虛擬仿真技術(shù)的林業(yè)機械課程教學(xué)改革

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摘要：傳統(tǒng)的林業(yè)機械課程教學(xué)過程中理論課與實驗課是分離的，不能演示大量的林業(yè)作業(yè)裝備實物，導(dǎo)致學(xué)生不能盡快掌握結(jié)構(gòu)原理。為了適應(yīng)現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，引入虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)方法，探討虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用推動林業(yè)機械課程教學(xué)改革，打通理論與實踐的溝通瓶頸，滿足學(xué)生參加創(chuàng)新實踐訓(xùn)練的需要，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，適應(yīng)林業(yè)裝備行業(yè)個性化人才需求。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);林業(yè)機械;教學(xué)改革

林業(yè)機械是我校機械類特色課程，是機械設(shè)計制造及其自動化重點專業(yè)的核心課程，包括理論講授課和實驗課，授課對象為機械電子工程學(xué)院和南方學(xué)院機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的本科生，平均每年聽課人數(shù)約為120人。開課數(shù)十年來為林業(yè)部門及相關(guān)單位培養(yǎng)了大批工程人才。但對于工科專業(yè)，實踐環(huán)節(jié)在教學(xué)中占有舉足輕重的地位。林業(yè)機械課程的很多實驗具有大型、超常、高危、高污染等特點，不適宜常規(guī)實驗教學(xué)；部分儀器設(shè)備價值高、臺套數(shù)有限，只能進行演示教學(xué)，嚴重制約學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識培養(yǎng)。

一、虛擬仿真技術(shù)在林業(yè)機械課程應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)是利用計算機科學(xué)和技術(shù)的成果建立仿真系統(tǒng)模型，在某些實驗條件下對模型進行動態(tài)實驗的一門綜合性技術(shù)。隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸應(yīng)用到教育領(lǐng)域中，形成一種新的教學(xué)模式。虛擬仿真教學(xué)，即利用實物或計算機創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的虛擬環(huán)境或工具，模擬真實事例進行操作、設(shè)計和運行的實踐教學(xué)方式。我國將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的起步較晚，相對于世界先進水平仍有較大差距。近年來，經(jīng)過各高校及研究所的探索與研究取得較大進步，虛擬仿真技術(shù)在高等教育教學(xué)實踐中得到越來越多的發(fā)展，不僅在課堂教學(xué)實踐中作用凸顯，“慕課”的發(fā)展過程也離不開虛擬仿真技術(shù)。林業(yè)機械特色課程建設(shè)在我校取得了一定成績，教研組收集整理大量教學(xué)素材，制作上課用的PPT和一些簡單的原理演示動畫，但與當下林機行業(yè)的發(fā)展、教育技術(shù)的進步相比依然比較滯后。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到《林業(yè)機械》交互式教學(xué)中，可以延伸現(xiàn)有的多媒體教學(xué)方式，將近些年林機行業(yè)的成就直觀形象地展示給學(xué)生，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)、主動學(xué)習(xí)的習(xí)慣，對教學(xué)質(zhì)量的提高具有重要的促進作用，學(xué)生直觀地感受到林業(yè)機械工作過程，降低了教學(xué)難度。對于準確把握高教發(fā)展趨勢、促進教育教學(xué)改革、迅速提高教育教學(xué)質(zhì)量、擴大我校的知名度和影響力具有重要意義。

二、在林業(yè)機械課程教學(xué)中的實踐意義

林業(yè)生產(chǎn)主要包括林區(qū)作業(yè)和林產(chǎn)品生產(chǎn)工廠化作業(yè)。林區(qū)作業(yè)面臨樹木高大、灌木叢生、地形復(fù)雜、道路艱難、環(huán)境惡劣等問題；林產(chǎn)品生產(chǎn)工廠化作業(yè)具有噪聲大、粉塵多、設(shè)備和零部件運轉(zhuǎn)速度高、大型生產(chǎn)線多、高溫高壓環(huán)境多、危險程度高等問題。很多實驗具有大型、超常、高危、高污染等特點，如林木采伐、林業(yè)噴霧機作業(yè)實驗涉及實際林地作業(yè)，實驗場所很難保證且對環(huán)境影響大；林業(yè)車輛作業(yè)實驗受作業(yè)環(huán)境限制、林產(chǎn)過程裝備實驗耗時長，存在能耗大、高危險等問題，不適宜常規(guī)實驗教學(xué)；部分儀器設(shè)備價值高、臺套數(shù)有限，限制參與實驗的學(xué)生人數(shù)。運用信息化手段及虛擬仿真實驗技術(shù)能夠進一步豐富實驗教學(xué)資源，解決林業(yè)裝備傳統(tǒng)教學(xué)過程中的實際問題，學(xué)生不進入林地和生產(chǎn)現(xiàn)場進行實際操作便能理解并掌握現(xiàn)代林業(yè)裝備系統(tǒng)中真實實驗無法觀測的現(xiàn)象和機理，進一步提高教學(xué)效果。

三、在林業(yè)機械創(chuàng)新人才個性化培養(yǎng)中的現(xiàn)實意義

提供個性化的高質(zhì)量實驗是提升培養(yǎng)適應(yīng)國家戰(zhàn)略、具備創(chuàng)新意識人才的必要條件。目前，我校相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程、實驗學(xué)時能夠得到保證。但部分課程實驗教學(xué)的演示性項目比重仍然失調(diào)，嚴重制約了學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)生可以掌握可視化演練林業(yè)裝備設(shè)計生產(chǎn)過程中復(fù)雜加工工藝、動態(tài)拆裝過程、裝備的操作流程等真實訓(xùn)練內(nèi)容，打通理論與實踐的溝通瓶頸，大幅度縮減工程應(yīng)用型人才的工作崗位適應(yīng)時間，滿足參加創(chuàng)新實踐訓(xùn)練的需要，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，適應(yīng)林業(yè)裝備行業(yè)個性化人才需求。

四、在林業(yè)機械行業(yè)發(fā)展中的戰(zhàn)略意義

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備是“中國制造2025”重點內(nèi)容，林業(yè)裝備是農(nóng)業(yè)裝備中重要的組成部分，屬于知識技術(shù)密集型、多學(xué)科多領(lǐng)域交叉行業(yè)，是我國戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。2014年我國林木加工及產(chǎn)品制造業(yè)產(chǎn)值突破2萬億元。現(xiàn)代林業(yè)裝備是林業(yè)生產(chǎn)和加工過程中不可或缺的支撐，全國約有林業(yè)技術(shù)裝備制造企業(yè)3000多家，涉及營林及木材生產(chǎn)機械裝備500多種，木材加工機械設(shè)備1100多種，人造板生產(chǎn)機械設(shè)備800多種，產(chǎn)值1000億元以上。江蘇省是林業(yè)裝備行業(yè)大省，60%的國家大中型林業(yè)裝備企業(yè)集中在江蘇，還有眾多地方企業(yè)和民營高科技企業(yè)，數(shù)量和規(guī)模均居全國首位。為了培養(yǎng)高端現(xiàn)代林業(yè)裝備專業(yè)人才，解決目前大型裝備實踐能力缺乏和高端裝備創(chuàng)新意識不強等核心問題，迫切需要先進的虛擬仿真實驗教學(xué)手段。

五、虛擬仿真技術(shù)在鋸鏈三向力切削性能實驗中的應(yīng)用

鋸鏈性能對林業(yè)撫育采伐作業(yè)的機械化程度有重要影響，鋸鏈切削性能實驗受到場地、安全、成本限制，很難進行實際測試。鋸鏈三向力切削性能虛擬仿真實驗可用來檢驗鋸鏈的鋒利性、進鋸的輕便性、鋸鏈運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和鋸切效率的高低，可用于檢驗鋸鏈、導(dǎo)板和驅(qū)動鏈輪的高速適應(yīng)能力。實驗可獲取鋸鏈在不同進給系統(tǒng)（垂直進給、水平進給和擺動進給）、不同傳動方案（機械傳動和液壓傳動）下的三向切削力動態(tài)數(shù)據(jù)。鋸鏈三向力切削性能虛擬仿真實驗可展示鋸切過程和三向切削力動態(tài)數(shù)據(jù)采集，考查鋸切速度、進給速度等參數(shù)設(shè)置對于鋸鏈鋸切性能的影響.通過虛擬仿真實驗，學(xué)生可以克服實際鋸切木材實驗時消耗大量大尺寸圓木的不利條件，虛擬仿真顯示鋸切速度及進給速度對鋸鏈鋸切木材時的三向切削力的影響，直觀了解評定鋸鏈鋸切性能的實驗方法，為適用于林區(qū)林木鋸切刀具的優(yōu)化設(shè)計提供了思路。通過動態(tài)仿真八角環(huán)三向測力傳感器的三向力粘貼應(yīng)變片及組建電橋制作過程的演示，學(xué)生便于理解同一傳感器實現(xiàn)三個交叉方向同步測量的關(guān)鍵技術(shù)和方法。通過三個交叉方向電橋電路的組橋結(jié)構(gòu)，學(xué)生便于理解電橋電路的和差特性。這些為林業(yè)機械特殊部位進行多方向同步精確測量提供了好方法。

六、結(jié)束語

從林業(yè)機械課程教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，分析虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)改革、人才培養(yǎng)及行業(yè)發(fā)展中的意義，結(jié)合虛擬仿真實驗制作及課程教學(xué)實踐，以鏈鋸切削性能測試的虛擬仿真動畫制作為案例，闡述虛擬仿真技術(shù)在林業(yè)機械教學(xué)中的應(yīng)用。教學(xué)實踐表明，虛擬仿真環(huán)境可有效提升課堂教學(xué)效果，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提供實踐動手能力。

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作者:陳青 蔣雪松 許林云 周宏平 單位:南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院