李耀翔，狄海廷，楊德嶺

（東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育教學(xué)的重要組成部分，隨著教育的發(fā)展和進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的能力和素質(zhì)過程中起著越來越重要的作用[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平也是某專業(yè)在科研水平和教學(xué)質(zhì)量方面的一個(gè)評價(jià)指標(biāo)[2]。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和與之相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的手段和方式也不斷地進(jìn)行改進(jìn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目就是伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的軟肋，解決一些很難實(shí)現(xiàn)或不能實(shí)現(xiàn)的問題，而且還能緩解實(shí)驗(yàn)資源的不足，解決實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)方面的問題[3]。教育部從2017 年起開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作，鼓勵(lì)不同的學(xué)校、不同的專業(yè)探索個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方法和模式，依托數(shù)字化的特點(diǎn)，逐步形成開放共享、教學(xué)效果優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[4]。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的背景

東北林業(yè)大學(xué)森林工程專業(yè)始建于1952 年，是國家級特色專業(yè)，2014 年被教育部、農(nóng)業(yè)部和國家林業(yè)局聯(lián)合列為“卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計(jì)劃”復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)林人才培養(yǎng)改革試點(diǎn)專業(yè)[5-7]。森林工程專業(yè)是以森林生態(tài)資源建設(shè)與保護(hù)、開發(fā)與利用為目的的一門綜合性應(yīng)用專業(yè)。它以森林生態(tài)學(xué)為依據(jù)研究森林合理采伐的方式和集材方式，研究木材生產(chǎn)的優(yōu)化規(guī)劃方案，進(jìn)行相應(yīng)的組織管理并獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益[8-9]。2014 年森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心被批準(zhǔn)為首批國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[10-11]。

“木材生產(chǎn)技術(shù)”是森林工程專業(yè)中最核心、最重要的知識(shí)點(diǎn)之一[12]。然而由于木材生產(chǎn)涉及到森林經(jīng)營、采伐、集材、運(yùn)材、制材等多個(gè)方面，其實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在著周期長、危險(xiǎn)性高等因素，使得木材生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐學(xué)習(xí)受到制約，同時(shí)森林采伐的不可逆性以及采伐對生態(tài)環(huán)境的破壞性加劇了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難度[13]?？偟膩碚f，木材生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要面臨以下4 個(gè)方面的難題。

1） 采伐機(jī)、集材機(jī)、龍門吊等大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少、設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、運(yùn)行成本極高，一般這些大型設(shè)備只能通過視頻展示或者進(jìn)行理論講解，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量難以保障。

2） 木材生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在著高危險(xiǎn)性。例如，采伐過程中學(xué)生容易受到伐倒樹木、采伐集材機(jī)械等設(shè)備的操作不當(dāng)?shù)仍斐傻囊馔鈧?，這些不安全因素使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到了很大局限。

3） 森林采伐的不可逆性以及采伐對生態(tài)環(huán)境的破壞性。森林采伐是一個(gè)不可逆的過程，而且現(xiàn)在國家實(shí)行森保政策，森林采伐實(shí)驗(yàn)難以開展。

4） 木材生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)通過校企合作，學(xué)生每年都要赴東北的各林業(yè)局進(jìn)行實(shí)習(xí)，面臨著外出時(shí)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(shí)驗(yàn)實(shí)踐的效果得不到保障[14-15]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的目的

為了解決上述困難，克服野外實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的受限性，開發(fā)了木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在2020年獲得了首批國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程稱號(hào)。該項(xiàng)目能夠全方位、立體化真實(shí)再現(xiàn)森林工程學(xué)科實(shí)踐實(shí)訓(xùn)場景，通過虛擬交互完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，借助虛擬仿真技術(shù)讓小課堂變成了大型實(shí)踐實(shí)訓(xùn)基地，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，有效地解決了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的困難和問題。

通過木材生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可高效地學(xué)習(xí)和掌握以下內(nèi)容：一是掌握木材生長的動(dòng)態(tài)模型；二是掌握油鋸、伐木頭等伐木設(shè)備的工作原理及伐木的技術(shù)要領(lǐng)；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(diǎn)；五是了解選材的方法及其基本原理；六是了解伐區(qū)清理的基本方法。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的內(nèi)容

木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含森林經(jīng)營、伐木作業(yè)、集材作業(yè)、原條造材及選材、原木制材5 個(gè)模塊。木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面見圖1。

圖1 木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面

3.1 森林經(jīng)營可視化模擬模塊

模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括林分結(jié)構(gòu)可視化和森林經(jīng)營可視化。林分結(jié)構(gòu)可視化是以地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)為內(nèi)容，結(jié)合相關(guān)模型和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建森林對象，對現(xiàn)實(shí)世界的林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬、分析、預(yù)測等。森林經(jīng)營可視化以解決復(fù)雜的森林管理規(guī)劃和經(jīng)營問題為目標(biāo)，以森林環(huán)境可視化為載體，以森林經(jīng)營理論為基礎(chǔ)，對森林生長及相關(guān)問題進(jìn)行定性與定量的分析。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：森林的生長過程模擬、撫育間伐的經(jīng)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(yōu)的經(jīng)營方案及措施選取、預(yù)測未來森林狀況、森林經(jīng)營活動(dòng)對森林狀況的影響。

3.2 伐木作業(yè)虛擬仿真模塊

它是在虛擬森林環(huán)境中對伐木作業(yè)進(jìn)行流程模擬和可視化模擬。即結(jié)合虛擬森林環(huán)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(jié)構(gòu)等信息，根據(jù)系統(tǒng)提供的不同的伐木機(jī)械、不同的伐木強(qiáng)度、不同的伐木方式進(jìn)行伐木作業(yè)仿真?？蓪Σ煌绞降姆ツ咀鳂I(yè)進(jìn)行對比分析（如時(shí)間、成本、生產(chǎn)效率、林地?cái)_動(dòng)、生態(tài)環(huán)境影響），從中選出最優(yōu)的采伐模式。具體可以模擬油鋸伐木作業(yè)、聯(lián)合伐木機(jī)伐木作業(yè)、油鋸拆裝、伐木機(jī)拆裝、伐區(qū)清理5 個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.3 集材作業(yè)虛擬仿真模塊

集材作業(yè)虛擬仿真是以林區(qū)地形、地貌基本數(shù)據(jù)及林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)械作業(yè)基本數(shù)據(jù)，對不同集材機(jī)械作業(yè)時(shí)間、效率及林地?cái)_動(dòng)情況進(jìn)行模擬研究。模塊包含了主要的集材方式，如集材機(jī)集材、拖拉機(jī)集材、裝載機(jī)集材、索道集材、畜力集材、滑道集材等，可以分析作業(yè)機(jī)械、林分、作業(yè)方式之間的關(guān)系，同時(shí)研究不同方案的作業(yè)生產(chǎn)率、成本及林地?cái)_動(dòng)情況。

3.4 原條造材及選材作業(yè)虛擬仿真模塊

原條造材是根據(jù)輸入的原條長級、徑級及各種木材缺陷，按材種計(jì)劃，列出各種備選量材方案，并按售價(jià)最大化原則，給出最優(yōu)的量材方案，對備選方案與量材方案進(jìn)行比較和評價(jià)分析。原木選材包括原木的篩選、吊運(yùn)及裝卸作業(yè)，可分析出不同作業(yè)模式下的生產(chǎn)效率及作業(yè)成本。

模塊是集現(xiàn)代原木生產(chǎn)管理理念和先進(jìn)工藝技術(shù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，采用先進(jìn)的智能技術(shù)、程控技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、光電感應(yīng)量材技術(shù)和原木生產(chǎn)信息化管理技術(shù)，展現(xiàn)原木自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)參數(shù)和原木生產(chǎn)系統(tǒng)布局，解決原條造材優(yōu)化技術(shù)與自動(dòng)選材技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)問題，解決學(xué)生對貯木場原木自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制、智能技術(shù)、原條造材優(yōu)化、貯木場原木生產(chǎn)信息化管理和原木自動(dòng)化生產(chǎn)裝備設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的教學(xué)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(jù)開發(fā)的數(shù)學(xué)模型，基于掃描的原木外部缺陷信息而獲得內(nèi)部缺陷信息，并將所有的信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫的調(diào)用可以模擬原木的三維可視化（包括各種彎曲形狀、外部、內(nèi)部缺陷空間位置），然后對其進(jìn)行虛擬鋸切，最后顯示鋸切后的三維板材并將鋸切結(jié)果存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。模塊對可視化的三維原木進(jìn)行虛擬鋸切及優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)木材的高效低耗利用。

4 實(shí)驗(yàn)考核的方式和方法

所開發(fā)的木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目利用數(shù)字化的特點(diǎn)和森林工程國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢，通過以下方法對學(xué)生進(jìn)行全方位、系統(tǒng)的考核。

1） 利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)過程的管理。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生在線進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，系統(tǒng)記錄并分析學(xué)生的操作過程，對實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性和流程性進(jìn)行考核，形成考核成績，通過自動(dòng)考核方法能使教師準(zhǔn)確地掌握學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)際情況。

2） 利用森林工程國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的評估考核功能。為了讓學(xué)生能更好地對學(xué)習(xí)效果進(jìn)行自我評估，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供自動(dòng)考核功能，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的提交后，平臺(tái)可自動(dòng)評閱，直接顯示分?jǐn)?shù)和失分點(diǎn)。系統(tǒng)還提供實(shí)驗(yàn)考核功能，可自動(dòng)辨別學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的熟練程度和正確率，根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作中存在的錯(cuò)誤對欠缺的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整理并提供給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)過程的管理。

3） 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)分析功能?？梢詫?shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)成績的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和匯總，為教師提供方便。為了能使教師更好地了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平，平臺(tái)提供數(shù)據(jù)挖掘模塊，可通過各種數(shù)據(jù)的分析，為教師提供更多有效信息。

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新

1） 強(qiáng)化生態(tài)文明，提高作業(yè)安全意識(shí)。將生態(tài)文明意識(shí)融入到森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中。木材生產(chǎn)虛擬仿真項(xiàng)目，本著“虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、以實(shí)促虛”的原則，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，融入林業(yè)可持續(xù)發(fā)展、水土資源保護(hù)、動(dòng)物保護(hù)等生態(tài)條件，模擬森工規(guī)劃、木材生產(chǎn)等一系列作業(yè)過程中的生態(tài)問題及環(huán)境效應(yīng)，強(qiáng)化學(xué)生的生態(tài)文明意識(shí)。通過真實(shí)再現(xiàn)森林作業(yè)環(huán)境中苛刻的自然條件及高危作業(yè)情景，使學(xué)生在虛擬體驗(yàn)式教學(xué)過程中深刻體驗(yàn)實(shí)際森林作業(yè)環(huán)境中的危險(xiǎn)因素，加強(qiáng)學(xué)生的安全意識(shí)。

2） 通過木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，全方位、立體化真實(shí)再現(xiàn)森林工程學(xué)科實(shí)踐實(shí)訓(xùn)場景，克服了由于木材生產(chǎn)作業(yè)的高危險(xiǎn)性、森林采伐的不可逆性以及采伐對生態(tài)環(huán)境的破壞性等因素造成的傳統(tǒng)方式難以滿足實(shí)踐實(shí)訓(xùn)的需求，有效解決了野外實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的受限性，借助虛擬仿真技術(shù)讓小課堂變成了大型實(shí)踐實(shí)訓(xùn)基地。

3） 森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)融合了實(shí)驗(yàn)方案“設(shè)計(jì)—實(shí)施—效果評價(jià)—方案整改—再評價(jià)”的整個(gè)環(huán)節(jié)，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的同時(shí)使學(xué)生更好地對所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行深刻體驗(yàn)。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，學(xué)生可以自主選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主能動(dòng)性，成為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

6 結(jié)束語

木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依托東北林業(yè)大學(xué)森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)，以森林工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案和木材生產(chǎn)技術(shù)與管理、森工規(guī)劃設(shè)計(jì)、森工機(jī)械與裝備、森工裝備仿真技術(shù)等課程的大綱為依托，以提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力為宗旨，借助先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)多元化虛擬仿真教學(xué)資源并實(shí)現(xiàn)共享。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，在人才培養(yǎng)方面發(fā)揮了重要的作用。