森林作业与规划动态仿真实验室建设

2013-09-08巫志龙周成军周新年张正雄沈嵘枫

实验技术与管理 2013年8期

巫志龙，周成军，周新年，张正雄，沈嵘枫，李纲

（福建农林大学交通与土木工程学院，福建福州 350002）

高校实验室是学校教学、科研、科技开发及人才培养过程中的必备条件［1－2］。实践教学是学校教学工作的重要组成部分，在人才创新能力及全面素质提高方面有着其他教学环节不可替代的独特作用［3－5］。过去，在森林作业与规划的教学内容、教学方法和教学手段等诸方面存在较多问题，概括起来可以用“内容陈旧、手段落后”来形容［6－7］。改革开放以来，围绕专业建设与拓宽专业面等方面，我校森林工程学科对专业培养计划进行了一系列的探索和改革，取得显著成效［8－9］。

21世纪的人才教育方向是培养开放型、应用型与复合型的高素质人才。近年来，我们在多年专业建设的基础上，新出版了《工程索道与柔性吊桥—理论·设计·案例》、《木材生产技术与管理》、《林业工程概论》、《森工与土木工程科技进展》、《山地森林作业系统优化技术》等系列教材。虽然教学内容得到更新，但实践教学手段依然比较落后。传统教学手段已不能体现现代森林工程学科的发展前沿，也无法满足森林工程及相关专业的实践教学要求［6，10－11］。因此，构建适应我国南方森林作业与规划实践教学要求的动态仿真实验室，更新教学手段和创新教学方法，适应21世纪经济、社会、科技和文化发展的需要，培养“基础扎实、知识面宽、创新能力强、综合素质高、适应性广”的高质量森林工程专业人才，服务海西新农村和广大林区的建设与发展，具有极其重要的意义。

1 动态仿真实验室的建设背景

（1）20世纪80年代中期，我国林业高校曾引进加拿大、哥伦比亚、原西德等国相关专业教学片；我国较早的森林工程专业教育音像教材是由农业部组织摄制于1977年的电影《森林采运》。由于受时代的局限，这些教学片的技术和知识层次都比较低。

（2）1988年林业部林业干部学校摄制了《内蒙古大兴安岭木材生产工艺与设备》音像带，比较详尽地介绍了森林作业木材生产的全过程，涉及了森林采运机械与设备、作业技术和工艺。但是，这些教学片只介绍了我国东北林区的情况。限于当时的学科理论和科技发展水平，在表现手法上流于图解式，内容上已不能反映当前森林工程专业前沿技术以及新的科研成果，缺乏有纵向深度的技术发展沿革、横向广度的综合性成果、以及对林业本身的全面深刻的认识，不能体现林业现代两大体系（森林生态体系和林业产业体系）和林业可持续发展的理念，更无与影音配套的动态仿真实物模型，其缺陷明显已不适应现代的教学要求。

（3）20世纪80年代后期起，随着人们对森林生态环境的关注，森林为人类提供种类更多、质量更高的有形、无形产品的观念已渗入到森林作业与规划的全过程。针对我国南方人工林资源条件的开发利用，出现了一系列的轻型、小型采集机械与装备，及其与之相适应的生产工艺和崭新的森工采运技术模式［12－13］。近30多年的科学技术的发展，森林工程与相关学科互相渗透，产生了众多的学科交汇点和产业链。当前，我国林业整体处于上升时期，特别在南方，人工林进入成熟林阶段，对森林工程学科提出了全新的内涵和新的增长点。

福建农林大学森林工程专业创建于1958年，55年来一直坚持以科研促进教学和产学研创新培养之路，为突出农林高等院校工科专业办学特色，该专业在培养服务新农村和林区建设的应用型人才方面做了很多工作。多年产学研的成果以及在森林工程、物流管理、交通运输、土木工程方面的教学积累促使我们建立森林作业与规划动态仿真实验室，以特殊表现手法和大信息量对学生进行专业教育。

2 动态仿真实验室的构建

2.1 电控动态仿真模型

动态仿真主体实物模型选择南方林区代表性地形和林相，立体化展现南方森工林区内的山形、地势、沟壑、丘陵、水系以及行政区域（局、场址、生活区）等。40m2的微缩立体实物模型采用模块化设计和制作，而后将多个模块拼接而成，细致、动态、逼真地展示森林作业与规划的整个木材生产工艺流程（采伐—集材—运材—贮木场作业），形象直观地模拟伐木与树木倾倒、拖拉机集材、索道集材、山场装车、陆路和水路运材、贮木场选材及木材装卸等每一道生产工序的作业过程。实物模型上各种树木设计均根据南方林区林相图及林分组成（如针叶、阔叶、乔、灌木丛、地表植被）按比例制作，与实际形体相符，层次分明；在模型中突出主要河流的表面，明晰林区水系分布；道路制作按国家道路最新规划标准，利用灯光变化来体现交通体系，重点的道路布置频闪流动灯光；主要建筑雕刻成型后无缝拼接，建筑物有灯光照明，即体现建筑的特性，又与周围环境相呼应。实物模型各模块动态仿真采用微电子电路和无线电技术，实现智能控制和信号传输，设备包括声、光、电控制系统及软件，音响、声控设备、灯光设备，摄影仪及投影屏幕，控制采用电子触摸屏及遥控器2种方式，也可通过计算机界面控制。

2.2 配套影音教学系统

该系统是应用现代林业和森林生态采运的观点，按木材生产工序，划分森林作业与规划动态仿真教学系统模块，见图1。模块各自独立，具有各自的基本理论、主要设备及其工艺。该系统是一个有机的整体，贯穿于木材生产的全过程，同时又与现代的育苗造林、森林生态保护技术和林区规划等相互联系。

森林作业与规划动态仿真实验教学系统的设计指导思想是“遵循一条主线，突出一个重点，拓展纵、横两个方向”。“一条主线”即以森林采运工程中的采、集、运、贮系列知识为主线，按木材生产工艺流程的顺序，相应展示各工序的机械设备与工艺。在某一典型作业区内，模拟林木采伐，显示出林木倒下的过程；采用电控方式以计算机模拟25%、50%、100%的不同采伐强度；被伐倒的树木加工为原木、原条或伐倒木等不同产品形态；根据不同的山形地势，可设计全悬空索道、遥控索道和手扶拖拉机等不同集材方式，模拟通过不同集材方式将原木、原条、伐倒木等集运到地势较为平坦的山下装车场或河边楞场，再通过陆路或水路运到贮木场或需材单位的全过程。“一个重点”即突出木材生产过程中占全作业量50%以上、作业条件最复杂的集材作业，尤其是在新的森林资源人工林的集材作业。“两个拓展方向”即纵向以森林采运工程不同的发展阶段为轴，阐述森林工程发展历史及其发展趋势；横向以森林工程与相关学科，如森林生态学、技术经济学、林业人机工程学和林区交通与规划等学科相互渗透、交叉发展为主题。各模块的配套影音视频素材均来自林业生产实际和最新科研成果，着重介绍其主要特点，发展历史、最新研究成果以及发展前景等。

图1 森林作业与规划动态仿真模块

3 动态仿真实验室的特色与创新

该实验室的建设借鉴了东北林业大学森林工程专业实验教学平台建设的成功经验，通过真实再现伐区生产的所有元素，改变了传统的实验教学模式［11］。森林作业与规划动态仿真教学系统运用计算机多媒体程控技术，实现配套影音与动态仿真实物模型同步，并新增了大量最新科研成果，紧密结合当前林业生产实际，其自身特色与创新主要表现在4个方面：

（1）突出了我国南方林区特点。针对南方山地林区特点，将森林采伐、集材、运材和贮木场作业按模块化设计并制作，而后拼接为一个整体的仿真实物模型；森林采伐作业模拟包括了皆伐、择伐（强度分别为25%和50%）；在林木运输上，除陆路运材外，木材水运是一种运量大且经济、节能的方式；贮木场是木材生产的最后阶段，包括卸车、选材、造材、归楞、装车等，重点突出了装卸桥装卸木材［12］。

（2）创造了学生创新培养的条件。将森林作业与规划作业现场以仿真模型的形式搬进了课堂，采用直观、具体、理论与实际相结合的方法，让学生在逼真的环境中了解并掌握专业知识和业务流程，节约了学时，提高了效率。该实验室还可作为学生设计性和创新性实验研究平台，为学生课外创新研究提供很好的条件。

（3）突显了森林工程学科教学与科研特色。我校森林工程学科经过55年的发展，现已形成了山地森林生态采运理论与技术、工程索道与悬索桥理论及其工程应用、人工林轻型采运机械系列、山地林道网理论及其生态经济、木材剩余物综合利用及其设备、森林工程计算机应用技术等几个鲜明的特色和科研方向。利用动态仿真实验手段，坚持教学与科研相结合，将最新的科研成果融入到教学之中，及时更新教学内容，让学生及时了解学科前沿动态，增强实践教学效果，培养学生综合素质和创新思维能力。

（4）融入了工程索道领域的最新技术。索道是在南方复杂地形条件下林区使用的有效集材机械设备。除传统的畜力、拖拉机集材外，教学中结合我校工程索道科研成果，融入机械化程度高的全悬增力式索道集材和具有自主知识产权的遥控索道集材。此外，教学内容中还增加了对林区的旅游开发与保护，并着重介绍旅游客运索道开发与设计。

4 建设成效

4.1 为多个专业提供了实践教学课程

根据新世纪的课程改革和建设需要，福建农林大学以本科教育为主，把学校建设成海峡西岸经济区重点人才培养基地，把学生培养成具有创新精神和实践能力的应用型和复合型人才。结合这一办学定位，“木材生产技术与管理”、“工程索道”等课程体系和课程内容要与人才培养模式相适应，只能在更新教学内容、改革教学方法、加强实践教学上下功夫。2008年新建了森林作业与规划动态仿真实验室，以满足森林工程专业及其他相关工科专业高级专业技术创新人才培养的需要。建成后的实验室及教学系统面向我校森林工程、交通运输、物流管理和土木工程等专业的学生，以及全校公共选修的其他各专业学生，每届受益学生近1000人，具体情况见表1。

森林作业与规划动态仿真教学系统中的每一个动态实物模型均有一段影音视频与之配套，同步播放，学生既可从仿真实物模型上看到森林作业与规划的整个生产工艺具体流程，又可从配套的影音视频介绍中了解工艺流程的发展和最新研究成果。

表1 动态仿真实验室可开出的实践教学课程

4.2 总结出了一套基本教学模式

经过几年教学实践，我们摸索出了一套较为成功的、按3个基本教学环节组织的仿真教学模式。这3个基本教学环节是：课前准备；课堂播映；播后讨论。课前准备是在修读相应专业课后，教师预先根据影音教学片内容，向学生讲明下一次播放的教学片题目及扼要内容，要求学生预先思考，带着问题上课；课堂播映是教师在临播放前作必要提示或提出一些问题，播放中遇到重点或难点内容则结合实物模型作适当补充或解释说明，必要的地方可以暂停画面或者倒退重放，以加强记忆，强化效果；播后讨论是播后由教师结合教学片内容，组织展开课堂讨论，广开学生思路的重要环节（一般为4个学时）。教师在做小结时力求做到正确、精炼，同时围绕21世纪我国林业两大体系的建设、森林工程在其中的作用和地位、目前的状况和将来的发展前景、森林工程的前沿性问题和热点问题、森林工程专业教育、科研、生产的关系等主题启发学生积极思考、开拓视野，在此基础上独立完成小论文（题目不限），要求学生能够根据我国的国情、林情，用森林生态采运的观点去分析问题。实践证明，不少学生都能写出很有见解的文章，在一定意义上，这也为撰写毕业论文所做的一种模拟和写作思想准备。学生普遍反映这种教学方法很好。

5 结束语

“融课堂内外一体，扬实践实验优势，强生态文明意识，以先进的现代科学技术培养服务于林业生态体系建设和产业体系建设的高素质创新人才”是森林工程专业实践教学的理念［14］。森林作业与规划实践教学系统，在现代林业和生态采运的思想指导下，以我国南方木材生产的采伐、集材、运输和贮木场生产工艺与装备为主，兼顾全国，开拓视野，全面系统地展现不同历史发展阶段的木材生产技术，并尽可能详尽地介绍国内外现代森林作业与规划及木材物流作业的最新研究成果，动态演示配以恰当的解说，使学生产生深刻的印象，寓教育于艺术，在许多方面具有比书本和课堂讲授更理想的教学效果。

通过创新森林作业与规划的实践教学手段，为森林工程、物流管理、交通运输、土木工程及相关专业的研究生和本科生的实践教学提供了较好的学习条件，有利于学生综合了解木材生产的全过程及其相应的生产技术、机械设备与工艺，现代森林采运技术的发展趋势及其热点问题，建立系统的、发展的森林工程知识体系；了解森林工程的发展历史，对学生进行爱国主义教育和专业教育，对科学技术研究进行导向。

该实验室充分体现了森林作业与规划的生产实践和理论水平，特色突出，针对性强，系统性强，有效解决了森林工程专业实践教学环节薄弱、理论教学与实践教学脱节等问题，融入了计算机模拟、智能控制、多媒体展现，集声、光、电和影像等于一体，彻底改变了传统落后的实验教学方法和手段，充分发挥和调动学生学习的积极性和主动性，培养学生的创新能力、沟通能力和协作精神，最大限度地锻炼学生全面、灵活运用所学知识的能力，在教学实践中取得很好效果。

（References）

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