木材生产虚拟仿真实验项目的建设与实践研究

作者:查重猫     发表时间:2021-04-27 23:54:20   浏览次数:22



  摘要:为了解决木材生产作业实验实践环节的高危险性、森林采伐的不可逆性以及采伐对生态环境的破坏性等诸多问题,依托东北林业大学森林工程国家级虚拟仿真实验教学中心平台,开发了木材生产虚拟仿真实验项目,指出能够全方位、立体化真实再现森林工程学科实践实训场景,通过虚拟交互完成实验内容,提出了借助虚拟仿真技术让小课堂变成了大型实验基地,拓展了实验教学内容的广度和深度。

  关键词:木材生产;虚拟仿真;实验项目;考核方法

  实验教学是高等教育教学的重要组成部分,随着教育的发展和进步,实验教学在培养学生的能力和素质过程中起着越来越重要的作用[1]。实验教学水平也是某专业在科研水平和教学质量方面的一个评价指标[2]。随着信息技术的飞速发展和与之相关技术的进步,实验教学的手段和方式也不断地进行改进。虚拟仿真实验教学项目就是伴随着信息技术的发展应运而生的。虚拟仿真实验教学不仅能弥补传统实验的软肋,解决一些很难实现或不能实现的问题,而且还能缓解实验资源的不足,解决实验经费方面的问题[3]。教育部从2017年起开展了虚拟仿真实验教学项目的建设工作,鼓励不同的学校、不同的专业探索个性化的实验实践教学方法和模式,依托数字化的特点,逐步形成开放共享、教学效果优良的实验教学体系[4]。

  1虚拟仿真实验项目建设的背景

  东北林业大学森林工程专业始建于1952年,是国家级特色专业,2014年被教育部、农业部和国家林业局联合列为“卓越农林人才教育培养计划”复合应用型农林人才培养改革试点专业[5-7]。森林工程专业是以森林生态资源建设与保护、开发与利用为目的的一门综合性应用专业。它以森林生态学为依据研究森林合理采伐的方式和集材方式,研究木材生产的优化规划方案,进行相应的组织管理并获得最大的经济效益[8-9]。2014年森林工程虚拟仿真实验教学中心被批准为首批国家级虚拟仿真实验教学中心[10-11]。

  “木材生产技术”是森林工程专业中最核心、最重要的知识点之一[12]。然而由于木材生产涉及到森林经营、采伐、集材、运材、制材等多个方面,其实际的实验环节存在着周期长、危险性高等因素,使得木材生产的实验实践学习受到制约,同时森林采伐的不可逆性以及采伐对生态环境的破坏性加剧了实验教学的难度[13]。总的来说,木材生产实验教学中主要面临以下4个方面的难题。

  1)采伐机、集材机、龙门吊等大型实验设备数量少、设备昂贵、操作复杂、运行成本极高,一般这些大型设备只能通过视频展示或者进行理论讲解,使得实验教学的质量难以保障。

  2)木材生产实验环节存在着高危险性。例如,采伐过程中学生容易受到伐倒树木、采伐集材机械等设备的操作不当等造成的意外伤害,这些不安全因素使得实验教学受到了很大局限。

  3)森林采伐的不可逆性以及采伐对生态环境的破坏性。森林采伐是一个不可逆的过程,而且现在国家实行森保政策,森林采伐实验难以开展。

  4)木材生产实验实践环节通过校企合作,学生每年都要赴东北的各林业局进行实习,面临着外出时间长、人力物力消耗大、组织困难,存在着一定的不安全因素,实验实践的效果得不到保障[14-15]。

  2虚拟仿真实验项目建设的目的

  为了解决上述困难,克服野外实验实践的受限性,开发了木材生产虚拟仿真实验项目,在2020年获得了首批国家级虚拟仿真实验教学一流课程称号。该项目能够全方位、立体化真实再现森林工程学科实践实训场景,通过虚拟交互完成实验内容,借助虚拟仿真技术让小课堂变成了大型实践实训基地,拓展了实验教学内容的广度和深度,有效地解决了实验实践环节存在的困难和问题。

  通过木材生产实训虚拟仿真实验项目,学生可高效地学习和掌握以下内容:一是掌握木材生长的动态模型;二是掌握油锯、伐木头等伐木设备的工作原理及伐木的技术要领;三是掌握常见的集材方式方法;四是掌握木材加工工艺的流程和特点;五是了解选材的方法及其基本原理;六是了解伐区清理的基本方法。

  3虚拟仿真实验项目建设的内容

  木材生产虚拟仿真实验项目包含森林经营、伐木作业、集材作业、原条造材及选材、原木制材5个模块。木材生产虚拟仿真实验项目界面见图1。

  3.1森林经营可视化模拟模块

  模块的实验内容主要包括林分结构可视化和森林经营可视化。林分结构可视化是以地理数据为基础,以林业调查数据为内容,结合相关模型和虚拟现实技术,构建森林对象,对现实世界的林分结构进行模拟、分析、预测等。森林经营可视化以解决复杂的森林管理规划和经营问题为目标,以森林环境可视化为载体,以森林经营理论为基础,对森林生长及相关问题进行定性与定量的分析。具体实验内容包括:森林的生长过程模拟、抚育间伐的经营过程及其效果模拟、更新造林过程及其效果模拟、森林主伐更新过程及其效果模拟、最优的经营方案及措施选取、预测未来森林状况、森林经营活动对森林状况的影响。

  3.2伐木作业虚拟仿真模块

  它是在虚拟森林环境中对伐木作业进行流程模拟和可视化模拟。即结合虚拟森林环境中的地形条件、树种类别、树木的位置、胸径、树高、树龄及林分空间结构等信息,根据系统提供的不同的伐木机械、不同的伐木强度、不同的伐木方式进行伐木作业仿真。可对不同方式的伐木作业进行对比分析(如时间、成本、生产效率、林地扰动、生态环境影响),从中选出最优的采伐模式。具体可以模拟油锯伐木作业、联合伐木机伐木作业、油锯拆装、伐木机拆装、伐区清理5个实验内容。

  3.3集材作业虚拟仿真模块

  集材作业虚拟仿真是以林区地形、地貌基本数据及林业调查数据为基础,结合机械作业基本数据,对不同集材机械作业时间、效率及林地扰动情况进行模拟研究。模块包含了主要的集材方式,如集材机集材、拖拉机集材、装载机集材、索道集材、畜力集材、滑道集材等,可以分析作业机械、林分、作业方式之间的关系,同时研究不同方案的作业生产率、成本及林地扰动情况。

  3.4原条造材及选材作业虚拟仿真模块

  原条造材是根据输入的原条长级、径级及各种木材缺陷,按材种计划,列出各种备选量材方案,并按售价最大化原则,给出最优的量材方案,对备选方案与量材方案进行比较和评价分析。原木选材包括原木的筛选、吊运及装卸作业,可分析出不同作业模式下的生产效率及作业成本。

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  模块是集现代原木生产管理理念和先进工艺技术的实验实践教学体系,采用先进的智能技术、程控技术、气动技术、光电感应量材技术和原木生产信息化管理技术,展现原木自动化生产设备结构、工作原理、技术参数和原木生产系统布局,解决原条造材优化技术与自动选材技术的实践教学问题,解决学生对贮木场原木自动化生产系统设计、自动化控制、智能技术、原条造材优化、贮木场原木生产信息化管理和原木自动化生产装备设计等实验实践的教学问题。

  3.5原木制材虚拟仿真模块

  原木制材虚拟仿真模块通过激光无损检测扫描获取原木外部形状和缺陷信息,以及根据开发的数学模型,基于扫描的原木外部缺陷信息而获得内部缺陷信息,并将所有的信息存储于数据库中。系统根据数据库的调用可以模拟原木的三维可视化(包括各种弯曲形状、外部、内部缺陷空间位置),然后对其进行虚拟锯切,最后显示锯切后的三维板材并将锯切结果存储到系统数据库中。模块对可视化的三维原木进行虚拟锯切及优化设计,进而实现木材的高效低耗利用。

  4实验考核的方式和方法

  所开发的木材生产虚拟仿真实验项目利用数字化的特点和森林工程国家级虚拟仿真实验教学平台的优势,通过以下方法对学生进行全方位、系统的考核。

  1)利用虚拟仿真实验平台进行实验报告和实验过程的管理。在实验过程中,学生在线进行实时操作,系统记录并分析学生的操作过程,对实验操作的规范性和流程性进行考核,形成考核成绩,通过自动考核方法能使教师准确地掌握学生在实验过程中的实际情况。

  2)利用森林工程国家级虚拟仿真实验教学平台的评估考核功能。为了让学生能更好地对学习效果进行自我评估,虚拟仿真实验教学平台提供自动考核功能,学生在完成实验结果的提交后,平台可自动评阅,直接显示分数和失分点。系统还提供实验考核功能,可自动辨别学生在实验过程中的熟练程度和正确率,根据实验操作中存在的错误对欠缺的知识点进行整理并提供给学生,实现对实验动态过程的管理。

  3)虚拟仿真实验教学平台提供数据分析功能。可以实现实验成绩的自动统计和汇总,为教师提供方便。为了能使教师更好地了解学生的实验水平,平台提供数据挖掘模块,可通过各种数据的分析,为教师提供更多有效信息。

  5虚拟仿真实验项目的特色与创新

  1)强化生态文明,提高作业安全意识。将生态文明意识融入到森林工程虚拟仿真实验教学项目中。木材生产虚拟仿真项目,本着“虚实结合、以虚补实、以实促虚”的原则,借助虚拟仿真实验教学平台,融入林业可持续发展、水土资源保护、动物保护等生态条件,模拟森工规划、木材生产等一系列作业过程中的生态问题及环境效应,强化学生的生态文明意识。通过真实再现森林作业环境中苛刻的自然条件及高危作业情景,使学生在虚拟体验式教学过程中深刻体验实际森林作业环境中的危险因素,加强学生的安全意识。

  2)通过木材生产虚拟仿真实验,全方位、立体化真实再现森林工程学科实践实训场景,克服了由于木材生产作业的高危险性、森林采伐的不可逆性以及采伐对生态环境的破坏性等因素造成的传统方式难以满足实践实训的需求,有效解决了野外实验实践的受限性,借助虚拟仿真技术让小课堂变成了大型实践实训基地。

  3)森林工程虚拟仿真实验教学平台融合了实验方案“设计—实施—效果评价—方案整改—再评价”的整个环节,在优化实验方案的同时使学生更好地对所学的理论知识进行深刻体验。借助虚拟仿真实验教学项目,学生可以自主选择实验时间及实验项目,自主设计实验,可充分调动学生自主能动性,成为了培养学生创新能力的实践实训平台。

  6结束语

  木材生产虚拟仿真实验项目依托东北林业大学森林工程虚拟仿真实验教学中心平台,以森林工程专业人才培养方案和木材生产技术与管理、森工规划设计、森工机械与装备、森工装备仿真技术等课程的大纲为依托,以提高教学质量、培养学生独立分析问题、解决问题的能力为宗旨,借助先进的虚拟仿真技术,开发多元化虚拟仿真教学资源并实现共享。该实验教学项目提高了实验教学质量,在人才培养方面发挥了重要的作用。——论文作者:李耀翔,狄海廷,杨德岭

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