發(fā)布時間：2021-04-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為了解決木材生產(chǎn)作業(yè)實驗實踐環(huán)節(jié)的高危險性、森林采伐的不可逆性以及采伐對生態(tài)環(huán)境的破壞性等諸多問題，依托東北林業(yè)大學(xué)森林工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心平臺，開發(fā)了木材生產(chǎn)虛擬仿真實驗項目，指出能夠全方位、立體化真實再現(xiàn)森林工程學(xué)科實
摘要：為了解決木材生產(chǎn)作業(yè)實驗實踐環(huán)節(jié)的高危險性、森林采伐的不可逆性以及采伐對生態(tài)環(huán)境的破壞性等諸多問題，依托東北林業(yè)大學(xué)森林工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心平臺，開發(fā)了木材生產(chǎn)虛擬仿真實驗項目，指出能夠全方位、立體化真實再現(xiàn)森林工程學(xué)科實踐實訓(xùn)場景，通過虛擬交互完成實驗內(nèi)容，提出了借助虛擬仿真技術(shù)讓小課堂變成了大型實驗基地，拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度。
關(guān)鍵詞：木材生產(chǎn);虛擬仿真;實驗項目;考核方法
實驗教學(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，實驗教學(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]。實驗教學(xué)水平也是某專業(yè)在科研水平和教學(xué)質(zhì)量方面的一個評價指標(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，實驗教學(xué)的手段和方式也不斷地進(jìn)行改進(jìn)。虛擬仿真實驗教學(xué)項目就是伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運而生的。虛擬仿真實驗教學(xué)不僅能彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗的軟肋，解決一些很難實現(xiàn)或不能實現(xiàn)的問題，而且還能緩解實驗資源的不足，解決實驗經(jīng)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(xué)項目的建設(shè)工作，鼓勵不同的學(xué)校、不同的專業(yè)探索個性化的實驗實踐教學(xué)方法和模式，依托數(shù)字化的特點，逐步形成開放共享、教學(xué)效果優(yōu)良的實驗教學(xué)體系[4]。
1虛擬仿真實驗項目建設(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)計劃”復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)林人才培養(yǎng)改革試點專業(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驗教學(xué)中心被批準(zhǔn)為首批國家級虛擬仿真實驗教學(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、最重要的知識點之一[12]。然而由于木材生產(chǎn)涉及到森林經(jīng)營、采伐、集材、運材、制材等多個方面，其實際的實驗環(huán)節(jié)存在著周期長、危險性高等因素，使得木材生產(chǎn)的實驗實踐學(xué)習(xí)受到制約，同時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驗教學(xué)的難度[13]。總的來說，木材生產(chǎn)實驗教學(xué)中主要面臨以下4個方面的難題。
1)采伐機(jī)、集材機(jī)、龍門吊等大型實驗設(shè)備數(shù)量少、設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、運行成本極高，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，使得實驗教學(xué)的質(zhì)量難以保障。
2)木材生產(chǎn)實驗環(huán)節(jié)存在著高危險性。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Γ@些不安全因素使得實驗教學(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。森林采伐是一個不可逆的過程，而且現(xiàn)在國家實行森保政策，森林采伐實驗難以開展。
4)木材生產(chǎn)實驗實踐環(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)行實習(xí)，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(shè)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(fā)了木材生產(chǎn)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(xué)一流課程稱號。該項目能夠全方位、立體化真實再現(xiàn)森林工程學(xué)科實踐實訓(xùn)場景，通過虛擬交互完成實驗內(nèi)容，借助虛擬仿真技術(shù)讓小課堂變成了大型實踐實訓(xùn)基地，拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，有效地解決了實驗實踐環(huán)節(jié)存在的困難和問題。
通過木材生產(chǎn)實訓(xùn)虛擬仿真實驗項目，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;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虛擬仿真實驗項目建設(shè)的內(nèi)容
木材生產(chǎn)虛擬仿真實驗項目包含森林經(jīng)營、伐木作業(yè)、集材作業(yè)、原條造材及選材、原木制材5個模塊。木材生產(chǎn)虛擬仿真實驗項目界面見圖1。
3.1森林經(jīng)營可視化模擬模塊
模塊的實驗內(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)實技術(shù)，構(gòu)建森林對象，對現(xiàn)實世界的林分結(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。具體實驗內(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。可對不同方式的伐木作業(yè)進(jìn)行對比分析(如時間、成本、生產(chǎn)效率、林地擾動、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個實驗內(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)時間、效率及林地擾動情況進(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，同時研究不同方案的作業(yè)生產(chǎn)率、成本及林地擾動情況。
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，按材種計劃，列出各種備選量材方案，并按售價最大化原則，給出最優(yōu)的量材方案，對備選方案與量材方案進(jìn)行比較和評價分析。原木選材包括原木的篩選、吊運及裝卸作業(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。
相關(guān)期刊推薦：《科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力》創(chuàng)刊于1980年，由太原市科技系統(tǒng)的內(nèi)部刊物已發(fā)展成為國內(nèi)公開發(fā)行的綜合性科技刊物，是中國期刊全文等數(shù)據(jù)庫的來源期刊，跨入了我省綜合類科技期刊十強(qiáng)。設(shè)有：重點關(guān)注、專家視野、成果轉(zhuǎn)化、信息發(fā)布、清潔能源、制造業(yè)信息化、決策參考、應(yīng)用研究、科教興市等欄目。
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)的實驗實踐教學(xué)體系，采用先進(jìn)的智能技術(shù)、程控技術(shù)、氣動技術(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)與自動選材技術(shù)的實踐教學(xué)問題，解決學(xué)生對貯木場原木自動化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計、自動化控制、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化生產(chǎn)裝備設(shè)計等實驗實踐的教學(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，進(jìn)而實現(xiàn)木材的高效低耗利用。
4實驗考核的方式和方法
所開發(fā)的木材生產(chǎn)虛擬仿真實驗項目利用數(shù)字化的特點和森林工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的優(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)利用虛擬仿真實驗平臺進(jìn)行實驗報告和實驗過程的管理。在實驗過程中，學(xué)生在線進(jìn)行實時操作，系統(tǒng)記錄并分析學(xué)生的操作過程，對實驗操作的規(guī)范性和流程性進(jìn)行考核，形成考核成績，通過自動考核方法能使教師準(zhǔn)確地掌握學(xué)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(xué)平臺的評估考核功能。為了讓學(xué)生能更好地對學(xué)習(xí)效果進(jìn)行自我評估，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺提供自動考核功能，學(xué)生在完成實驗結(jié)果的提交后，平臺可自動評閱，直接顯示分?jǐn)?shù)和失分點。系統(tǒng)還提供實驗考核功能，可自動辨別學(xué)生在實驗過程中的熟練程度和正確率，根據(jù)實驗操作中存在的錯誤對欠缺的知識點進(jìn)行整理并提供給學(xué)生，實現(xiàn)對實驗動態(tài)過程的管理。
3)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺提供數(shù)據(jù)分析功能。可以實現(xiàn)實驗成績的自動統(tǒng)計和匯總，為教師提供方便。為了能使教師更好地了解學(xué)生的實驗水平，平臺提供數(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虛擬仿真實驗項目的特色與創(chuàng)新
1)強(qiáng)化生態(tài)文明，提高作業(yè)安全意識。將生態(tài)文明意識融入到森林工程虛擬仿真實驗教學(xué)項目中。木材生產(chǎn)虛擬仿真項目，本著“虛實結(jié)合、以虛補(bǔ)實、以實促虛”的原則，借助虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，融入林業(yè)可持續(xù)發(fā)展、水土資源保護(hù)、動物保護(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。通過真實再現(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)生在虛擬體驗式教學(xué)過程中深刻體驗實際森林作業(yè)環(huán)境中的危險因素，加強(qiáng)學(xué)生的安全意識。
2)通過木材生產(chǎn)虛擬仿真實驗，全方位、立體化真實再現(xiàn)森林工程學(xué)科實踐實訓(xùn)場景，克服了由于木材生產(chǎn)作業(yè)的高危險性、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)方式難以滿足實踐實訓(xùn)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(shù)讓小課堂變成了大型實踐實訓(xùn)基地。
3)森林工程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺融合了實驗方案“設(shè)計—實施—效果評價—方案整改—再評價”的整個環(huán)節(jié)，在優(yōu)化實驗方案的同時使學(xué)生更好地對所學(xué)的理論知識進(jìn)行深刻體驗。借助虛擬仿真實驗教學(xué)項目，學(xué)生可以自主選擇實驗時間及實驗項目，自主設(shè)計實驗，可充分調(diào)動學(xué)生自主能動性，成為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實踐實訓(xùn)平臺。
6結(jié)束語
木材生產(chǎn)虛擬仿真實驗項目依托東北林業(yè)大學(xué)森林工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心平臺，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、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)資源并實現(xiàn)共享。該實驗教學(xué)項目提高了實驗教學(xué)質(zhì)量，在人才培養(yǎng)方面發(fā)揮了重要的作用。——論文作者：李耀翔，狄海廷，楊德嶺
