森林工程國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐

辛　穎，李耀翔，狄海廷，楊慧敏

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040 )

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森林工程國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐

辛穎，李耀翔*，狄海廷，楊慧敏

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040 )

摘要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息技術(shù)與學(xué)科專(zhuān)業(yè)融合的產(chǎn)物，是高等教育信息化的重要組成部分。森林工程國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源與項(xiàng)目為重點(diǎn)，開(kāi)發(fā)和建設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理隊(duì)伍和管理體系，進(jìn)一步推進(jìn)了森林工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)；森林工程；實(shí)踐

引文格式：辛穎，李耀翔，狄海廷，等.森林工程國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐[J].森林工程，2016，32(1)：94-96.

0引言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化的重要組成部分，是信息技術(shù)與專(zhuān)業(yè)相融合的產(chǎn)物，已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)必不可少的內(nèi)容。為貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》(教高〔2012〕4號(hào))精神[1]，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》[2]，教育部在2013年啟動(dòng)開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作。同年，森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心被評(píng)為國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，成為全國(guó)首批建設(shè)的百所虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心之一。[3]

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀分析

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是信息時(shí)代教育改革發(fā)展的必然要求，信息化技術(shù)特征、高度仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和對(duì)象以及滿(mǎn)足本科教學(xué)要求這3個(gè)方面構(gòu)成了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的本質(zhì)特征。在全國(guó)高等院校中，很多學(xué)校就虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了初期的建設(shè)與探索。

2011年，教育部科技發(fā)展中心對(duì)全國(guó)高校網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)情況的抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，建立網(wǎng)絡(luò)工程類(lèi)實(shí)驗(yàn)室的高校占65%以上[4]。然而，每年高校中實(shí)際應(yīng)用超過(guò)600學(xué)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室僅有27%，嚴(yán)重浪費(fèi)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。其中，72.4%的高校曾開(kāi)放過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，但由于運(yùn)行機(jī)制和管理體制的不完善，大大限制了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的持續(xù)性和共享性，形成了教學(xué)資源的不均衡現(xiàn)象[5]。因此，目前專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革迫切需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)功能齊全、具有較高現(xiàn)代化程度和較強(qiáng)的仿真性，以及能夠集教學(xué)、科研、服務(wù)于一體的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，并以此改進(jìn)與完善專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)不具備實(shí)現(xiàn)條件或真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成的教學(xué)功能，主要在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及高成本或高消耗的綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供經(jīng)濟(jì)、可靠和安全的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。由于森林工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的特殊性，許多實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)受到自然條件及生態(tài)條件的限制，如木材生產(chǎn)作業(yè)的高危險(xiǎn)性、森林采伐的不可逆性以及采伐對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞性等，所以建設(shè)森林工程仿真虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心對(duì)促進(jìn)森林工程建設(shè)、提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2森林工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的主要內(nèi)容

2.1實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)過(guò)程中，注重發(fā)揮森林工程國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)的優(yōu)勢(shì)，以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，充分整合信息化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，建設(shè)與應(yīng)用森林經(jīng)營(yíng)、木材生產(chǎn)、林產(chǎn)品物流和包裝的軟件和儀器共享虛擬實(shí)驗(yàn)，豐富教學(xué)內(nèi)容，拓展學(xué)生的實(shí)踐領(lǐng)域，學(xué)生可以放心地在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境做各種危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6]。完成森林可視化經(jīng)營(yíng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、木材生產(chǎn)規(guī)劃虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、森林作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)、原條量材造材與原木自動(dòng)選材模擬仿真系統(tǒng)、原木優(yōu)化制材虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、木材企業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃與模擬經(jīng)營(yíng)(ERP沙盤(pán))、木材倉(cāng)儲(chǔ)與進(jìn)出口模擬仿真系統(tǒng)、架空索道虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、包裝工藝過(guò)程虛擬仿真系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)建模與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)與開(kāi)發(fā)。

2.2教學(xué)管理和共享平臺(tái)建設(shè)

依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通訊和多媒體等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，創(chuàng)建具有前瞻性、兼容性和擴(kuò)展性的實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享。完成木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、林區(qū)建設(shè)與規(guī)劃虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、木材物流虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和林產(chǎn)品包裝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和虛擬仿真系統(tǒng)管理平臺(tái)的建設(shè)，全方位、立體化真實(shí)再現(xiàn)森林工程學(xué)科實(shí)踐實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，克服了由于木材生產(chǎn)作業(yè)的高危險(xiǎn)性、森林采伐的不可逆性以及采伐對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞性等因素造成的傳統(tǒng)方式難以滿(mǎn)足實(shí)踐實(shí)訓(xùn)需求，有效解決了野外實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的受限性，借助虛擬仿真技術(shù)讓小課堂變成了大型實(shí)踐實(shí)訓(xùn)基地。

2.3教學(xué)管理隊(duì)伍與管理體系建設(shè)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃，從制度建設(shè)、職稱(chēng)提升和人員編制等方面實(shí)行了有效的改革，培養(yǎng)和造就一支結(jié)構(gòu)合理、素質(zhì)高、人員相對(duì)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍。對(duì)于有應(yīng)用前景的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，中心匹配一定經(jīng)費(fèi)，并在實(shí)驗(yàn)條件及資源方面提供保障；同等情況下，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有突出貢獻(xiàn)的教師，職稱(chēng)晉升優(yōu)先。從制度上引導(dǎo)和激勵(lì)了教師積極投入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果得到了顯著提升[7]。通過(guò)采取以上措施，森林工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已經(jīng)建設(shè)了一支教學(xué)、科研和技術(shù)人員相結(jié)合，結(jié)構(gòu)合理，實(shí)踐與創(chuàng)新能力強(qiáng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心擁有完善的管理體系，教師隊(duì)伍實(shí)行制度化管理，設(shè)備運(yùn)行規(guī)范化管理[8-9]。

3解決的關(guān)鍵問(wèn)題

森林工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在建設(shè)中著重解決了以下問(wèn)題。

(1)在建設(shè)過(guò)程中，突破了支撐森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的很多關(guān)鍵技術(shù)，如高度仿真的森工虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與對(duì)象構(gòu)建、虛擬實(shí)驗(yàn)的可視化設(shè)計(jì)軟件工具與環(huán)境集成等。包含了實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)——實(shí)施——效果評(píng)價(jià)——方案整改——再評(píng)價(jià)的整個(gè)環(huán)節(jié)，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的同時(shí)使學(xué)生更好地對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行深刻體驗(yàn)。

(2)以“生產(chǎn)場(chǎng)景、業(yè)務(wù)流程、社會(huì)需求、實(shí)踐能力”為線(xiàn)索進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)資源的構(gòu)建、整合、優(yōu)化與共享。梳理影響森工生產(chǎn)活動(dòng)的因素與環(huán)節(jié)，構(gòu)建森工企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

(3)以森工企業(yè)崗位能力鏈要求構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和虛擬仿真系統(tǒng)管理平臺(tái)，將森林工程生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)與能力要求落實(shí)到實(shí)驗(yàn)課程與項(xiàng)目中，采用讓學(xué)生分角色模擬的方法，以角色所需的能力鏈作為具體抓手，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的優(yōu)化。

4取得效果

森林工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心結(jié)合學(xué)科、專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)及企業(yè)需求，與合作企業(yè)共同研制開(kāi)發(fā)了森工規(guī)劃虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)、原條自動(dòng)選材及優(yōu)化造材模擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、室內(nèi)索道模擬仿真系統(tǒng)、自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、森林可視化經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)、森林作業(yè)虛擬仿真系統(tǒng)，原木優(yōu)化制材虛擬仿真系統(tǒng)、ERP沙盤(pán)虛擬仿真系統(tǒng)、林產(chǎn)品加工虛擬仿真系統(tǒng)、林產(chǎn)品包裝運(yùn)輸虛擬仿真系統(tǒng)。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生真實(shí)再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，為學(xué)生全面掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)奠定了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置、學(xué)生自主性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理等方面取得了顯著成效[10-12]，獲得師生、同行的廣泛好評(píng)。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的教學(xué)體系及其管理模式對(duì)專(zhuān)業(yè)課程的改革和其它實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)起到了較好的促進(jìn)作用。森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的教學(xué)資源面向全校師生開(kāi)放，校內(nèi)的學(xué)生可以通過(guò)登陸校園網(wǎng)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。由于森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在建設(shè)過(guò)程中采用校企合作的形式來(lái)完成，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心定期對(duì)企業(yè)相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)，從而達(dá)到校企共享。

5結(jié)束語(yǔ)

森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在建設(shè)過(guò)程中本著“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的原則，以建設(shè)和應(yīng)用虛擬仿真資源平臺(tái)為主旨，以?xún)?yōu)化森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地為目的，以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，致力于研發(fā)綜合型、創(chuàng)新型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，著重培養(yǎng)一支高素質(zhì)、結(jié)構(gòu)合理和人員相對(duì)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍，著力改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)成本高、效率低、資源消耗大且不可逆和環(huán)境污染嚴(yán)重等弊端，進(jìn)一步推進(jìn)了森林工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張大良.加強(qiáng)研究機(jī)構(gòu)建設(shè) 提高高教研究水平[J].中國(guó)高教研究，2012(2)：3-5.

[2]廖達(dá)炎.試論教育信息化發(fā)展趨勢(shì)及著力點(diǎn)[J].中國(guó)教育信息化，2012(12)：23-25.

[3]薛偉，耿志偉，汪洪濤.面向林業(yè)重點(diǎn)工程建設(shè)的森林工程人才培養(yǎng)體系的研究[J].森林工程，2014，30(1)：190-193.

[4]張曉寧.國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)狀況[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(10)：85-161.

[5]周俊穎.工學(xué)結(jié)合視角的高職物流管理專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)探究[J].中國(guó)管理信息化，2012，15(21)：91-92.

[6]盛佺.虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)及模式應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2006.

[7]劉超，龔彥華.實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)與管理[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(6)：264-266.

[8]張旭，王益民，馬文權(quán)，等.高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍的發(fā)展變化及特點(diǎn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(2)：160-162.

[9]肖生苓，王立海，張佩劍，等.森林工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(5)：151-154.

[10]陳意軍，郭兆南，廖毅.智能網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，18(4)：96-98.

[11]林偉君.實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍建設(shè)的實(shí)踐與探討[J].陰山學(xué)刊，2010，24(4)：90-92.

Construction and Practice of the National Virtual SimulationExperiment Teaching Center of Forest Engineering

Xin Ying，Li Yaoxiang*，Di Haiting，Yang Huimin

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Abstract：Virtual simulation experiment teaching is the product of information technology and integration of disciplines，which is an important part of educational informatization.The national virtual simulation experiment teaching center of Forest Engineering focused on the construction of information-based experimental teaching resources and projects.The virtual simulation experiment system was developed and constructed，the platforms of virtual simulation experiment teaching were established，and the teaching staff and management system of experiment teaching were reformed，which further improved the construction of national experimental teaching demonstration center of Forest Engineering.

Keywords：virtual reality and simulation；experiment；forest engineering；practice

*通信作者：李耀翔，博士，教授。研究方向：森林作業(yè)與環(huán)境。 E-mail：896964923@qq.com

作者簡(jiǎn)介：第一辛穎，博士，副教授。研究方向：森工作業(yè)與安全。

基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)研究項(xiàng)目(JG2014010598)

收稿日期：2015-10-25

中圖分類(lèi)號(hào)：S13

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2016)01-0094-03