基于沙盤模擬的森林工程教學改革探討

歷美岑　薛偉　辛穎

摘要 研究以東北林業(yè)大學森林工程立體程控沙盤虛擬實驗室為例，介紹了森林工程教學通過沙盤模擬采伐作業(yè)、集材作業(yè)、木材運輸、貯木場作業(yè)、林道網(wǎng)規(guī)劃以及林區(qū)總體規(guī)劃的應用情況，分析了沙盤模擬在改變傳統(tǒng)實驗教學模式，彌補實地勘測的不足，提高學生靈活運用知識和溝通能力，培養(yǎng)協(xié)作精神方面的優(yōu)勢。同時，分析了沙盤模擬在森林工程教學中的局限性，進而從沙盤模型實際化、多樣化、精細化方面探討了沙盤模擬的改進措施。期望通過該研究為相關(guān)院校的森林工程教學提供參考。

關(guān)鍵詞 沙盤；模擬；森林工程；教學改革

中圖分類號 S-01；G420 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）05-331-03

Abstract Taking the virtual laboratory of forest engineering stereo programcontrolled sand table of Northeast Forestry University as an example， we introduced the application situation of sand table simulation logging， skidding operation， wood transportation， log yard operation， forest road net plan， and forest area overall planning. Advantages of sand table simulation were analyzed in changing the traditional experimental teaching mode， making up for the inadequacy of field survey， improving students flexible use of knowledge and their communication skills， and cultivating spirit of collaboration. At the same time， limitations of sand table simulation in forestry teaching were discussed. Improvement measures of sand table limitation were discussed from the aspects of pragmatizing， diversification and refinement. This research provides references for the forest engineering teaching in relevant colleges and universities.

Key words Sand table； Simulation； Forest engineering； Teaching reform

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]。森工作業(yè)主要包括采伐作業(yè)、集材作業(yè)、木材運輸、貯木場作業(yè)等幾個方面。由于森工作業(yè)的特殊性，相關(guān)實驗、實習受到自然條件及生態(tài)條件的限制[2]，如森林采伐的不可逆性和木材生產(chǎn)作業(yè)的高危性等。結(jié)合聲、光、電一體化控制的森工立體程控多媒體沙盤恰好可以解決野外實習、實驗的受限性，可以為學生直觀、生動地展現(xiàn)森工作業(yè)過程。

森工立體程控沙盤是以計算機多媒體程控技術(shù)為支撐，集聲、光像、字幕同步顯示等功能，立體化和模塊化地展現(xiàn)森工林區(qū)內(nèi)的山形、水系、地形、地勢、溝壑、丘嶺，以及局、場址、生活區(qū)等的沙盤模型[3-4]。在按照真實林區(qū)等比例縮小的沙盤上，森工作業(yè)整個工藝流程被動態(tài)、細致、逼真地展示出來，如伐木過程、樹木傾倒、不同的采伐方式、不同的集材方式、不同的運材方式以及在貯木場的選材、造材、歸楞等。在立體程控沙盤上還可以直觀地看到森工作業(yè)伐區(qū)的區(qū)劃，并用不同的燈光顏色來區(qū)分伐區(qū)內(nèi)的林分組成（如針葉、闊葉、喬木、灌木叢和地表植被等）。筆者以東北林業(yè)大學森林工程立體程控沙盤虛擬實驗室為例，重點討論沙盤模擬在森林工程教學中的應用和優(yōu)勢，分析其在教學中的局限性，針對性地提出了改進沙盤模型的方法。

1 沙盤模擬在森工教學中的應用

1.1 模擬采伐作業(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)[5-6]。 在虛擬沙盤模型的采伐作業(yè)區(qū)內(nèi)，可模擬森林采伐中的主伐方式，包括皆伐、擇伐和漸伐，也可模擬不同的采伐強度，還可以模擬人工采伐和聯(lián)合機械采伐。在實際的森工作業(yè)中，采用何種采伐方式受到林齡、郁閉度、地理條件等因素的影響，采伐強度受到土壤條件、地勢條件、光照條件等因素的影響。學生可以根據(jù)沙盤模擬真實林區(qū)的環(huán)境，選擇合適的采伐方式及采伐強度，直觀地、深刻地了解伐區(qū)采伐作業(yè)過程。

1.2 模擬集材作業(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]。在沙盤模型中，學生可以根據(jù)不同的采伐區(qū)域、林地狀況、地勢條件等因素，從畜力、拖拉機、索道、滑道、水運5種不同的集材方式中選出最為恰當?shù)募姆绞剑M被伐倒的樹木從采伐點被運到山上楞場或裝車場的過程，整個過程直觀清晰，有助于學生深刻認識和理解集材作業(yè)的流程。

1.3 模擬木材運輸

在沙盤模型中，模擬木材運輸可以通過兩種運輸方式，即陸運和水運來實現(xiàn)。其中陸運又可分為森林鐵路運輸和森林公路運輸。在沙盤模型中運材列車和運材汽車的運輸過程都能夠被動態(tài)地模擬出來，水運主要是通過木材漂流的方式進行，運輸過程直觀、逼真。采用何種運輸方式主要受地理條件、運輸經(jīng)費等因素的影響，在實際的森工作業(yè)中，可把沙盤模擬結(jié)果和實際情況結(jié)合起來，綜合考量，采取合適的木材運輸方式。

1.4 模擬貯木場作業(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]。在沙盤模型中，貯木場內(nèi)的林業(yè)機械裝置和設(shè)備，包括裝卸橋和門式起重機等可以實現(xiàn)森工作業(yè)中的木材卸車、歸楞和裝車等功能，原條自動化生產(chǎn)線模型可實現(xiàn)模擬造材、選材等功能，電控模擬技術(shù)可實現(xiàn)展示板材加工、木材削片等功能。通過虛擬沙盤模型的模擬，可使學生較為全面地了解整個貯木場的作業(yè)流程。

1.5 模擬林道網(wǎng)規(guī)劃

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]。林區(qū)道路網(wǎng)絡的建立受到地理條件，不同的集材、運材方式，木材年運量、平均運距等因素的影響，可以根據(jù)沙盤模型中現(xiàn)有的集材、運材方式和地理條件等來模擬林道網(wǎng)的建立，通過數(shù)學建模來確定各種影響因素的權(quán)重，從而為真實林區(qū)道路網(wǎng)絡的建立提出有價值的建議。

1.6 模擬林區(qū)總體規(guī)劃

學生可以根據(jù)沙盤模型中的山形地勢、林相分布、森林蓄積量來模擬區(qū)劃作業(yè)伐區(qū)、林班。在沙盤模擬的伐區(qū)內(nèi)合理地選擇作業(yè)機械設(shè)備，設(shè)計集材道、運材道乃至林區(qū)公路網(wǎng)，確定最優(yōu)化的各項森工生產(chǎn)作業(yè)工序。利用森工立體程控多媒體沙盤，還可以建立有效的森林防火控制網(wǎng)及森林病蟲害防護網(wǎng)?？傊梢酝ㄟ^沙盤模型對森林作業(yè)環(huán)境中的很多生產(chǎn)作業(yè)指標進行優(yōu)化設(shè)計，進而達到模擬林區(qū)總體規(guī)劃的目的。

2 沙盤模擬在森工教學中的優(yōu)勢

2.1 改變了傳統(tǒng)的實驗和教學模式

傳統(tǒng)的實驗方法中學生的主動性、參與性不足，教學方法以灌輸式為主，學生照葫蘆畫瓢，難以調(diào)動積極性，實驗形式單調(diào)、枯燥，實驗內(nèi)容定型、成熟、經(jīng)典，實驗手段落后，這些因素都會影響學生對實驗的興趣。因此，迫切需要以實驗方法的多樣化，實驗內(nèi)容的新穎化，實驗手段的現(xiàn)代化來提高實驗教學質(zhì)量和學生的學習興趣，強調(diào)實驗教學過程及教學效果。而森工立體程控多媒體沙盤模擬實驗正迎合了這一需求，為森林工程專業(yè)的實驗開辟了新的實驗教學途徑和手段，提高了實驗教學質(zhì)量。

傳統(tǒng)的教學模式基本上只局限于教師課堂講解[10-12]，學生只能被動地接收教師講授的知識。對森工立體程控沙盤的操控需要學生自己“親力親為”，這樣恰好可以幫助學生主動學習，對教師傳授的知識也理解得更透徹。這種“師生互動”的教學方式從根本上改變了“教師為主，學生為輔”的教育現(xiàn)象，不但激發(fā)了學生的學習興趣，而且在實驗中發(fā)現(xiàn)問題，及時與教師溝通、解決，達到“共同學習”的效果。

2.2 彌補了學生不能實地勘測的不足

實際的森工作業(yè)會受到季節(jié)、環(huán)境、工作條件等因素的影響，所以全體學生到林場進行實地勘測、設(shè)計存在一定難度，而森工立體程控沙盤的建立恰好彌補了這一缺陷。森工立體沙盤模擬實驗將森林作業(yè)理論和生產(chǎn)操作過程等復雜理論以最直觀的方式全部展示在沙盤上，供學生身臨其境地感受、體驗和學習，學生的動手能力在實驗中也得到了很大的提升。學生把理論知識與沙盤模型相結(jié)合，這種學習方式能夠充分調(diào)動學生學習的積極性和創(chuàng)造性，動手操作也增強了學習的娛樂性。

2.3 提高了學生靈活運用知識的能力

在操作森工立體程控沙盤的時候，需要學生運用各方面的知識，在木材生產(chǎn)方面有木材采伐、森工規(guī)劃設(shè)計、林區(qū)道路設(shè)計及森工生產(chǎn)機械選型等；在物流運輸方面有木材運輸、木材倉儲及木材調(diào)撥等；在管理方面有森工生產(chǎn)作業(yè)管理、木材商品調(diào)配、倉儲管理。在通過森工立體程控沙盤完成某一項森工作業(yè)時也要考慮很多影響因素，比如模擬采伐作業(yè)，就要通過林齡、郁閉度等因素綜合考慮采用何種主伐方式及多大的采伐強度。模擬木材運輸時，也要根據(jù)地理條件、運輸經(jīng)費等因素來確定采用陸運或水運。學生在實驗學習過程中會遇到各種各樣問題，這種情況下就需要學生運用學到的理論知識來解決問題。通過這種方式的鍛煉，學生可以很大程度提高靈活運用知識的能力，也可以扎實地、深刻地掌握知識。

2.4 培養(yǎng)了學生的溝通能力和協(xié)作精神

現(xiàn)在的學生普遍缺乏溝通能力和協(xié)作精神。而在沙盤模擬實驗中，學生會遇到各種問題，這時就十分需要學生發(fā)揮團隊精神。當問題出現(xiàn)時，學生需要分組討論，得出一個較為優(yōu)化的解決方案。而在此過程中，學生的溝通技能和團隊意識得到鍛煉。因此，在實驗過程中，學生除了學到知識以外，溝通能力也得到了很大的提高。學生親身體驗到團隊內(nèi)部成員間溝通、合作的重要性，培養(yǎng)了團隊精神，達到了更好的教學效果。

3 沙盤模擬在森工教學中的局限性

3.1 沙盤模擬畢竟是“模擬”

森工作業(yè)是一個復雜、系統(tǒng)的作業(yè)過程，而森工立體程控沙盤只能模擬具有代表性的森工作業(yè)過程，而不能模擬所有森工作業(yè)過程。讓學生對主要的森工作業(yè)流程有直觀的認識，掌握森工作業(yè)知識，才是建立此套沙盤教學系統(tǒng)的目的。學生不應該把在沙盤實驗中得到的結(jié)果完全視為實際情況，真實的森工作業(yè)要比沙盤實驗的影響因素多一些。因此，學生要正確看待森工立體程控沙盤在森林工程教學中的應用[13]。

3.2 沙盤以特定林區(qū)為依據(jù)進行設(shè)計

森工立體程控沙盤是以大興安嶺林管局某一林場的山形、水系、地形、地勢、林相和樹種組成等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)設(shè)計的，雖然能較好地代表該林區(qū)的地理條件、林分組成等基本情況，但是我國林區(qū)較多，且每個林區(qū)的情況不盡相同。該沙盤模型在模擬林區(qū)的數(shù)量上存在一定局限性，不能很好地代表其他林區(qū)的情況。

3.3 沙盤是特定林區(qū)的簡化模型

森工立體程控沙盤是以大興安嶺林管局某一林場為模型簡化而成，因此忽略了該林場的個別細節(jié)，林場的實際情況并不能被完全展現(xiàn)出來。所以，學生應當認識到沙盤模擬的結(jié)果與實際森工作業(yè)存在一定的差異，不能把實驗結(jié)果照搬到實際中。在進行森工規(guī)劃時，學生應把林場的實際情況、教師講授的理論與沙盤模擬結(jié)果相結(jié)合，再做出合適的規(guī)劃方案。

4 沙盤模型的改進

4.1 沙盤模型實際化

雖然沙盤模擬不能完全代表整個森工作業(yè)的過程，但是能讓學生對森林作業(yè)的主要過程有直觀的了解和認識。此基礎(chǔ)上，在條件允許的情況下，學生應該深入林區(qū)，親身觀察、體驗林區(qū)的各個作業(yè)過程，包括采伐作業(yè)、集材作業(yè)、木材運輸、貯木場作業(yè)等，將沙盤模擬和實際森工作業(yè)情況相結(jié)合，真正明白森工作業(yè)的整個工藝過程。

4.2 沙盤模型多樣化

森工立體程控沙盤只能代表大興安嶺林管局某一林場的地理條件、林分組成等情況，所以，該沙盤在其他林場森工作業(yè)中的應用還存在一定的局限性。在各項條件允許的情況下，森工立體程控沙盤的設(shè)計應該考慮以多個林區(qū)或林場為依據(jù)，這樣能夠幫助學生拓寬知識面，使理論更加貼合實際，有利于培養(yǎng)森工實用型人才。

4.3 沙盤模型精細化

森工立體程控沙盤只能代表大興安嶺林管局某一林場的大致情況，在細節(jié)處理方面存在一定的缺陷。所以在沙盤的設(shè)計上應該精細化，在經(jīng)費及資源允許的情況下，針對林區(qū)的某些在沙盤沒有體現(xiàn)出來的細節(jié)，可制作另一個沙盤將這個細節(jié)放大，讓學生能夠直觀地看到林區(qū)的各個細節(jié)，做到沙盤模型與林區(qū)實際情況盡量貼合，幫助學生更好地掌握森工作業(yè)知識和理解森工作業(yè)流程。

5 結(jié)語

融合了聲、光、電一體化控制和多媒體等技術(shù)的森工立體程控沙盤是一套綜合的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)。在森林工程教學中運用森工立體程控沙盤，不僅彌補了學生不能實地勘測的不足，改變了傳統(tǒng)的教學模式，而且還提高了學生靈活運用知識的能力和動手能力，培養(yǎng)了學生的溝通能力和協(xié)作精神。沙盤模擬在森林工程教學中還存在一些局限性，因此筆者針對性地提出了改善沙盤教學模式的方法。森工立體程控沙盤為森林工程模擬實驗教學提供了一個直觀、形象、生動的綜合實驗平臺。該平臺不僅可以節(jié)省大量野外實習經(jīng)費，而且還可以調(diào)動學生學習的積極性，拓寬學生的知識面，對于培養(yǎng)森林工程方面的應用型、復合型人才起到重要作用。筆者希望該研究能在其他林科院校中關(guān)于沙盤模型在森林工程教學的應用起到一定拋磚引玉的作用。

參考文獻

[1]周新年.面向21 世紀森林工程專業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].森林工程，2001，17（5）：20-22.

[2]王儉.新型立體程控多媒體沙盤模擬實驗教學研究[C]//黑龍江省高等教育學會.高教科研論文集.哈爾濱：黑龍江人民出版社，2008：33-535.

[3]狄海廷，董希斌，肖生苓，等.森工立體程控沙盤虛擬實驗室建設(shè)探討[J].實驗室研究與探索，2015，34（4）：246-248，258.

[4]巫志龍，周成軍，周新年，等.森林作業(yè)與規(guī)劃動態(tài)仿真實驗室建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30（8）：217-220.

[5]趙塵.面向林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的森林采伐運輸[J].世界林業(yè)研究，1999，12（1）：26-32.

[6]邱仁輝，周新年，楊玉盛.森林采伐作業(yè)環(huán)境保護技術(shù)[J].林業(yè)科學，2002，38（2）：144-151.

[7]張建偉，王立海.小型環(huán)境友好集材裝備的研究進展[J].森林工程，2012，28（4）：31-36.

[8]耿志偉，薛偉.基于可拓層次分析法的東北林區(qū)貯木場火險等級評價研究[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2013，9（10）：103-108.

[9]馮海霞，馮仲科，張秋紅.基于3S 技術(shù)的林區(qū)道路選線研究[J].北京林業(yè)大學學報，2008，30（1）：127-132.

[10]辛穎，薛偉，侯衛(wèi)萍，等.森林工程國家級特色專業(yè)實踐教學改革研究[J].實驗室研究與探索，2012，31（10）：361-363.

[11]薛偉，郭德禹.基于森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的森工規(guī)劃教學研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2014，42（31）：11202-11203，11205.

[12]薛偉，耿志偉，汪洪濤.面向林業(yè)重點工程建設(shè)的森林工程人才培養(yǎng)體系的研究[J].森林工程，2014，30（1）：190-193.

[13]朱宗乾，王彥，魏云霞.ERP 實施過程沙盤模擬系統(tǒng)在實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2007，26（6）：138-141.