森林作業與規劃動態仿真實驗室建設

巫志龍，周成軍，周新年，張正雄，沈嶸楓，李 綱

（福建農林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002）

高校實驗室是學校教學、科研、科技開發及人才培養過程中的必備條件［1－2］。實踐教學是學校教學工作的重要組成部分，在人才創新能力及全面素質提高方面有著其他教學環節不可替代的獨特作用［3－5］。過去，在森林作業與規劃的教學內容、教學方法和教學手段等諸方面存在較多問題，概括起來可以用“內容陳舊、手段落后”來形容［6－7］。改革開放以來，圍繞專業建設與拓寬專業面等方面，我校森林工程學科對專業培養計劃進行了一系列的探索和改革，取得顯著成效［8－9］。

21世紀的人才教育方向是培養開放型、應用型與復合型的高素質人才。近年來，我們在多年專業建設的基礎上，新出版了《工程索道與柔性吊橋—理論·設計·案例》、《木材生產技術與管理》、《林業工程概論》、《森工與土木工程科技進展》、《山地森林作業系統優化技術》等系列教材。雖然教學內容得到更新，但實踐教學手段依然比較落后。傳統教學手段已不能體現現代森林工程學科的發展前沿，也無法滿足森林工程及相關專業的實踐教學要求［6，10－11］。因此，構建適應我國南方森林作業與規劃實踐教學要求的動態仿真實驗室，更新教學手段和創新教學方法，適應21世紀經濟、社會、科技和文化發展的需要，培養“基礎扎實、知識面寬、創新能力強、綜合素質高、適應性廣”的高質量森林工程專業人才，服務海西新農村和廣大林區的建設與發展，具有極其重要的意義。

1 動態仿真實驗室的建設背景

（1）20世紀80年代中期，我國林業高校曾引進加拿大、哥倫比亞、原西德等國相關專業教學片；我國較早的森林工程專業教育音像教材是由農業部組織攝制于1977年的電影《森林采運》。由于受時代的局限，這些教學片的技術和知識層次都比較低。

（2）1988年林業部林業干部學校攝制了《內蒙古大興安嶺木材生產工藝與設備》音像帶，比較詳盡地介紹了森林作業木材生產的全過程，涉及了森林采運機械與設備、作業技術和工藝。但是，這些教學片只介紹了我國東北林區的情況。限于當時的學科理論和科技發展水平，在表現手法上流于圖解式，內容上已不能反映當前森林工程專業前沿技術以及新的科研成果，缺乏有縱向深度的技術發展沿革、橫向廣度的綜合性成果、以及對林業本身的全面深刻的認識，不能體現林業現代兩大體系（森林生態體系和林業產業體系）和林業可持續發展的理念，更無與影音配套的動態仿真實物模型，其缺陷明顯已不適應現代的教學要求。

（3）20世紀80年代后期起，隨著人們對森林生態環境的關注，森林為人類提供種類更多、質量更高的有形、無形產品的觀念已滲入到森林作業與規劃的全過程。針對我國南方人工林資源條件的開發利用，出現了一系列的輕型、小型采集機械與裝備，及其與之相適應的生產工藝和嶄新的森工采運技術模式［12－13］。近30多年的科學技術的發展，森林工程與相關學科互相滲透，產生了眾多的學科交匯點和產業鏈。當前，我國林業整體處于上升時期，特別在南方，人工林進入成熟林階段，對森林工程學科提出了全新的內涵和新的增長點。

福建農林大學森林工程專業創建于1958年，55年來一直堅持以科研促進教學和產學研創新培養之路，為突出農林高等院校工科專業辦學特色，該專業在培養服務新農村和林區建設的應用型人才方面做了很多工作。多年產學研的成果以及在森林工程、物流管理、交通運輸、土木工程方面的教學積累促使我們建立森林作業與規劃動態仿真實驗室，以特殊表現手法和大信息量對學生進行專業教育。

2 動態仿真實驗室的構建

2.1 電控動態仿真模型

動態仿真主體實物模型選擇南方林區代表性地形和林相，立體化展現南方森工林區內的山形、地勢、溝壑、丘陵、水系以及行政區域（局、場址、生活區）等。40m2的微縮立體實物模型采用模塊化設計和制作，而后將多個模塊拼接而成，細致、動態、逼真地展示森林作業與規劃的整個木材生產工藝流程（采伐—集材—運材—貯木場作業），形象直觀地模擬伐木與樹木傾倒、拖拉機集材、索道集材、山場裝車、陸路和水路運材、貯木場選材及木材裝卸等每一道生產工序的作業過程。實物模型上各種樹木設計均根據南方林區林相圖及林分組成（如針葉、闊葉、喬、灌木叢、地表植被）按比例制作，與實際形體相符，層次分明；在模型中突出主要河流的表面，明晰林區水系分布；道路制作按國家道路最新規劃標準，利用燈光變化來體現交通體系，重點的道路布置頻閃流動燈光；主要建筑雕刻成型后無縫拼接，建筑物有燈光照明，即體現建筑的特性，又與周圍環境相呼應。實物模型各模塊動態仿真采用微電子電路和無線電技術，實現智能控制和信號傳輸，設備包括聲、光、電控制系統及軟件，音響、聲控設備、燈光設備，攝影儀及投影屏幕，控制采用電子觸摸屏及遙控器2種方式，也可通過計算機界面控制。

2.2 配套影音教學系統

該系統是應用現代林業和森林生態采運的觀點，按木材生產工序，劃分森林作業與規劃動態仿真教學系統模塊，見圖1。模塊各自獨立，具有各自的基本理論、主要設備及其工藝。該系統是一個有機的整體，貫穿于木材生產的全過程，同時又與現代的育苗造林、森林生態保護技術和林區規劃等相互聯系。

森林作業與規劃動態仿真實驗教學系統的設計指導思想是“遵循一條主線，突出一個重點，拓展縱、橫兩個方向”。“一條主線”即以森林采運工程中的采、集、運、貯系列知識為主線，按木材生產工藝流程的順序，相應展示各工序的機械設備與工藝。在某一典型作業區內，模擬林木采伐，顯示出林木倒下的過程；采用電控方式以計算機模擬25%、50%、100%的不同采伐強度；被伐倒的樹木加工為原木、原條或伐倒木等不同產品形態；根據不同的山形地勢，可設計全懸空索道、遙控索道和手扶拖拉機等不同集材方式，模擬通過不同集材方式將原木、原條、伐倒木等集運到地勢較為平坦的山下裝車場或河邊楞場，再通過陸路或水路運到貯木場或需材單位的全過程?！耙粋€重點”即突出木材生產過程中占全作業量50%以上、作業條件最復雜的集材作業，尤其是在新的森林資源人工林的集材作業?！皟蓚€拓展方向”即縱向以森林采運工程不同的發展階段為軸，闡述森林工程發展歷史及其發展趨勢；橫向以森林工程與相關學科，如森林生態學、技術經濟學、林業人機工程學和林區交通與規劃等學科相互滲透、交叉發展為主題。各模塊的配套影音視頻素材均來自林業生產實際和最新科研成果，著重介紹其主要特點，發展歷史、最新研究成果以及發展前景等。

圖1 森林作業與規劃動態仿真模塊

3 動態仿真實驗室的特色與創新

該實驗室的建設借鑒了東北林業大學森林工程專業實驗教學平臺建設的成功經驗，通過真實再現伐區生產的所有元素，改變了傳統的實驗教學模式［11］。森林作業與規劃動態仿真教學系統運用計算機多媒體程控技術，實現配套影音與動態仿真實物模型同步，并新增了大量最新科研成果，緊密結合當前林業生產實際，其自身特色與創新主要表現在4個方面：

（1）突出了我國南方林區特點。針對南方山地林區特點，將森林采伐、集材、運材和貯木場作業按模塊化設計并制作，而后拼接為一個整體的仿真實物模型；森林采伐作業模擬包括了皆伐、擇伐（強度分別為25%和50%）；在林木運輸上，除陸路運材外，木材水運是一種運量大且經濟、節能的方式；貯木場是木材生產的最后階段，包括卸車、選材、造材、歸楞、裝車等，重點突出了裝卸橋裝卸木材［12］。

（2）創造了學生創新培養的條件。將森林作業與規劃作業現場以仿真模型的形式搬進了課堂，采用直觀、具體、理論與實際相結合的方法，讓學生在逼真的環境中了解并掌握專業知識和業務流程，節約了學時，提高了效率。該實驗室還可作為學生設計性和創新性實驗研究平臺，為學生課外創新研究提供很好的條件。

（3）突顯了森林工程學科教學與科研特色。我校森林工程學科經過55年的發展，現已形成了山地森林生態采運理論與技術、工程索道與懸索橋理論及其工程應用、人工林輕型采運機械系列、山地林道網理論及其生態經濟、木材剩余物綜合利用及其設備、森林工程計算機應用技術等幾個鮮明的特色和科研方向。利用動態仿真實驗手段，堅持教學與科研相結合，將最新的科研成果融入到教學之中，及時更新教學內容，讓學生及時了解學科前沿動態，增強實踐教學效果，培養學生綜合素質和創新思維能力。

（4）融入了工程索道領域的最新技術。索道是在南方復雜地形條件下林區使用的有效集材機械設備。除傳統的畜力、拖拉機集材外，教學中結合我校工程索道科研成果，融入機械化程度高的全懸增力式索道集材和具有自主知識產權的遙控索道集材。此外，教學內容中還增加了對林區的旅游開發與保護，并著重介紹旅游客運索道開發與設計。

4 建設成效

4.1 為多個專業提供了實踐教學課程

根據新世紀的課程改革和建設需要，福建農林大學以本科教育為主，把學校建設成海峽西岸經濟區重點人才培養基地，把學生培養成具有創新精神和實踐能力的應用型和復合型人才。結合這一辦學定位，“木材生產技術與管理”、“工程索道”等課程體系和課程內容要與人才培養模式相適應，只能在更新教學內容、改革教學方法、加強實踐教學上下功夫。2008年新建了森林作業與規劃動態仿真實驗室，以滿足森林工程專業及其他相關工科專業高級專業技術創新人才培養的需要。建成后的實驗室及教學系統面向我校森林工程、交通運輸、物流管理和土木工程等專業的學生，以及全校公共選修的其他各專業學生，每屆受益學生近1000人，具體情況見表1。

森林作業與規劃動態仿真教學系統中的每一個動態實物模型均有一段影音視頻與之配套，同步播放，學生既可從仿真實物模型上看到森林作業與規劃的整個生產工藝具體流程，又可從配套的影音視頻介紹中了解工藝流程的發展和最新研究成果。

表1 動態仿真實驗室可開出的實踐教學課程

4.2 總結出了一套基本教學模式

經過幾年教學實踐，我們摸索出了一套較為成功的、按3個基本教學環節組織的仿真教學模式。這3個基本教學環節是：課前準備；課堂播映；播后討論。課前準備是在修讀相應專業課后，教師預先根據影音教學片內容，向學生講明下一次播放的教學片題目及扼要內容，要求學生預先思考，帶著問題上課；課堂播映是教師在臨播放前作必要提示或提出一些問題，播放中遇到重點或難點內容則結合實物模型作適當補充或解釋說明，必要的地方可以暫停畫面或者倒退重放，以加強記憶，強化效果；播后討論是播后由教師結合教學片內容，組織展開課堂討論，廣開學生思路的重要環節（一般為4個學時）。教師在做小結時力求做到正確、精煉，同時圍繞21世紀我國林業兩大體系的建設、森林工程在其中的作用和地位、目前的狀況和將來的發展前景、森林工程的前沿性問題和熱點問題、森林工程專業教育、科研、生產的關系等主題啟發學生積極思考、開拓視野，在此基礎上獨立完成小論文（題目不限），要求學生能夠根據我國的國情、林情，用森林生態采運的觀點去分析問題。實踐證明，不少學生都能寫出很有見解的文章，在一定意義上，這也為撰寫畢業論文所做的一種模擬和寫作思想準備。學生普遍反映這種教學方法很好。

5 結束語

“融課堂內外一體，揚實踐實驗優勢，強生態文明意識，以先進的現代科學技術培養服務于林業生態體系建設和產業體系建設的高素質創新人才”是森林工程專業實踐教學的理念［14］。森林作業與規劃實踐教學系統，在現代林業和生態采運的思想指導下，以我國南方木材生產的采伐、集材、運輸和貯木場生產工藝與裝備為主，兼顧全國，開拓視野，全面系統地展現不同歷史發展階段的木材生產技術，并盡可能詳盡地介紹國內外現代森林作業與規劃及木材物流作業的最新研究成果，動態演示配以恰當的解說，使學生產生深刻的印象，寓教育于藝術，在許多方面具有比書本和課堂講授更理想的教學效果。

通過創新森林作業與規劃的實踐教學手段，為森林工程、物流管理、交通運輸、土木工程及相關專業的研究生和本科生的實踐教學提供了較好的學習條件，有利于學生綜合了解木材生產的全過程及其相應的生產技術、機械設備與工藝，現代森林采運技術的發展趨勢及其熱點問題，建立系統的、發展的森林工程知識體系；了解森林工程的發展歷史，對學生進行愛國主義教育和專業教育，對科學技術研究進行導向。

該實驗室充分體現了森林作業與規劃的生產實踐和理論水平，特色突出，針對性強，系統性強，有效解決了森林工程專業實踐教學環節薄弱、理論教學與實踐教學脫節等問題，融入了計算機模擬、智能控制、多媒體展現，集聲、光、電和影像等于一體，徹底改變了傳統落后的實驗教學方法和手段，充分發揮和調動學生學習的積極性和主動性，培養學生的創新能力、溝通能力和協作精神，最大限度地鍛煉學生全面、靈活運用所學知識的能力，在教學實踐中取得很好效果。

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