木材生產虛擬仿真實驗項目的建設與實踐研究*

李耀翔，狄海廷，楊德嶺

（東北林業大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

實驗教學是高等教育教學的重要組成部分，隨著教育的發展和進步，實驗教學在培養學生的能力和素質過程中起著越來越重要的作用[1]。實驗教學水平也是某專業在科研水平和教學質量方面的一個評價指標[2]。隨著信息技術的飛速發展和與之相關技術的進步，實驗教學的手段和方式也不斷地進行改進。虛擬仿真實驗教學項目就是伴隨著信息技術的發展應運而生的。虛擬仿真實驗教學不僅能彌補傳統實驗的軟肋，解決一些很難實現或不能實現的問題，而且還能緩解實驗資源的不足，解決實驗經費方面的問題[3]。教育部從2017 年起開展了虛擬仿真實驗教學項目的建設工作，鼓勵不同的學校、不同的專業探索個性化的實驗實踐教學方法和模式，依托數字化的特點，逐步形成開放共享、教學效果優良的實驗教學體系[4]。

1 虛擬仿真實驗項目建設的背景

東北林業大學森林工程專業始建于1952 年，是國家級特色專業，2014 年被教育部、農業部和國家林業局聯合列為“卓越農林人才教育培養計劃”復合應用型農林人才培養改革試點專業[5-7]。森林工程專業是以森林生態資源建設與保護、開發與利用為目的的一門綜合性應用專業。它以森林生態學為依據研究森林合理采伐的方式和集材方式，研究木材生產的優化規劃方案，進行相應的組織管理并獲得最大的經濟效益[8-9]。2014 年森林工程虛擬仿真實驗教學中心被批準為首批國家級虛擬仿真實驗教學中心[10-11]。

“木材生產技術”是森林工程專業中最核心、最重要的知識點之一[12]。然而由于木材生產涉及到森林經營、采伐、集材、運材、制材等多個方面，其實際的實驗環節存在著周期長、危險性高等因素，使得木材生產的實驗實踐學習受到制約，同時森林采伐的不可逆性以及采伐對生態環境的破壞性加劇了實驗教學的難度[13]。總的來說，木材生產實驗教學中主要面臨以下4 個方面的難題。

1） 采伐機、集材機、龍門吊等大型實驗設備數量少、設備昂貴、操作復雜、運行成本極高，一般這些大型設備只能通過視頻展示或者進行理論講解，使得實驗教學的質量難以保障。

2） 木材生產實驗環節存在著高危險性。例如，采伐過程中學生容易受到伐倒樹木、采伐集材機械等設備的操作不當等造成的意外傷害，這些不安全因素使得實驗教學受到了很大局限。

3） 森林采伐的不可逆性以及采伐對生態環境的破壞性。森林采伐是一個不可逆的過程，而且現在國家實行森保政策，森林采伐實驗難以開展。

4） 木材生產實驗實踐環節通過校企合作，學生每年都要赴東北的各林業局進行實習，面臨著外出時間長、人力物力消耗大、組織困難，存在著一定的不安全因素，實驗實踐的效果得不到保障[14-15]。

2 虛擬仿真實驗項目建設的目的

為了解決上述困難，克服野外實驗實踐的受限性，開發了木材生產虛擬仿真實驗項目，在2020年獲得了首批國家級虛擬仿真實驗教學一流課程稱號。該項目能夠全方位、立體化真實再現森林工程學科實踐實訓場景，通過虛擬交互完成實驗內容，借助虛擬仿真技術讓小課堂變成了大型實踐實訓基地，拓展了實驗教學內容的廣度和深度，有效地解決了實驗實踐環節存在的困難和問題。

通過木材生產實訓虛擬仿真實驗項目，學生可高效地學習和掌握以下內容：一是掌握木材生長的動態模型；二是掌握油鋸、伐木頭等伐木設備的工作原理及伐木的技術要領；三是掌握常見的集材方式方法；四是掌握木材加工工藝的流程和特點；五是了解選材的方法及其基本原理；六是了解伐區清理的基本方法。

3 虛擬仿真實驗項目建設的內容

木材生產虛擬仿真實驗項目包含森林經營、伐木作業、集材作業、原條造材及選材、原木制材5 個模塊。木材生產虛擬仿真實驗項目界面見圖1。

圖1 木材生產虛擬仿真實驗項目界面

3.1 森林經營可視化模擬模塊

模塊的實驗內容主要包括林分結構可視化和森林經營可視化。林分結構可視化是以地理數據為基礎，以林業調查數據為內容，結合相關模型和虛擬現實技術，構建森林對象，對現實世界的林分結構進行模擬、分析、預測等。森林經營可視化以解決復雜的森林管理規劃和經營問題為目標，以森林環境可視化為載體，以森林經營理論為基礎，對森林生長及相關問題進行定性與定量的分析。具體實驗內容包括：森林的生長過程模擬、撫育間伐的經營過程及其效果模擬、更新造林過程及其效果模擬、森林主伐更新過程及其效果模擬、最優的經營方案及措施選取、預測未來森林狀況、森林經營活動對森林狀況的影響。

3.2 伐木作業虛擬仿真模塊

它是在虛擬森林環境中對伐木作業進行流程模擬和可視化模擬。即結合虛擬森林環境中的地形條件、樹種類別、樹木的位置、胸徑、樹高、樹齡及林分空間結構等信息，根據系統提供的不同的伐木機械、不同的伐木強度、不同的伐木方式進行伐木作業仿真。可對不同方式的伐木作業進行對比分析（如時間、成本、生產效率、林地擾動、生態環境影響），從中選出最優的采伐模式。具體可以模擬油鋸伐木作業、聯合伐木機伐木作業、油鋸拆裝、伐木機拆裝、伐區清理5 個實驗內容。

3.3 集材作業虛擬仿真模塊

集材作業虛擬仿真是以林區地形、地貌基本數據及林業調查數據為基礎，結合機械作業基本數據，對不同集材機械作業時間、效率及林地擾動情況進行模擬研究。模塊包含了主要的集材方式，如集材機集材、拖拉機集材、裝載機集材、索道集材、畜力集材、滑道集材等，可以分析作業機械、林分、作業方式之間的關系，同時研究不同方案的作業生產率、成本及林地擾動情況。

3.4 原條造材及選材作業虛擬仿真模塊

原條造材是根據輸入的原條長級、徑級及各種木材缺陷，按材種計劃，列出各種備選量材方案，并按售價最大化原則，給出最優的量材方案，對備選方案與量材方案進行比較和評價分析。原木選材包括原木的篩選、吊運及裝卸作業，可分析出不同作業模式下的生產效率及作業成本。

模塊是集現代原木生產管理理念和先進工藝技術的實驗實踐教學體系，采用先進的智能技術、程控技術、氣動技術、光電感應量材技術和原木生產信息化管理技術，展現原木自動化生產設備結構、工作原理、技術參數和原木生產系統布局，解決原條造材優化技術與自動選材技術的實踐教學問題，解決學生對貯木場原木自動化生產系統設計、自動化控制、智能技術、原條造材優化、貯木場原木生產信息化管理和原木自動化生產裝備設計等實驗實踐的教學問題。

3.5 原木制材虛擬仿真模塊

原木制材虛擬仿真模塊通過激光無損檢測掃描獲取原木外部形狀和缺陷信息，以及根據開發的數學模型，基于掃描的原木外部缺陷信息而獲得內部缺陷信息，并將所有的信息存儲于數據庫中。系統根據數據庫的調用可以模擬原木的三維可視化（包括各種彎曲形狀、外部、內部缺陷空間位置），然后對其進行虛擬鋸切，最后顯示鋸切后的三維板材并將鋸切結果存儲到系統數據庫中。模塊對可視化的三維原木進行虛擬鋸切及優化設計，進而實現木材的高效低耗利用。

4 實驗考核的方式和方法

所開發的木材生產虛擬仿真實驗項目利用數字化的特點和森林工程國家級虛擬仿真實驗教學平臺的優勢，通過以下方法對學生進行全方位、系統的考核。

1） 利用虛擬仿真實驗平臺進行實驗報告和實驗過程的管理。在實驗過程中，學生在線進行實時操作，系統記錄并分析學生的操作過程，對實驗操作的規范性和流程性進行考核，形成考核成績，通過自動考核方法能使教師準確地掌握學生在實驗過程中的實際情況。

2） 利用森林工程國家級虛擬仿真實驗教學平臺的評估考核功能。為了讓學生能更好地對學習效果進行自我評估，虛擬仿真實驗教學平臺提供自動考核功能，學生在完成實驗結果的提交后，平臺可自動評閱，直接顯示分數和失分點。系統還提供實驗考核功能，可自動辨別學生在實驗過程中的熟練程度和正確率，根據實驗操作中存在的錯誤對欠缺的知識點進行整理并提供給學生，實現對實驗動態過程的管理。

3） 虛擬仿真實驗教學平臺提供數據分析功能。可以實現實驗成績的自動統計和匯總，為教師提供方便。為了能使教師更好地了解學生的實驗水平，平臺提供數據挖掘模塊，可通過各種數據的分析，為教師提供更多有效信息。

5 虛擬仿真實驗項目的特色與創新

1） 強化生態文明，提高作業安全意識。將生態文明意識融入到森林工程虛擬仿真實驗教學項目中。木材生產虛擬仿真項目，本著“虛實結合、以虛補實、以實促虛”的原則，借助虛擬仿真實驗教學平臺，融入林業可持續發展、水土資源保護、動物保護等生態條件，模擬森工規劃、木材生產等一系列作業過程中的生態問題及環境效應，強化學生的生態文明意識。通過真實再現森林作業環境中苛刻的自然條件及高危作業情景，使學生在虛擬體驗式教學過程中深刻體驗實際森林作業環境中的危險因素，加強學生的安全意識。

2） 通過木材生產虛擬仿真實驗，全方位、立體化真實再現森林工程學科實踐實訓場景，克服了由于木材生產作業的高危險性、森林采伐的不可逆性以及采伐對生態環境的破壞性等因素造成的傳統方式難以滿足實踐實訓的需求，有效解決了野外實驗實踐的受限性，借助虛擬仿真技術讓小課堂變成了大型實踐實訓基地。

3） 森林工程虛擬仿真實驗教學平臺融合了實驗方案“設計—實施—效果評價—方案整改—再評價”的整個環節，在優化實驗方案的同時使學生更好地對所學的理論知識進行深刻體驗。借助虛擬仿真實驗教學項目，學生可以自主選擇實驗時間及實驗項目，自主設計實驗，可充分調動學生自主能動性，成為了培養學生創新能力的實踐實訓平臺。

6 結束語

木材生產虛擬仿真實驗項目依托東北林業大學森林工程虛擬仿真實驗教學中心平臺，以森林工程專業人才培養方案和木材生產技術與管理、森工規劃設計、森工機械與裝備、森工裝備仿真技術等課程的大綱為依托，以提高教學質量、培養學生獨立分析問題、解決問題的能力為宗旨，借助先進的虛擬仿真技術，開發多元化虛擬仿真教學資源并實現共享。該實驗教學項目提高了實驗教學質量，在人才培養方面發揮了重要的作用。