基于森工規劃虛擬仿真實驗教學系統的森工規劃教學研究

薛偉 郭德禹

摘要 以東北林業大學森林工程實驗教學中心為例，重點討論了森工規劃虛擬仿真實驗教學系統在森工規劃教學中的應用，并分析了其在教學中存在的優勢及局限性，提出了進一步完善的途徑。

關鍵詞 教學研究；森工規劃；虛擬仿真；實驗教學

中圖分類號 S-01；G420 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）31-11202-02

The Research of Forest Engineering Planning Teaching Based on Engineering Planning Teaching Virtual Simulation Experiment Teaching System

XUE Wei， GUO Deyu

（Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract Taking forest engineering experiment teaching center of Northeast Forestry University as an example， application of forest engineering planning virtual simulation experiment teaching system was discussed， its advantages and limitations in teaching were analyzed， way for further improvement was put forward.

Key words Teaching research； Forest engineering planning； Virtual simulation； Experiment teaching

森林工程是森林資源建設與保護、開發與利用中的非生物工程^[1]。森工規劃是森林工程專業必修的一門專業重點課程，主要涉及林業區劃與林業生產規劃、森林經營方針與生產規模、伐區規劃、運輸規劃、貯木場規劃、天然林擇伐采運技術、林分改造、林產品加工規劃及多種經營規劃、森林經營方案的附屬工程規劃等幾個方面。由于森工作業的特殊性，相關實驗、實習受到自然條件及生態條件的限制^[2]，如木材生產作業的高危性、森林采伐的不可逆性以及采伐對生態環境的破壞性等。為了有效解決野外實驗實訓的受限性，利用多媒體程控沙盤結合聲光電一體化控制，模擬林區真實作業場景，為學生真實再現林區作業情景。

1 森工規劃虛擬仿真實驗教學系統在教學中的應用

早在2003年，森林工程實驗教學中心就開始探索虛擬仿真實驗項目的開發，2005年在國內同行業率先開發了森工規劃虛擬仿真實驗教學系統^[3]，利用多媒體程控沙盤結合聲光電一體化控制技術，模擬林區真實作業場景，為學生真實再現林區作業情景。把虛擬仿真實驗教學系統應用到森工規劃教學中，用以模擬森工規劃作業的各個過程。

1.1 模擬森林采伐作業

森林采伐是對森林進行的一項經營管理活動，是森工作業中的一個重要環節^[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、周圍環境等因素的影響。為了更好地讓學生深刻地理解森林采伐作業，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境，結合聲光電一體化控制技術及計算機多媒體技術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區域內，可以模擬用油鋸伐倒單木的過程，使學生更加了解伐木過程及伐木技術。

1.2 模擬原條集材作業

集材作業是繼采伐作業后的一道重要工序，是指將木材從采伐作業地點匯集到山上楞場或裝車場的作業^[7]。在我國東北林區主要采取原條集材作業方式，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、采伐區域等因素的影響。在沙盤上山地條件、林地狀況、采伐區域等均可直觀顯示，學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

木材運輸是指將山上楞堆或裝車場的木材運輸到山下貯木場的過程。目前我國主要采用林區公路運輸、森鐵運輸、水陸運輸等木材運輸方式，使用沙盤并且結合聲光電一體化控制技術可以逼真地再現木材運輸的全過程。

1.4 模擬貯木場生產作業

貯木場具有木材生產、貯存和銷售三大特性，在木材的產銷之間起調節和緩沖作用^[8]。貯木場生產作業主要包括裝卸車、造材、選材、歸楞等生產工藝。森工規劃虛擬仿真實驗教學系統的沙盤中安放有起重機模型，結合聲光電一體化控制可模擬起重機起吊及卸載過程；沙盤中同時內置了原條自動化生產線模型，可逼真地模擬造材、選材的過程。

1.5 模擬林業局局場址優化設計及林區道路選線

林業局局場址的選擇受到所規劃的伐區的地勢地貌、森林資源分布、樹種組成和森林蓄積量、林業生產要求等因素的影響，合理地對林業局局場址進行優化設計對森工生產作業的有序進行起到了保障作用。可利用森工規劃虛擬仿真實驗教學系統模擬林業局局場址優化設計。

林區道路是林區的血脈，是林區人民生活和木材生產利用及資源開發的紐帶。林區道路的狀況直接關系到整個林區的交通運輸、木材的生產成本、森林防火等一系列問題^[9]。可利用森工規劃虛擬仿真實驗教學系統現有的林區道路、地勢地貌模擬林區道路選線。

2 森工規劃虛擬仿真實驗教學系統在森工規劃教學中的優勢

森工規劃虛擬仿真實驗教學系統在森工規劃教學中的應用彌補了傳統教學模式的不足，在森工規劃教學中發揮著極其重要的作用。利用多媒體程控沙盤模擬真實過程，在教學中存在著諸多優勢，主要體現在以下幾點。

2.1 實時評判學生設計作業

森工規劃虛擬仿真實驗教學系統具有自身的評價體系，學生在完成相關的規劃設計后，系統可根據學生設計的合理與否，輸出一個成績，這能夠使學生實時了解自己規劃設計的效果，便于學生及時修改，同時也減輕了教師的工作負擔，有利于提高課堂授課效率。

2.2 改變了傳統的人才培養模式 傳統的教學模式基本上只局限于教師課堂講解^[10-12]，學生只是根據教師所提供的文本、圖片、音頻、視頻等輔助資料進行學習，對所學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生客觀認識，更容易接受教師所教授的內容，對所學到的知識記憶深刻。這種教學方式使人才培養模式由“教師為主，學生為輔”到“師生互動”方向轉變，不但激發了學生學習的興趣，調動了學生學習的積極性，而且教師所教授的知識更易被學生接受。在“師生互動”的過程中必然會出現一系列的問題，通過學生之間相互討論及教師的適當點撥和引導，使問題得以解決，收到了良好的教學效果。

2.3 培養了學生綜合運用所學知識的能力 森工規劃虛擬仿真實驗教學系統涉及較廣的基礎知識及專業知識，學生想要更好地利用該系統模擬實際問題，需要綜合運用所學知識進行分析。比如：模擬木材運輸過程時，學生應當掌握林區道路網、運輸車輛的性質及優缺點、優化設計理論等一系列理論知識，才能更好地設計出最優路線，選擇出最優運輸方式，達到最佳的效益。森工規劃虛擬仿真實驗教學系統在森工規劃教學中的成功應用，為培養和提高學生綜合運用所學知識、解決實際問題的能力起到了良好的作用。

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

2.5 培養了學生協同合作的精神

森工規劃虛擬仿真實驗教學系統是一套可對森工規劃課程所講授內容進行模擬的綜合實驗平臺，學生對森工作業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生不同的觀點，就需要相互溝通交流，這一過程對學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。讓學生協同合作解決一個甚至幾個問題，對培養學生的團隊精神起到了極其重要的作用，讓學生認識到協同合作的重要性。

3 森工規劃虛擬仿真實驗教學系統在森工規劃教學中的局限性

3.1 虛擬仿真實驗教學系統畢竟是“模擬” 森工規劃是一個系統、復雜的作業過程，想要達到對其完全的模擬是難以實現的。森工規劃虛擬仿真實驗教學系統只能對森工規劃所涉及的具有代表性的作業過程進行模擬，而不能對其所有作業過程進行模擬。此虛擬仿真實驗教學系統的目的是讓學生對森工規劃主要作業過程有一個直觀的認識，學生不應把在虛擬仿真實驗教學系統中進行的模擬實驗過程視為實際作業過程，因此學生要正確看待虛擬仿真實驗教學系統在教學中的應用^[15]。

3.2 虛擬仿真實驗教學系統以特定林區為依據進行設計 森工規劃虛擬仿真實驗教學系統是以我國東北林區大興安嶺林管局某一林場的地勢地貌、林相組成等基礎數據為依據進行設計的，雖然能較好地代表大興安嶺林區的地勢地貌、林相基本情況，但是不能代表內蒙古林區、長白山林區、小興安嶺林區等地的地勢地貌、林相情況。在建設經費及資源允許的情況下，應該考慮以多個林區為依據設計虛擬仿真實驗教學系統，這樣能夠拓寬學生的知識面，有利于為國家培養出應用復合型人才。

3.3 虛擬仿真實驗教學系統是以林區的簡化模型為依據進行設計 森工規劃虛擬仿真實驗教學系統建立的是我國東北林區大興安嶺林管局某一林場的簡化模型，因此林區個別細節被忽略，不能夠完全代表林區的實際情況。學生應當認識到在實際森工規劃作業時不能照搬在虛擬仿真實驗教學系統中用到的方法，應當根據實際情況并結合教師上課講授的理論進行森工規劃作業。

4 結語

森工規劃虛擬仿真實驗教學系統是融合了多媒體技術、聲光電一體化控制技術等技術的綜合虛擬仿真實驗教學系統。將森工規劃虛擬仿真實驗教學系統應用到森工規劃課程教學當中，對培養應用復合型人才，培養學生綜合運用所學知識的能力，提高學生的動手能力，培養學生協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，但是森工規劃虛擬仿真實驗教學系統為模擬實驗教學搭起了一個逼真、生動的綜合實驗平臺，可以節省大量的實驗實習經費，改變了傳統的教學模式，為提高教學質量，培養高水平人才發揮著其自身的作用。該研究只是對森工規劃虛擬仿真實驗教學系統在森工規劃教學中的應用進行了初步研究分析，希望能夠對相關高校相關專業、森工企業培訓部門、林管局培訓部門等相關單位的模擬實驗教學起到一定的指導、參考作用。

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