現代林業技術裝備虛擬仿真實驗教學中心的建設實踐

劉 英，馬晨波，趙茂程

現代林業技術裝備虛擬仿真實驗教學中心的建設實踐

劉 英，馬晨波，趙茂程

（南京林業大學 機械電子工程學院，江蘇 南京 210037）

回顧了該校現代林業技術裝備國家級虛擬仿真實驗教學中心的發展歷程，闡述了中心“分層培養、層層遞進、逐步提高”的工程基礎、專業特色和創新創業3平臺實驗教學體系構建，并對中心的管理體系、管理機制及在教學理念、培養模式和運行機制等方面的特色進行了總結和歸納。

虛擬仿真；現代林業技術裝備；實驗教學

林業是一項重要的公益事業和基礎產業，在國民經濟和社會發展中具有戰略地位，在生態建設中具有首要地位，在應對氣候變化中具有特殊地位[1-2]，林業技術裝備是林業生產和加工過程中不可或缺的支撐。但是，我國林業技術裝備與國際先進水平差距很大[3-6]，尤其是相關領域的高素質復合型人才缺乏，這與教學內容陳舊、實驗手段單一、學生實踐創新能力不足有很大關系。為了更好地培養林業技術裝備專門人才，提升行業技術水平，在傳統實體實驗基礎上，采用虛擬仿真、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建虛擬仿真實驗教學平臺，進一步豐富實驗教學內容，提高實踐環節教學質量非常必要[7-12]。

1 中心的發展歷程

我校現代林業技術裝備虛擬仿真實驗教學中心是在林業技術裝備實驗室基礎上建立的。1933年，學科奠基人梁希先生創辦了全國第一個林產化工實驗室，所著的《木材物理性質試驗》手稿是中國最早的一部木材加工利用的實驗教材，為我國林業技術裝備教學與研究奠定了基礎；1952年建立了林產制造實驗室； 1956年起先后建立了金工廠、木工廠、林化工廠、纖維板車間等實習基地。1980年獲得世行貸款項目支持，實驗室建設進入快速發展階段，機械基礎實驗教學中心、林產化學工程實驗教學中心、木材科學與工程實驗教學中心獲批江蘇省實驗教學示范中心，汽車運用工程實踐教育中心獲批江蘇省實踐教育中心。

自1988年起，實驗室陸續開設了計算機輔助制圖、輔助設計、輔助制造等課程及相關實驗；2002年成立了CAD/CAE/CAM中心，開始進行系統的參數化設計和虛擬裝配教學；2005年以來，在中央與地方共建項目持續支持下，虛擬仿真實驗建設得到進一步提升；2010年，隨著網絡技術發展、產學研基地建設和實驗室資源共享機制建立，統籌規劃成立了現代林業技術裝備虛擬仿真實驗教學中心，形成了多專業覆蓋、多學科支撐、多企業合作、多平臺互動、多資源共享的林業技術裝備虛擬仿真實驗教學平臺，2016年獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心。

2 中心的實驗資源建設

中心構建了“分層培養、層層遞進、逐步提高”的工程基礎—專業特色—創新創業的3平臺實驗教學體系，如圖1所示，形成了桌面虛擬、仿真訓練、虛實結合、校企聯動的實驗教學新模式。通過豐富優質的虛擬仿真實驗教學資源的開放和共享，實現了創新人才培養目標與林業技術裝備行業需求的有機結合。

圖1 中心資源平臺構架

中心擁有3個實驗平臺、80項虛擬仿真教學項目。其中，以實體實驗為基礎的提升項目21項，高水平科研成果轉化項目22項，前沿性校企合作工程轉化項目18項，大學生創新設計與制作項目19項，85%以上為自主開發項目。這些項目分別面向全校各專業學生開放，平均每年完成實驗教學任務7萬余人時數。

（1）工程基礎實驗平臺。包括機械基礎、測試與控制2個實驗模塊，輻射50門基礎課程的103項實驗。其中，面向全校學生開放的有“螺桿泵設計及裝配”“數控加工仿真”“虛擬儀器”等32項虛擬仿真實驗項目。虛擬仿真教學充分利用各類先進的仿真和開發平臺，體現了虛擬仿真高精度、高效率的特點。如“螺桿泵設計及裝配虛擬仿真實驗”是在我校螺桿泵研究中心與黃山眾拓工業泵制造有限公司合作的科研項目“新型高性能輸送用中壓雙螺桿泵”基礎上開發完成的。一方面，可將造價昂貴、制造精度高、功能先進的流體機械引入本科教學，是對傳統結構簡單的齒輪油泵測繪教學的補充與提升；另一方面，將校企合作的最新科研成果用于教學，更新了教學內容，提升了學生的知識結構。

（2）專業特色實驗平臺。包括林業機械、木工機械、林產過程裝備3個實驗模塊，輻射38門專業課程的64項實驗。其中，包括“鋸鏈三向力切削性能”“人造板加工流程”“林用車輛履帶運動”“山梔活性物薄膜蒸發”在內的29項虛擬仿真實驗項目，面向機械設計制造及其自動化、木材科學與技術等13個工程類專業學生開放。這些實驗項目利用虛擬現實技術和仿真手段實現了原理和技術的直觀呈現，提高了專業授課的直觀性、新穎性、趣味性和生動性，實現了課堂教學與實踐教學的密切結合。例如，通過山梔活性物薄膜蒸發虛擬仿真實驗，學生在直觀了解薄膜蒸發裝置工作原理和工藝流程基礎上，可以改變導熱油溫度、真空度、進料流量、轉子轉速等參數，自主設計實驗方案，分析影響蒸發效果的主要參數和規律，從而鍛煉學生的實驗設計水平和數據分析能力。

（3）創新創業實驗平臺。在學生通過工程基礎平臺夯實基礎、通過專業特色平臺熟悉專業知識基礎上，利用科研成果、企業合作、大學生創新創業項目等，開發了綜合性強、創新性強、復雜度高的“機械設計創新方案”“大型機電裝備防護包裝結構受力”等19項虛擬仿真實驗項目，為拔尖人才研究能力和創新能力培養提供良好資源。如林業噴霧機作業虛擬仿真實驗可以克服噴霧機作業場地限制、作業環境變化、機器款型變化等條件制約，避免作業傷害和機器損耗，使學生直觀地了解多種型式噴霧機的結構、作業過程及作業參數變化對作業效果的影響，鍛煉學生三維建模和空間造型設計能力，并在參數最優化的求解過程中，鍛煉算法設計能力和編程能力。

3 中心的管理體系建設

中心實行校院兩級管理，中心主任全面負責中心的建設、發展和運行，在服務于本科生和研究生教學的同時，實現了校內院系、企業單位及其他院校等的虛擬仿真實驗資源共享體系。中心下設由教學名師、企業兼職工程師以及專門的網絡服務人員組成的虛擬實驗教學指導委員會，統籌協調學校、企業和網絡支持，保證平臺正常、有序和高效地運行和發展（圖2）。

中心設置1名主任，2名副主任，每門課由1—2位教師承擔，組成立課程組，實行組長負責制，每門實驗課都配有實驗技術人員負責輔助教學和相應的實驗室管理工作，很好地滿足了實驗教學的要求。

圖2 實驗中心管理體系結構圖

為保障中心建設和發展的可持續性，在學校及相關職能部門支持下，中心落實了組織、制度、師資隊伍等方面的保障機制。

（1）組織保障。中心實行主任負責制，由校實驗室管理委員會進行領導，由基地建設管理處、資產管理處、教務處進行指導，由機械電子工程學院實施具體管理，定期檢查中心資金使用和工程進展情況，對建設實施過程中出現的問題及時協調和解決，保證中心實驗室建設按要求進行。同時成立虛擬仿真實驗教學指導委員會，統籌協調學校、企業和網絡支持，保證平臺正常、有序、高效地運行和發展。

（2）制度保障。在實驗室管理方面，學校和中心先后制定了一系列實驗室管理規章制度，不斷加強對實驗室建設及日常工作的指導、檢查和監督。除嚴格執行學校的規章制度外，中心還不斷完善和改進中心自己的規章制度，如在實體實驗管理制度基礎上，結合虛擬仿真實驗特點，制定了虛擬仿真實驗教學中心實驗室教學管理、工作規程、儀器設備及耗材管理等方面的細則，并將責任落實到人。

（3）隊伍保障。中心現有成員78人，其中校內專職人員61人、企業兼職人員10人、國外兼職人員7人，形成了以院士、杰出人才和教授為領軍，以江蘇省“333”工程、江蘇省教學優秀教師等為骨干，以副教授及優秀青年博士為中堅力量的師資梯隊。長期以來，中心一直把引進高層次實驗技術人才、聘請企業兼職教師等作為重要任務，不斷加強實驗教學團隊建設。中心還注重對青年教師的培養，通過各種途徑不斷提升青年教師的教學水平和科研能力，如通過加強校企合作、組織教師參加學術交流會和出國進修等。

4 中心的特色與創新

（1）教學理念創新。注重“專業意識、工程意識、生態意識”融合，培養兼具生態理念與工程素養的全產業鏈復合型現代林業技術裝備人才。針對我校“以林科為特色，以資源、生態和工程類學科為優勢”的辦學特色，在工程類專業中開設生態學通識課程，在工程教育中積極灌輸林業技術裝備與環境友好、資源節約相融合的現代工程理念。引導學生在課程設計、畢業設計、科技競賽中自主選擇具有綠色環保、低污染、低成本、資源節約等特點的設計方案，培養學生自覺的環保意識。另外，在林學、經管等非工程類專業中，開設林業技術裝備基礎課程，讓學生了解林業技術裝備的設計、制造過程，學習工程基礎知識，使非工程類學生也能具備較好的工程素養。

（2）培養模式創新。注重“虛擬與現實、科研與教學、學校與企業”的結合，創建了“工程基礎+特色專業+創新創業”遞進式的虛擬仿真實驗體系。中心遵循虛擬源于真實、貼近真實，理論源于實踐、指導實踐的宗旨，注重將科研成果、與企業合作成果及學生創新項目等轉化成虛擬仿真實驗。工程基礎平臺服務于全校所有工程類和非工程類專業的學生，受益面廣，適合于全校學生工程素養的培養；專業特色平臺服務于機械設計制造及其自動化、木材科學與技術等13個工程類專業學生，綜合性強，適合于工程類專業人才的培養；創新創業平臺來源于大學生創新實踐項目和創業項目，特色鮮明，適合于拔尖創新創業人才的培養。基礎、專業、創新創業遞進式的實驗教學模塊由淺入深、由簡單到復雜、由通識到創新，形成了虛實結合的課程教學、開放選修、企業實踐、自主創新等教學模式。

（3）運行機制創新。注重“課堂、實驗室、企業”聯通，建立了時間—空間—資源三維開放共享和產學研協同創新的虛擬仿真環境。中心成立了虛擬仿真實驗教學指導委員會，負責協調學校、企業、研究院所關系。通過聘請產業教授、企業兼職教師作為學生畢業設計指導教師、選派青年骨干教師進企業鍛煉、執行卓越工程師計劃等措施，促進了理論與實踐、虛擬與現實、學校與企業的深度融合。學生通過參與企業需求分析、進行產品仿真設計、在實驗室或企業開展實體性能測試、對設計進行修改完善等整個閉環訓練，切實改變了長期以來存在的“重理論知識，輕實踐能力”傾向，同時為學校虛擬仿真平臺的建設積累了大量的素材。

5 結語

我校現代林業技術裝備虛擬仿真實驗教學中心以“工程素養優、生態意識強、專業技能實”為人才培養目標，遵循“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，建立了工程基礎、專業特色、創新創業遞進式的3大平臺，形成林業機械、木工機械、林產過程裝備及機械基礎、測試與控制和創新創業實驗平臺等特色鮮明的6大模塊，體系完整、輻射力強、引領示范作用顯著，推動了實驗教學改革與創新，為培養機械設計制造及其自動化、木材科學與工程、林產化工、森林工程等4個國家級特色專業及相關的9個工程類本科專業的高素質復合型林業技術裝備類人才，提供了必要的實驗教學條件，并能夠為全校其他專業學生工程素質培養提供服務。

References)

[1] 林業部.中國21世紀議程林業行動計劃[M].北京：中國林業出版社，1995.

[2] 韋榮華.應對氣候變化林業作用特殊[J].中國林業，2007(15): 22–25.

[3] 趙奇，趙小茜，徐克生.國內外林業裝備主要技術水平和發展趨勢[J].林業機械與木工設備，2005(2): 10–12.

[4] 周玉申，肖智慧.我國林業技術裝備現狀與發展趨勢[J].木材加工機械，2011, 22(5): 33–35.

[5] 陳幸良.中國現代林業技術裝備發展戰略與技術創新對策[J].農業工程，2013(4): 1–5.

[6] 王玉峰.林業技術裝備現狀與發展趨勢[J].中小企業管理與科技，2016(16): 116–117.

[7] 李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013, 32(11): 5–8.

[8] 王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013, 32(12): 5–8.

[9] 韓芝俠，魏遼博，韓宏博，等.仿真虛擬實驗教學的研究與實踐[J].實驗技術與管理，2006, 23(2): 64–66.

[10] 祖強，魏永軍.國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目申報策略探討[J].實驗技術與管理，2018, 35(9): 236–238.

[11] 肖霞.計算機虛擬仿真技術在教學中的應用[J].電子技術與軟件工程，2018(11): 161.

[12] 陳青，蔣雪松，許林云，等.虛擬仿真技術在林業機械課程教學改革中的應用[J].當代教育實踐與教學研究，2018(3): 129–130.

Construction and practice of virtual simulation experimental teaching center for modern forestry technology and equipment

LIU Ying, MA Chenbo, ZHAO Maocheng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

This paper reviews the development history of the national virtual simulation experimental teaching center for modern forestry technology and equipment in the university, expounds upon the engineering foundation, professional characteristics and experimental teaching system construction of the platform of “Layered training, layered progress and gradual improvement”, and summarizes the management system, management mechanism and its characteristics in teaching idea, training mode and operation mechanism.

virtual simulation; modern forestry technology and equipment; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.051

G434

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1002-4956(2019)07-0210-04

2018-09-27

江蘇省高等教育教改研究課題（2017JSJG153）

劉英（1965—），女，福建建甌，博士，教授，副院長，國家級現代林業技術裝備虛擬仿真實驗教學中心副主任，主要研究方向為光機電一體化技術.E-mail: ly_new@njfu.edu.cn.