薛偉 郭德禹

摘要 以東北林業(yè)大學(xué)森林工程實驗教學(xué)中心為例，重點討論了森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在森工規(guī)劃教學(xué)中的應(yīng)用，并分析了其在教學(xué)中存在的優(yōu)勢及局限性，提出了進一步完善的途徑。

關(guān)鍵詞 教學(xué)研究；森工規(guī)劃；虛擬仿真；實驗教學(xué)

中圖分類號 S-01；G420 文獻標(biāo)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(shè)與保護、開發(fā)與利用中的非生物工程^[1]。森工規(guī)劃是森林工程專業(yè)必修的一門專業(yè)重點課程，主要涉及林業(yè)區(qū)劃與林業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃、森林經(jīng)營方針與生產(chǎn)規(guī)模、伐區(qū)規(guī)劃、運輸規(guī)劃、貯木場規(guī)劃、天然林擇伐采運技術(shù)、林分改造、林產(chǎn)品加工規(guī)劃及多種經(jīng)營規(guī)劃、森林經(jīng)營方案的附屬工程規(guī)劃等幾個方面。由于森工作業(yè)的特殊性，相關(guān)實驗、實習(xí)受到自然條件及生態(tài)條件的限制^[2]，如木材生產(chǎn)作業(yè)的高危性、森林采伐的不可逆性以及采伐對生態(tài)環(huán)境的破壞性等。為了有效解決野外實驗實訓(xùn)的受限性，利用多媒體程控沙盤結(jié)合聲光電一體化控制，模擬林區(qū)真實作業(yè)場景，為學(xué)生真實再現(xiàn)林區(qū)作業(yè)情景。

1 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用

早在2003年，森林工程實驗教學(xué)中心就開始探索虛擬仿真實驗項目的開發(fā)，2005年在國內(nèi)同行業(yè)率先開發(fā)了森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)^[3]，利用多媒體程控沙盤結(jié)合聲光電一體化控制技術(shù)，模擬林區(qū)真實作業(yè)場景，為學(xué)生真實再現(xiàn)林區(qū)作業(yè)情景。把虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用到森工規(guī)劃教學(xué)中，用以模擬森工規(guī)劃作業(yè)的各個過程。

1.1 模擬森林采伐作業(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)^[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(huán)境等因素的影響。為了更好地讓學(xué)生深刻地理解森林采伐作業(yè)，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(huán)境，結(jié)合聲光電一體化控制技術(shù)及計算機多媒體技術(shù)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(yè)區(qū)域內(nèi)，可以模擬用油鋸伐倒單木的過程，使學(xué)生更加了解伐木過程及伐木技術(shù)。

1.2 模擬原條集材作業(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]。在我國東北林區(qū)主要采取原條集材作業(yè)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(qū)域等因素的影響。在沙盤上山地條件、林地狀況、采伐區(qū)域等均可直觀顯示，學(xué)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(yè)

木材運輸是指將山上楞堆或裝車場的木材運輸?shù)缴较沦A木場的過程。目前我國主要采用林區(qū)公路運輸、森鐵運輸、水陸運輸?shù)饶静倪\輸方式，使用沙盤并且結(jié)合聲光電一體化控制技術(shù)可以逼真地再現(xiàn)木材運輸?shù)娜^程。

1.4 模擬貯木場生產(chǎn)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]。貯木場生產(chǎn)作業(yè)主要包括裝卸車、造材、選材、歸楞等生產(chǎn)工藝。森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的沙盤中安放有起重機模型，結(jié)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(nèi)置了原條自動化生產(chǎn)線模型，可逼真地模擬造材、選材的過程。

1.5 模擬林業(yè)局局場址優(yōu)化設(shè)計及林區(qū)道路選線

林業(yè)局局場址的選擇受到所規(guī)劃的伐區(qū)的地勢地貌、森林資源分布、樹種組成和森林蓄積量、林業(yè)生產(chǎn)要求等因素的影響，合理地對林業(yè)局局場址進行優(yōu)化設(shè)計對森工生產(chǎn)作業(yè)的有序進行起到了保障作用?？衫蒙ひ?guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)模擬林業(yè)局局場址優(yōu)化設(shè)計。

林區(qū)道路是林區(qū)的血脈，是林區(qū)人民生活和木材生產(chǎn)利用及資源開發(fā)的紐帶。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]?？衫蒙ひ?guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)有的林區(qū)道路、地勢地貌模擬林區(qū)道路選線。

2 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在森工規(guī)劃教學(xué)中的優(yōu)勢

森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在森工規(guī)劃教學(xué)中的應(yīng)用彌補了傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，在森工規(guī)劃教學(xué)中發(fā)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(xué)中存在著諸多優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點。

2.1 實時評判學(xué)生設(shè)計作業(yè)

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

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

2.3 培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)涉及較廣的基礎(chǔ)知識及專業(yè)知識，學(xué)生想要更好地利用該系統(tǒng)模擬實際問題，需要綜合運用所學(xué)知識進行分析。比如：模擬木材運輸過程時，學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握林區(qū)道路網(wǎng)、運輸車輛的性質(zhì)及優(yōu)缺點、優(yōu)化設(shè)計理論等一系列理論知識，才能更好地設(shè)計出最優(yōu)路線，選擇出最優(yōu)運輸方式，達到最佳的效益。森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在森工規(guī)劃教學(xué)中的成功應(yīng)用，為培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合運用所學(xué)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(xué)生的動手能力 森工規(guī)劃是一門理論緊密結(jié)合實際的課程，在課程教學(xué)結(jié)束之后，會安排學(xué)生進行一次課程設(shè)計。森工規(guī)劃課程設(shè)計要求學(xué)生綜合利用所學(xué)知識，通過動手操作，獨立或協(xié)同完成。森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)為學(xué)生提供了一個良好的綜合實驗平臺，學(xué)生可根據(jù)各自的需要在沙盤上自行進行設(shè)計模擬。學(xué)生通過實踐學(xué)習(xí)，能很好地提高自己的動手能力^[13-14]。

2.5 培養(yǎng)了學(xué)生協(xié)同合作的精神

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

3 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在森工規(guī)劃教學(xué)中的局限性

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

3.2 虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)以特定林區(qū)為依據(jù)進行設(shè)計 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)是以我國東北林區(qū)大興安嶺林管局某一林場的地勢地貌、林相組成等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)進行設(shè)計的，雖然能較好地代表大興安嶺林區(qū)的地勢地貌、林相基本情況，但是不能代表內(nèi)蒙古林區(qū)、長白山林區(qū)、小興安嶺林區(qū)等地的地勢地貌、林相情況。在建設(shè)經(jīng)費及資源允許的情況下，應(yīng)該考慮以多個林區(qū)為依據(jù)設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，這樣能夠拓寬學(xué)生的知識面，有利于為國家培養(yǎng)出應(yīng)用復(fù)合型人才。

3.3 虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)是以林區(qū)的簡化模型為依據(jù)進行設(shè)計 森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)建立的是我國東北林區(qū)大興安嶺林管局某一林場的簡化模型，因此林區(qū)個別細節(jié)被忽略，不能夠完全代表林區(qū)的實際情況。學(xué)生應(yīng)當(dāng)認識到在實際森工規(guī)劃作業(yè)時不能照搬在虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)中用到的方法，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況并結(jié)合教師上課講授的理論進行森工規(guī)劃作業(yè)。

4 結(jié)語

森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)是融合了多媒體技術(shù)、聲光電一體化控制技術(shù)等技術(shù)的綜合虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。將森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用到森工規(guī)劃課程教學(xué)當(dāng)中，對培養(yǎng)應(yīng)用復(fù)合型人才，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)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(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)為模擬實驗教學(xué)搭起了一個逼真、生動的綜合實驗平臺，可以節(jié)省大量的實驗實習(xí)經(jīng)費，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，為提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高水平人才發(fā)揮著其自身的作用。該研究只是對森工規(guī)劃虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在森工規(guī)劃教學(xué)中的應(yīng)用進行了初步研究分析，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)高校相關(guān)專業(yè)、森工企業(yè)培訓(xùn)部門、林管局培訓(xùn)部門等相關(guān)單位的模擬實驗教學(xué)起到一定的指導(dǎo)、參考作用。

參考文獻

[1] 周新年.面向21 世紀(jì)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(xué)研究 [ C]//黑龍江省高等教育學(xué)會.高教科研論文集.哈爾濱：黑龍江省人民出版社，2008：533-535.

[3] 肖生苓，王立海，張佩劍，等.國家級森林工程實驗教學(xué)示范中心建設(shè)與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（5）：151-154.

[4] 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.

[5] 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(xué)，2002，38（2）：144-151.

[6] 胡小飛，陳伏生，葛剛.森林采伐對林地表層土壤主要特征及其生態(tài)過程的影響[J].土壤通報，2007，38（6）：1213-1218.

[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(xué)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(xué)學(xué)報，2008，30（1）：127-132.

[10] 侯衛(wèi)萍，薛偉，辛穎，等.《森工規(guī)劃設(shè)計》課程中網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與課堂教學(xué)的整合研究[J].森林工程，2013，29（6）：176-178.

[11] 吳美嬌，項國雄.國家精品課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源現(xiàn)狀分析與優(yōu)化[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2009（2）：39-44.

[12] 張鋼，王春茹，黃永慧，等.基于項目學(xué)習(xí)的教學(xué)模式實驗環(huán)境構(gòu)建[J].實驗室研究與探索，2012（8）：292-296.

[13] 龔維，丁彤，何穎，等.關(guān)于如何培養(yǎng)高校理工科學(xué)生實踐動手能力的探索與實踐[J].高等教育研究（成都），2010（4）：64-66.

[14] 劉蜀知，鄭家武，董海英，等.深化實踐教學(xué)改革強化學(xué)生實踐動手能力[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2006（3）：39-41.

[15] 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(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2007，26（6）：138-141.