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、集材作業、木材運輸、貯木場作業、林道網規劃以及林區總體規劃的應用情況，分析了沙盤模擬在改變傳統實驗教學模式，彌補實地勘測的不足，提高學生靈活運用知識和溝通能力，培養協作精神方面的優勢。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院校的森林工程教學提供參考。

關鍵詞 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與保護、開發與利用中的非生物工程[1]。森工作業主要包括采伐作業、集材作業、木材運輸、貯木場作業等幾個方面。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]，如森林采伐的不可逆性和木材生產作業的高危性等。結合聲、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、生動地展現森工作業過程。

森工立體程控沙盤是以計算機多媒體程控技術為支撐，集聲、光像、字幕同步顯示等功能，立體化和模塊化地展現森工林區內的山形、水系、地形、地勢、溝壑、丘嶺，以及局、場址、生活區等的沙盤模型[3-4]。在按照真實林區等比例縮小的沙盤上，森工作業整個工藝流程被動態、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伐區的區劃，并用不同的燈光顏色來區分伐區內的林分組成（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

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[5-6]。 在虛擬沙盤模型的采伐作業區內，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合機械采伐。在實際的森工作業中，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。學生可以根據沙盤模擬真實林區的環境，選擇合適的采伐方式及采伐強度，直觀地、深刻地了解伐區采伐作業過程。

1.2 模擬集材作業

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]。在沙盤模型中，學生可以根據不同的采伐區域、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的集材方式，模擬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。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、運輸經費等因素的影響，在實際的森工作業中，可把沙盤模擬結果和實際情況結合起來，綜合考量，采取合適的木材運輸方式。

1.4 模擬貯木場作業

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]。在沙盤模型中，貯木場內的林業機械裝置和設備，包括裝卸橋和門式起重機等可以實現森工作業中的木材卸車、歸楞和裝車等功能，原條自動化生產線模型可實現模擬造材、選材等功能，電控模擬技術可實現展示板材加工、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流程。

1.5 模擬林道網規劃

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]。林區道路網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，可以根據沙盤模型中現有的集材、運材方式和地理條件等來模擬林道網的建立，通過數學建模來確定各種影響因素的權重，從而為真實林區道路網絡的建立提出有價值的建議。

1.6 模擬林區總體規劃

學生可以根據沙盤模型中的山形地勢、林相分布、森林蓄積量來模擬區劃作業伐區、林班。在沙盤模擬的伐區內合理地選擇作業機械設備，設計集材道、運材道乃至林區公路網，確定最優化的各項森工生產作業工序。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及森林病蟲害防護網?？傊?，可以通過沙盤模型對森林作業環境中的很多生產作業指標進行優化設計，進而達到模擬林區總體規劃的目的。

2 沙盤模擬在森工教學中的優勢

2.1 改變了傳統的實驗和教學模式

傳統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，難以調動積極性，實驗形式單調、枯燥，實驗內容定型、成熟、經典，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，實驗內容的新穎化，實驗手段的現代化來提高實驗教學質量和學生的學習興趣，強調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，提高了實驗教學質量。

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”的教育現象，不但激發了學生的學習興趣，而且在實驗中發現問題，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

實際的森工作業會受到季節、環境、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理論和生產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合，這種學習方式能夠充分調動學生學習的積極性和創造性，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，在木材生產方面有木材采伐、森工規劃設計、林區道路設計及森工生產機械選型等；在物流運輸方面有木材運輸、木材倉儲及木材調撥等；在管理方面有森工生產作業管理、木材商品調配、倉儲管理。在通過森工立體程控沙盤完成某一項森工作業時也要考慮很多影響因素，比如模擬采伐作業，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，也要根據地理條件、運輸經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 培養了學生的溝通能力和協作精神

現在的學生普遍缺乏溝通能力和協作精神。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揮團隊精神。當問題出現時，學生需要分組討論，得出一個較為優化的解決方案。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部成員間溝通、合作的重要性，培養了團隊精神，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”

森工作業是一個復雜、系統的作業過程，而森工立體程控沙盤只能模擬具有代表性的森工作業過程，而不能模擬所有森工作業過程。讓學生對主要的森工作業流程有直觀的認識，掌握森工作業知識，才是建立此套沙盤教學系統的目的。學生不應該把在沙盤實驗中得到的結果完全視為實際情況，真實的森工作業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 沙盤以特定林區為依據進行設計

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數據為依據設計的，雖然能較好地代表該林區的地理條件、林分組成等基本情況，但是我國林區較多，且每個林區的情況不盡相同。該沙盤模型在模擬林區的數量上存在一定局限性，不能很好地代表其他林區的情況。

3.3 沙盤是特定林區的簡化模型

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，林場的實際情況并不能被完全展現出來。所以，學生應當認識到沙盤模擬的結果與實際森工作業存在一定的差異，不能把實驗結果照搬到實際中。在進行森工規劃時，學生應把林場的實際情況、教師講授的理論與沙盤模擬結果相結合，再做出合適的規劃方案。

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的過程，但是能讓學生對森林作業的主要過程有直觀的了解和認識。此基礎上，在條件允許的情況下，學生應該深入林區，親身觀察、體驗林區的各個作業過程，包括采伐作業、集材作業、木材運輸、貯木場作業等，將沙盤模擬和實際森工作業情況相結合，真正明白森工作業的整個工藝過程。

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計應該考慮以多個林區或林場為依據，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，在細節處理方面存在一定的缺陷。所以在沙盤的設計上應該精細化，在經費及資源允許的情況下，針對林區的某些在沙盤沒有體現出來的細節，可制作另一個沙盤將這個細節放大，讓學生能夠直觀地看到林區的各個細節，做到沙盤模型與林區實際情況盡量貼合，幫助學生更好地掌握森工作業知識和理解森工作業流程。

5 結語

融合了聲、光、電一體化控制和多媒體等技術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。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，培養了學生的溝通能力和協作精神。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。該平臺不僅可以節省大量野外實習經費，而且還可以調動學生學習的積極性，拓寬學生的知識面，對于培養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

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