(nèi)容要與人才培養(yǎng)模式相適應，只能在更新教學內(nèi)容、改革教學方法、加強實踐教學上下功夫。2008年新建了森林作業(yè)與規(guī)劃動態(tài)仿真實驗室，以滿足森林工程專業(yè)及其他相關工科專業(yè)高級專業(yè)技術創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。建成后的實驗室及教學系統(tǒng)面向我校森林工程、交通運輸、物流管理和土木工程等專業(yè)的學生，以及全校公共選修的其他各專業(yè)學生，每屆受益學生近1000人，具體情況見表1。

森林作業(yè)與規(guī)劃動態(tài)仿真教學系統(tǒng)中的每一個動態(tài)實物模型均有一段影音視頻與之配套，同步播放，學生既可從仿真實物模型上看到森林作業(yè)與規(guī)劃的整個生產(chǎn)工藝具體流程，又可從配套的影音視頻介紹中了解工藝流程的發(fā)展和最新研究成果。

表1 動態(tài)仿真實驗室可開出的實踐教學課程

4.2 總結(jié)出了一套基本教學模式

經(jīng)過幾年教學實踐，我們摸索出了一套較為成功的、按3個基本教學環(huán)節(jié)組織的仿真教學模式。這3個基本教學環(huán)節(jié)是：課前準備；課堂播映；播后討論。課前準備是在修讀相應專業(yè)課后，教師預先根據(jù)影音教學片內(nèi)容，向?qū)W生講明下一次播放的教學片題目及扼要內(nèi)容，要求學生預先思考，帶著問題上課；課堂播映是教師在臨播放前作必要提示或提出一些問題，播放中遇到重點或難點內(nèi)容則結(jié)合實物模型作適當補充或解釋說明，必要的地方可以暫停畫面或者倒退重放，以加強記憶，強化效果；播后討論是播后由教師結(jié)合教學片內(nèi)容，組織展開課堂討論，廣開學生思路的重要環(huán)節(jié)（一般為4個學時）。教師在做小結(jié)時力求做到正確、精煉，同時圍繞21世紀我國林業(yè)兩大體系的建設、森林工程在其中的作用和地位、目前的狀況和將來的發(fā)展前景、森林工程的前沿性問題和熱點問題、森林工程專業(yè)教育、科研、生產(chǎn)的關系等主題啟發(fā)學生積極思考、開拓視野，在此基礎上獨立完成小論文（題目不限），要求學生能夠根據(jù)我國的國情、林情，用森林生態(tài)采運的觀點去分析問題。實踐證明，不少學生都能寫出很有見解的文章，在一定意義上，這也為撰寫畢業(yè)論文所做的一種模擬和寫作思想準備。學生普遍反映這種教學方法很好。

5 結(jié)束語

“融課堂內(nèi)外一體，揚實踐實驗優(yōu)勢，強生態(tài)文明意識，以先進的現(xiàn)代科學技術培養(yǎng)服務于林業(yè)生態(tài)體系建設和產(chǎn)業(yè)體系建設的高素質(zhì)創(chuàng)新人才”是森林工程專業(yè)實踐教學的理念［14］。森林作業(yè)與規(guī)劃實踐教學系統(tǒng)，在現(xiàn)代林業(yè)和生態(tài)采運的思想指導下，以我國南方木材生產(chǎn)的采伐、集材、運輸和貯木場生產(chǎn)工藝與裝備為主，兼顧全國，開拓視野，全面系統(tǒng)地展現(xiàn)不同歷史發(fā)展階段的木材生產(chǎn)技術，并盡可能詳盡地介紹國內(nèi)外現(xiàn)代森林作業(yè)與規(guī)劃及木材物流作業(yè)的最新研究成果，動態(tài)演示配以恰當?shù)慕庹f，使學生產(chǎn)生深刻的印象，寓教育于藝術，在許多方面具有比書本和課堂講授更理想的教學效果。

通過創(chuàng)新森林作業(yè)與規(guī)劃的實踐教學手段，為森林工程、物流管理、交通運輸、土木工程及相關專業(yè)的研究生和本科生的實踐教學提供了較好的學習條件，有利于學生綜合了解木材生產(chǎn)的全過程及其相應的生產(chǎn)技術、機械設備與工藝，現(xiàn)代森林采運技術的發(fā)展趨勢及其熱點問題，建立系統(tǒng)的、發(fā)展的森林工程知識體系；了解森林工程的發(fā)展歷史，對學生進行愛國主義教育和專業(yè)教育，對科學技術研究進行導向。

該實驗室充分體現(xiàn)了森林作業(yè)與規(guī)劃的生產(chǎn)實踐和理論水平，特色突出，針對性強，系統(tǒng)性強，有效解決了森林工程專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)薄弱、理論教學與實踐教學脫節(jié)等問題，融入了計算機模擬、智能控制、多媒體展現(xiàn)，集聲、光、電和影像等于一體，徹底改變了傳統(tǒng)落后的實驗教學方法和手段，充分發(fā)揮和調(diào)動學生學習的積極性和主動性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、溝通能力和協(xié)作精神，最大限度地鍛煉學生全面、靈活運用所學知識的能力，在教學實踐中取得很好效果。

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