虛擬仿真技術在木材科學與技術學科實驗教學上的探索

李露+曹歡玲+趙相君+彭何歡

摘要：本文分析了木材科學與技術學科傳統的實驗教學中存在的一系列問題，比如硬件資源不足、涉及有毒有害物質和危險操作、教學方法落后、教材設備陳舊以及信息化程度低等。虛擬仿真技術具有能解決教學資源不足、實驗時間受限、污染和安全性等問題，并能突破傳統講授模式以及和現代生產技術聯系緊密。因此有必要在木材科學與技術學科中開展虛擬仿真實驗教學。本文還討論了在木材科學與技術學科中構建虛擬仿真實驗教學體系的基本原則。

關鍵詞：木材科學與技術；虛擬仿真技術；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）51-0270-02

一、引言

木材科學與技術是一門實踐性非常強的學科，在教學計劃中，實踐課程占有較大比重[1]。但受到實驗空間、儀器設備、教學教材等方面的影響，實驗教學有效果不佳，學生的熱情不高的現象。在實踐教學中，引入虛擬仿真實驗技術，解決傳統實踐教學中的難題，達到培養高素質木材科學與技術學科人才的目的。

二、木材科學與技術學科傳統實踐教學活動中存在的問題

木材科學與技術學科主要有木材學、膠黏劑與涂料、木材干燥學、人造板工藝學以及木制品生產工藝學等專業實驗[2]。傳統的實踐教學活動存在一些不足，具體表現在以下方面：

（一）硬件資源不足，難以滿足學生需求

重理論，輕實踐；重科研，輕教學是很多高校普遍存在的觀念。正因如此，一些高校的實驗教學硬件資源不足，直接導致實驗教學效果不佳[3]。

（二）涉及有毒有害物質，學生實驗積極性不高

膠黏劑與涂料學、人造板工藝學實驗課程中，要用到含甲醛的膠黏劑。甲醛是一種具有強烈刺激性的有毒氣體[4]，如果通風設備不齊全，師生防護措施不到位，不僅會影響師生的健康，更會影響學生對實驗課的積極性。

（三）傳統教學不利于培養獨立思考和創新能力

傳統的實驗教學模式是學生在固定時間和固定地點完成預設實驗項目。這種封閉式教學模式極不利于學生的獨立思考能力和實踐創新能力的培養。

（四）實驗教材老舊，與現代生產技術差異大，不利于學生今后的職業發展

木材科學的現代生產技術突飛猛進[5]。如果實驗教材陳舊落后，與現代生產技術差異大，則不利于學生今后的職業發展。

（五）信息化程度低，不順應現代高等教育的發展趨勢

根據國家教育部于2012年印發的《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》，要求推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式[6]。傳統的實驗教學模式的信息化程度低，不能順應現代高等教育的發展趨勢。

三、木材科學與技術學科開展虛擬仿真實驗教學的必要性

虛擬仿真實驗教學與傳統的實驗教學相比具有明顯的優勢，特別對以下實驗課程，更適合虛擬仿真實驗，如：（1）具有較高危險性或污染性，學生操作容易發生事故的；（2）實驗設備昂貴精密且易損壞，不能滿足每個學生都獨立操作的；（3）實驗成本高、消耗大的綜合性實驗等[7]。結合木材科學與技術學科實驗教學的現實情況，有針對性地開展虛擬仿真實驗教學有以下優勢：

（一）解決實驗教學資源不足的問題

虛擬仿真技術因其虛擬性，不需要真實的儀器設備和原材料，能滿足實踐需求，因此能很好地解決資源不足的問題。

（二）解決污染性、危險性實驗引發的安全問題

木材科學與技術學科實驗課程體系中人造板工藝學和膠黏劑與涂料學等存在甲醛的污染性；木制品生產工藝學又存在一定的危險性，為了避免學生出現安全事故，有些實驗課程就干脆以專人演示、學生觀摩的方式開展。虛擬仿真實驗技術特別適合具有污染性和危險性的實驗課程。

（三）突破教師講授、學生按部就班操作的問題

傳統的實驗教學，是學生按理論按部就班操作，不利于學生能力的培養。虛擬實驗項目可以讓學生在系統上預習理論知識和完成實驗過程，可以增強學生的自學能力和獨立思考能力。

（四）緊密聯系現代生產技術

高校內部的實驗教材和實驗儀器設備往往存在更新不及時的現象。采用虛擬仿真實驗技術，制作現代化的設備動畫模型、生動豐富的模擬場景，能激發學習者的興趣，更能讓學生更早地接觸到現代化的生產技術。

四、虛擬仿真實驗教學體系的構建原則

目前，國內很多高等院校都在開展虛擬仿真實驗教學。由于每個學校的教學資源及學科專業自身的特點不同，在構建虛擬仿真實驗教學體系的時候應該結合現實情況，可以從以下幾個方面考慮：

（一）應遵循以實為本，以虛補實，虛實結合

工科的實驗教學應首先立足于實際，因為現場實際操作和虛擬操作畢竟有差別。只有當現實條件難以滿足人才培養需求時，適當引入虛擬仿真實驗課程，做到以虛補實，虛實結合。

（二）注重虛擬仿真教學實驗的層次

通過精心設計虛擬仿真實驗教學體系，構建三個層次的教學模塊，分別為基礎實驗層次、專業技能層次和綜合創新層次[8]。基礎實驗層次要讓學生掌握木材科學與技術學科的基礎知識、實驗原理、實驗目的、實驗基本操作技能以及實驗安全知識。專業技能層次要讓學生學習專業實驗知識、掌握專業的實驗操作技能以及專業實驗設備儀器的工作原理和使用維護方法。綜合創新層次是以開拓學生視野，發散思維，達到培養創新人才的目的。

（三）提高人才隊伍的建設水平

虛擬仿真實驗教學有別于傳統的實驗教學，要求實驗專任教師和實驗技術人員具有先進的教育理念、豐富的實踐經驗、較高的學術水平和勇于創新的精神。

五、結語

虛擬仿真實驗技術作為傳統實驗教學的一種補充手段，能夠有效促進木材科學與技術學科本科實驗教學的改革和發展。但在構建虛擬仿真實驗教學平臺時，要防止過度虛擬化，遵從以虛補實，虛實結合的原則。并在今后的教學實踐中，不斷地完善虛擬仿真實驗的功能，構建符合培養木材工業現代化人才的體系。

參考文獻：

[1]馬靈飛，修樹東，金春德，錢俊.木材科學與技術專業應用型創新人才培養模式的研究與實踐[J].中國林業教育，2012，30（5）：29-32.

[2]張世峰，張偉，李建章.關于提高木材科學與技術專業本科生創新能力的思考[J].中國林業教育，2016，34（4）：12-14.

[3]蔡久評，李艷芳.高等學校教學實驗室的建設與管理研究[J].江西科技師范大學學報，2007，（5）：119-124.

[4]劉福生，王晟，宰德欣，魏曙光.人造板用脲醛膠面臨的問題及對策[J].南京林業大學學報（自然科學版），2005，29（1）：93-97.

[5]周玉成，陳放.木材工業自動化技術應用現狀及展望[J].林業工程，2006，20（2）：59-62.

[6]王森，李平.2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心分析[J].實驗室研究與探索，2016，35（4）：82-86.

[7]劉亞豐，余龍江.虛擬仿真實驗教學中心建設理念及發展模式探索[J].實驗室研究與探索，2016，33（4）：108-114.

[8]楊振德，玉舒中.森林保護學虛擬仿真實驗教學體系的構建[J].教育教學論壇，2015，（21）：268-270.

Abstract：This paper analyzes a series of problems of traditional experimental teaching on the wood science and technology discipline，such as hardware resources shortage，involving poisonous substances and dangerous operation，backward teaching methods，old teaching equipment，low degree of informatization and etc. Virtual simulation technology can solve the lack of teaching resources，experimental time limited，pollution and safety，and can break the traditional teaching mode and connect modern production technology. Therefore it is necessary to carry out virtual simulation technology experiment teaching in wood science and technology discipline. Also the paper discusses the basic principle of the building virtual simulation experiment teaching system in wood science and technology discipline.

Key words：wood science and engineering；virtual simulation technology；experiment teaching