虚拟仿真技术的林业机械课程教学改革

摘要：传统的林业机械课程教学过程中理论课与实验课是分离的，不能演示大量的林业作业装备实物，导致学生不能尽快掌握结构原理。为了适应现代科技的快速发展，引入虚拟仿真技术的教学方法，探讨虚拟仿真技术的应用推动林业机械课程教学改革，打通理论与实践的沟通瓶颈，满足学生参加创新实践训练的需要，培养学生创新思维和创新能力，适应林业装备行业个性化人才需求。

关键词：虚拟仿真技术;林业机械;教学改革

林业机械是我校机械类特色课程，是机械设计制造及其自动化重点专业的核心课程，包括理论讲授课和实验课，授课对象为机械电子工程学院和南方学院机械设计制造及其自动化专业的本科生，平均每年听课人数约为120人。开课数十年来为林业部门及相关单位培养了大批工程人才。但对于工科专业，实践环节在教学中占有举足轻重的地位。林业机械课程的很多实验具有大型、超常、高危、高污染等特点，不适宜常规实验教学；部分仪器设备价值高、台套数有限，只能进行演示教学，严重制约学生动手能力和创新意识培养。

一、虚拟仿真技术在林业机械课程应用现状

虚拟仿真技术是利用计算机科学和技术的成果建立仿真系统模型，在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。随着计算机软硬件技术的发展，虚拟仿真技术逐渐应用到教育领域中，形成一种新的教学模式。虚拟仿真教学，即利用实物或计算机创设相应的虚拟环境或工具，模拟真实事例进行操作、设计和运行的实践教学方式。我国将虚拟仿真技术应用于教学的起步较晚，相对于世界先进水平仍有较大差距。近年来，经过各高校及研究所的探索与研究取得较大进步，虚拟仿真技术在高等教育教学实践中得到越来越多的发展，不仅在课堂教学实践中作用凸显，“慕课”的发展过程也离不开虚拟仿真技术。林业机械特色课程建设在我校取得了一定成绩，教研组收集整理大量教学素材，制作上课用的PPT和一些简单的原理演示动画，但与当下林机行业的发展、教育技术的进步相比依然比较滞后。将虚拟仿真技术应用到《林业机械》交互式教学中，可以延伸现有的多媒体教学方式，将近些年林机行业的成就直观形象地展示给学生，激发他们的学习兴趣，培养他们自主学习、主动学习的习惯，对教学质量的提高具有重要的促进作用，学生直观地感受到林业机械工作过程，降低了教学难度。对于准确把握高教发展趋势、促进教育教学改革、迅速提高教育教学质量、扩大我校的知名度和影响力具有重要意义。

二、在林业机械课程教学中的实践意义

林业生产主要包括林区作业和林产品生产工厂化作业。林区作业面临树木高大、灌木丛生、地形复杂、道路艰难、环境恶劣等问题；林产品生产工厂化作业具有噪声大、粉尘多、设备和零部件运转速度高、大型生产线多、高温高压环境多、危险程度高等问题。很多实验具有大型、超常、高危、高污染等特点，如林木采伐、林业喷雾机作业实验涉及实际林地作业，实验场所很难保证且对环境影响大；林业车辆作业实验受作业环境限制、林产过程装备实验耗时长，存在能耗大、高危险等问题，不适宜常规实验教学；部分仪器设备价值高、台套数有限，限制参与实验的学生人数。运用信息化手段及虚拟仿真实验技术能够进一步丰富实验教学资源，解决林业装备传统教学过程中的实际问题，学生不进入林地和生产现场进行实际操作便能理解并掌握现代林业装备系统中真实实验无法观测的现象和机理，进一步提高教学效果。

三、在林业机械创新人才个性化培养中的现实意义

提供个性化的高质量实验是提升培养适应国家战略、具备创新意识人才的必要条件。目前，我校相关专业基础实验课程、实验学时能够得到保证。但部分课程实验教学的演示性项目比重仍然失调，严重制约了学生动手能力和创新意识的培养。通过虚拟仿真技术的应用，学生可以掌握可视化演练林业装备设计生产过程中复杂加工工艺、动态拆装过程、装备的操作流程等真实训练内容，打通理论与实践的沟通瓶颈，大幅度缩减工程应用型人才的工作岗位适应时间，满足参加创新实践训练的需要，培养创新思维和创新能力，适应林业装备行业个性化人才需求。

四、在林业机械行业发展中的战略意义

现代农业装备是“中国制造2025”重点内容，林业装备是农业装备中重要的组成部分，属于知识技术密集型、多学科多领域交叉行业，是我国战略性产业的重要组成部分。2014年我国林木加工及产品制造业产值突破2万亿元。现代林业装备是林业生产和加工过程中不可或缺的支撑，全国约有林业技术装备制造企业3000多家，涉及营林及木材生产机械装备500多种，木材加工机械设备1100多种，人造板生产机械设备800多种，产值1000亿元以上。江苏省是林业装备行业大省，60%的国家大中型林业装备企业集中在江苏，还有众多地方企业和民营高科技企业，数量和规模均居全国首位。为了培养高端现代林业装备专业人才，解决目前大型装备实践能力缺乏和高端装备创新意识不强等核心问题，迫切需要先进的虚拟仿真实验教学手段。

五、虚拟仿真技术在锯链三向力切削性能实验中的应用

锯链性能对林业抚育采伐作业的机械化程度有重要影响，锯链切削性能实验受到场地、安全、成本限制，很难进行实际测试。锯链三向力切削性能虚拟仿真实验可用来检验锯链的锋利性、进锯的轻便性、锯链运转的平稳性和锯切效率的高低，可用于检验锯链、导板和驱动链轮的高速适应能力。实验可获取锯链在不同进给系统（垂直进给、水平进给和摆动进给）、不同传动方案（机械传动和液压传动）下的三向切削力动态数据。锯链三向力切削性能虚拟仿真实验可展示锯切过程和三向切削力动态数据采集，考查锯切速度、进给速度等参数设置对于锯链锯切性能的影响.通过虚拟仿真实验，学生可以克服实际锯切木材实验时消耗大量大尺寸圆木的不利条件，虚拟仿真显示锯切速度及进给速度对锯链锯切木材时的三向切削力的影响，直观了解评定锯链锯切性能的实验方法，为适用于林区林木锯切刀具的优化设计提供了思路。通过动态仿真八角环三向测力传感器的三向力粘贴应变片及组建电桥制作过程的演示，学生便于理解同一传感器实现三个交叉方向同步测量的关键技术和方法。通过三个交叉方向电桥电路的组桥结构，学生便于理解电桥电路的和差特性。这些为林业机械特殊部位进行多方向同步精确测量提供了好方法。

六、结束语

从林业机械课程教学的现状出发，分析虚拟仿真技术在教学改革、人才培养及行业发展中的意义，结合虚拟仿真实验制作及课程教学实践，以链锯切削性能测试的虚拟仿真动画制作为案例，阐述虚拟仿真技术在林业机械教学中的应用。教学实践表明，虚拟仿真环境可有效提升课堂教学效果，有助于培养学生的创新意识，提供实践动手能力。

参考文献：

[1]陈鹏.虚拟仿真技术在服装工艺教学中的应用研究[D].湖南师范大学，2009

[2]蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2011

[3]李润声，林卫国，王树才.虚拟仿真技术在农业机械课程教学中的应用[J].农业工程，2015

[4]王长勤，周宏平，贾志成.虚拟样机技术及其在我国林业机械上的应用[C].新形势下林业机械发展论坛论文集，2010

作者:陈青 蒋雪松 许林云 周宏平 单位:南京林业大学机械电子工程学院