基于森工规划虚拟仿真实验教学系统的森工规划教学研究

薛 伟，郭德禹 (东北林业大学，黑龙江哈尔滨150040)

森林工程是森林资源建设与保护、开发与利用中的非生物工程［1］。森工规划是森林工程专业必修的一门专业重点课程，主要涉及林业区划与林业生产规划、森林经营方针与生产规模、伐区规划、运输规划、贮木场规划、天然林择伐采运技术、林分改造、林产品加工规划及多种经营规划、森林经营方案的附属工程规划等几个方面。由于森工作业的特殊性，相关实验、实习受到自然条件及生态条件的限制［2］，如木材生产作业的高危性、森林采伐的不可逆性以及采伐对生态环境的破坏性等。为了有效解决野外实验实训的受限性，利用多媒体程控沙盘结合声光电一体化控制，模拟林区真实作业场景，为学生真实再现林区作业情景。

1 森工规划虚拟仿真实验教学系统在教学中的应用

早在2003年，森林工程实验教学中心就开始探索虚拟仿真实验项目的开发，2005年在国内同行业率先开发了森工规划虚拟仿真实验教学系统［3］，利用多媒体程控沙盘结合声光电一体化控制技术，模拟林区真实作业场景，为学生真实再现林区作业情景。把虚拟仿真实验教学系统应用到森工规划教学中，用以模拟森工规划作业的各个过程。

1.1 模拟森林采伐作业 森林采伐是对森林进行的一项经营管理活动，是森工作业中的一个重要环节［4－6］。森林的采伐方式(主要包括皆伐、择伐和渐伐)、采伐强度的选择受到地势条件、光照条件、土壤条件、周围环境等因素的影响。为了更好地让学生深刻地理解森林采伐作业，合理地选择采伐方式及采伐强度，利用沙盘模拟林地真实环境，结合声光电一体化控制技术及计算机多媒体技术模拟森林不同采伐方式及不同采伐强度，并且在沙盘的森林采伐作业区域内，可以模拟用油锯伐倒单木的过程，使学生更加了解伐木过程及伐木技术。

1.2 模拟原条集材作业 集材作业是继采伐作业后的一道重要工序，是指将木材从采伐作业地点汇集到山上楞场或装车场的作业［7］。在我国东北林区主要采取原条集材作业方式，即将林木打枝后直接运往山上楞场或装车场。目前我国主要的集材方式有蓄力集材、拖拉机集材、架空索道集材等集材方式，集材方式的选择受到山地条件、林地状况、采伐区域等因素的影响。在沙盘上山地条件、林地状况、采伐区域等均可直观显示，学生综合利用沙盘可较好地模拟出不同状况下的集材方式。

1.3 模拟木材运输作业 木材运输是指将山上楞堆或装车场的木材运输到山下贮木场的过程。目前我国主要采用林区公路运输、森铁运输、水陆运输等木材运输方式，使用沙盘并且结合声光电一体化控制技术可以逼真地再现木材运输的全过程。

1.4 模拟贮木场生产作业 贮木场具有木材生产、贮存和销售三大特性，在木材的产销之间起调节和缓冲作用［8］。贮木场生产作业主要包括装卸车、造材、选材、归楞等生产工艺。森工规划虚拟仿真实验教学系统的沙盘中安放有起重机模型，结合声光电一体化控制可模拟起重机起吊及卸载过程;沙盘中同时内置了原条自动化生产线模型，可逼真地模拟造材、选材的过程。

1.5 模拟林业局局场址优化设计及林区道路选线 林业局局场址的选择受到所规划的伐区的地势地貌、森林资源分布、树种组成和森林蓄积量、林业生产要求等因素的影响，合理地对林业局局场址进行优化设计对森工生产作业的有序进行起到了保障作用。可利用森工规划虚拟仿真实验教学系统模拟林业局局场址优化设计。

林区道路是林区的血脉，是林区人民生活和木材生产利用及资源开发的纽带。林区道路的状况直接关系到整个林区的交通运输、木材的生产成本、森林防火等一系列问题［9］。可利用森工规划虚拟仿真实验教学系统现有的林区道路、地势地貌模拟林区道路选线。

2 森工规划虚拟仿真实验教学系统在森工规划教学中的优势

森工规划虚拟仿真实验教学系统在森工规划教学中的应用弥补了传统教学模式的不足，在森工规划教学中发挥着极其重要的作用。利用多媒体程控沙盘模拟真实过程，在教学中存在着诸多优势，主要体现在以下几点。

2.1 实时评判学生设计作业 森工规划虚拟仿真实验教学系统具有自身的评价体系，学生在完成相关的规划设计后，系统可根据学生设计的合理与否，输出一个成绩，这能够使学生实时了解自己规划设计的效果，便于学生及时修改，同时也减轻了教师的工作负担，有利于提高课堂授课效率。

2.2 改变了传统的人才培养模式 传统的教学模式基本上只局限于教师课堂讲解［10－12］，学生只是根据教师所提供的文本、图片、音频、视频等辅助资料进行学习，对所学知识不能达到一个客观的认识。多媒体程控沙盘可以帮助学生客观认识，更容易接受教师所教授的内容，对所学到的知识记忆深刻。这种教学方式使人才培养模式由“教师为主，学生为辅”到“师生互动”方向转变，不但激发了学生学习的兴趣，调动了学生学习的积极性，而且教师所教授的知识更易被学生接受。在“师生互动”的过程中必然会出现一系列的问题，通过学生之间相互讨论及教师的适当点拨和引导，使问题得以解决，收到了良好的教学效果。

2.3 培养了学生综合运用所学知识的能力 森工规划虚拟仿真实验教学系统涉及较广的基础知识及专业知识，学生想要更好地利用该系统模拟实际问题，需要综合运用所学知识进行分析。比如:模拟木材运输过程时，学生应当掌握林区道路网、运输车辆的性质及优缺点、优化设计理论等一系列理论知识，才能更好地设计出最优路线，选择出最优运输方式，达到最佳的效益。森工规划虚拟仿真实验教学系统在森工规划教学中的成功应用，为培养和提高学生综合运用所学知识、解决实际问题的能力起到了良好的作用。

2.4 提高了学生的动手能力 森工规划是一门理论紧密结合实际的课程，在课程教学结束之后，会安排学生进行一次课程设计。森工规划课程设计要求学生综合利用所学知识，通过动手操作，独立或协同完成。森工规划虚拟仿真实验教学系统为学生提供了一个良好的综合实验平台，学生可根据各自的需要在沙盘上自行进行设计模拟。学生通过实践学习，能很好地提高自己的动手能力［13－14］。

2.5 培养了学生协同合作的精神 森工规划虚拟仿真实验教学系统是一套可对森工规划课程所讲授内容进行模拟的综合实验平台，学生对森工作业各个过程进行模拟时，需要多人进行相互合作，共同完成。在模拟过程中遇到问题及产生不同的观点，就需要相互沟通交流，这一过程对学生表达能力的提高及沟通技能的提升起到了很好的锻炼作用。让学生协同合作解决一个甚至几个问题，对培养学生的团队精神起到了极其重要的作用，让学生认识到协同合作的重要性。

3 森工规划虚拟仿真实验教学系统在森工规划教学中的局限性

3.1 虚拟仿真实验教学系统毕竟是“模拟” 森工规划是一个系统、复杂的作业过程，想要达到对其完全的模拟是难以实现的。森工规划虚拟仿真实验教学系统只能对森工规划所涉及的具有代表性的作业过程进行模拟，而不能对其所有作业过程进行模拟。此虚拟仿真实验教学系统的目的是让学生对森工规划主要作业过程有一个直观的认识，学生不应把在虚拟仿真实验教学系统中进行的模拟实验过程视为实际作业过程，因此学生要正确看待虚拟仿真实验教学系统在教学中的应用［15］。

3.2 虚拟仿真实验教学系统以特定林区为依据进行设计森工规划虚拟仿真实验教学系统是以我国东北林区大兴安岭林管局某一林场的地势地貌、林相组成等基础数据为依据进行设计的，虽然能较好地代表大兴安岭林区的地势地貌、林相基本情况，但是不能代表内蒙古林区、长白山林区、小兴安岭林区等地的地势地貌、林相情况。在建设经费及资源允许的情况下，应该考虑以多个林区为依据设计虚拟仿真实验教学系统，这样能够拓宽学生的知识面，有利于为国家培养出应用复合型人才。

3.3 虚拟仿真实验教学系统是以林区的简化模型为依据进行设计 森工规划虚拟仿真实验教学系统建立的是我国东北林区大兴安岭林管局某一林场的简化模型，因此林区个别细节被忽略，不能够完全代表林区的实际情况。学生应当认识到在实际森工规划作业时不能照搬在虚拟仿真实验教学系统中用到的方法，应当根据实际情况并结合教师上课讲授的理论进行森工规划作业。

4 结语

森工规划虚拟仿真实验教学系统是融合了多媒体技术、声光电一体化控制技术等技术的综合虚拟仿真实验教学系统。将森工规划虚拟仿真实验教学系统应用到森工规划课程教学当中，对培养应用复合型人才，培养学生综合运用所学知识的能力，提高学生的动手能力，培养学生协同合作的精神等方面起到了极其重要的作用。尽管存在一些不足，但是森工规划虚拟仿真实验教学系统为模拟实验教学搭起了一个逼真、生动的综合实验平台，可以节省大量的实验实习经费，改变了传统的教学模式，为提高教学质量，培养高水平人才发挥着其自身的作用。该研究只是对森工规划虚拟仿真实验教学系统在森工规划教学中的应用进行了初步研究分析，希望能够对相关高校相关专业、森工企业培训部门、林管局培训部门等相关单位的模拟实验教学起到一定的指导、参考作用。

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