歷美岑　薛偉　辛穎

摘要 研究以東北林業(yè)大學(xué)森林工程立體程控沙盤虛擬實(shí)驗(yàn)室為例，介紹了森林工程教學(xué)通過沙盤模擬采伐作業(yè)、集材作業(yè)、木材運(yùn)輸、貯木場作業(yè)、林道網(wǎng)規(guī)劃以及林區(qū)總體規(guī)劃的應(yīng)用情況，分析了沙盤模擬在改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，彌補(bǔ)實(shí)地勘測的不足，提高學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)和溝通能力，培養(yǎng)協(xié)作精神方面的優(yōu)勢。同時(shí)，分析了沙盤模擬在森林工程教學(xué)中的局限性，進(jìn)而從沙盤模型實(shí)際化、多樣化、精細(xì)化方面探討了沙盤模擬的改進(jìn)措施。期望通過該研究為相關(guān)院校的森林工程教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞 沙盤；模擬；森林工程；教學(xué)改革

中圖分類號(hào) S-01；G420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2016）05-331-03

Abstract Taking the virtual laboratory of forest engineering stereo programcontrolled sand table of Northeast Forestry University as an example， we introduced the application situation of sand table simulation logging， skidding operation， wood transportation， log yard operation， forest road net plan， and forest area overall planning. Advantages of sand table simulation were analyzed in changing the traditional experimental teaching mode， making up for the inadequacy of field survey， improving students flexible use of knowledge and their communication skills， and cultivating spirit of collaboration. At the same time， limitations of sand table simulation in forestry teaching were discussed. Improvement measures of sand table limitation were discussed from the aspects of pragmatizing， diversification and refinement. This research provides references for the forest engineering teaching in relevant colleges and universities.

Key words Sand table； Simulation； Forest engineering； Teaching reform

森林工程是森林資源建設(shè)與保護(hù)、開發(fā)與利用中的非生物工程[1]。森工作業(yè)主要包括采伐作業(yè)、集材作業(yè)、木材運(yùn)輸、貯木場作業(yè)等幾個(gè)方面。由于森工作業(yè)的特殊性，相關(guān)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)受到自然條件及生態(tài)條件的限制[2]，如森林采伐的不可逆性和木材生產(chǎn)作業(yè)的高危性等。結(jié)合聲、光、電一體化控制的森工立體程控多媒體沙盤恰好可以解決野外實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的受限性，可以為學(xué)生直觀、生動(dòng)地展現(xiàn)森工作業(yè)過程。

森工立體程控沙盤是以計(jì)算機(jī)多媒體程控技術(shù)為支撐，集聲、光像、字幕同步顯示等功能，立體化和模塊化地展現(xiàn)森工林區(qū)內(nèi)的山形、水系、地形、地勢、溝壑、丘嶺，以及局、場址、生活區(qū)等的沙盤模型[3-4]。在按照真實(shí)林區(qū)等比例縮小的沙盤上，森工作業(yè)整個(gè)工藝流程被動(dòng)態(tài)、細(xì)致、逼真地展示出來，如伐木過程、樹木傾倒、不同的采伐方式、不同的集材方式、不同的運(yùn)材方式以及在貯木場的選材、造材、歸楞等。在立體程控沙盤上還可以直觀地看到森工作業(yè)伐區(qū)的區(qū)劃，并用不同的燈光顏色來區(qū)分伐區(qū)內(nèi)的林分組成（如針葉、闊葉、喬木、灌木叢和地表植被等）。筆者以東北林業(yè)大學(xué)森林工程立體程控沙盤虛擬實(shí)驗(yàn)室為例，重點(diǎn)討論沙盤模擬在森林工程教學(xué)中的應(yīng)用和優(yōu)勢，分析其在教學(xué)中的局限性，針對(duì)性地提出了改進(jìn)沙盤模型的方法。

1 沙盤模擬在森工教學(xué)中的應(yīng)用

1.1 模擬采伐作業(yè)

森林采伐是對(duì)森林進(jìn)行的一項(xiàng)經(jīng)營管理活動(dòng)，是森工作業(yè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[5-6]。 在虛擬沙盤模型的采伐作業(yè)區(qū)內(nèi)，可模擬森林采伐中的主伐方式，包括皆伐、擇伐和漸伐，也可模擬不同的采伐強(qiáng)度，還可以模擬人工采伐和聯(lián)合機(jī)械采伐。在實(shí)際的森工作業(yè)中，采用何種采伐方式受到林齡、郁閉度、地理?xiàng)l件等因素的影響，采伐強(qiáng)度受到土壤條件、地勢條件、光照條件等因素的影響。學(xué)生可以根據(jù)沙盤模擬真實(shí)林區(qū)的環(huán)境，選擇合適的采伐方式及采伐強(qiáng)度，直觀地、深刻地了解伐區(qū)采伐作業(yè)過程。

1.2 模擬集材作業(yè)

集材作業(yè)是繼采伐作業(yè)后的一道重要工序，是指將木材從采伐作業(yè)地點(diǎn)匯集到山上楞場或裝車場的作業(yè)[7]。在沙盤模型中，學(xué)生可以根據(jù)不同的采伐區(qū)域、林地狀況、地勢條件等因素，從畜力、拖拉機(jī)、索道、滑道、水運(yùn)5種不同的集材方式中選出最為恰當(dāng)?shù)募姆绞?，模擬被伐倒的樹木從采伐點(diǎn)被運(yùn)到山上楞場或裝車場的過程，整個(gè)過程直觀清晰，有助于學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)和理解集材作業(yè)的流程。

1.3 模擬木材運(yùn)輸

在沙盤模型中，模擬木材運(yùn)輸可以通過兩種運(yùn)輸方式，即陸運(yùn)和水運(yùn)來實(shí)現(xiàn)。其中陸運(yùn)又可分為森林鐵路運(yùn)輸和森林公路運(yùn)輸。在沙盤模型中運(yùn)材列車和運(yùn)材汽車的運(yùn)輸過程都能夠被動(dòng)態(tài)地模擬出來，水運(yùn)主要是通過木材漂流的方式進(jìn)行，運(yùn)輸過程直觀、逼真。采用何種運(yùn)輸方式主要受地理?xiàng)l件、運(yùn)輸經(jīng)費(fèi)等因素的影響，在實(shí)際的森工作業(yè)中，可把沙盤模擬結(jié)果和實(shí)際情況結(jié)合起來，綜合考量，采取合適的木材運(yùn)輸方式。

1.4 模擬貯木場作業(yè)

貯木場具有木材生產(chǎn)、貯存和銷售三大特性，在木材的產(chǎn)銷之間起調(diào)節(jié)和緩沖作用[8]。在沙盤模型中，貯木場內(nèi)的林業(yè)機(jī)械裝置和設(shè)備，包括裝卸橋和門式起重機(jī)等可以實(shí)現(xiàn)森工作業(yè)中的木材卸車、歸楞和裝車等功能，原條自動(dòng)化生產(chǎn)線模型可實(shí)現(xiàn)模擬造材、選材等功能，電控模擬技術(shù)可實(shí)現(xiàn)展示板材加工、木材削片等功能。通過虛擬沙盤模型的模擬，可使學(xué)生較為全面地了解整個(gè)貯木場的作業(yè)流程。

1.5 模擬林道網(wǎng)規(guī)劃

林區(qū)道路的狀況直接關(guān)系到整個(gè)林區(qū)的交通運(yùn)輸、木材的生產(chǎn)成本、森林防火等一系列問題[9]。林區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)的建立受到地理?xiàng)l件，不同的集材、運(yùn)材方式，木材年運(yùn)量、平均運(yùn)距等因素的影響，可以根據(jù)沙盤模型中現(xiàn)有的集材、運(yùn)材方式和地理?xiàng)l件等來模擬林道網(wǎng)的建立，通過數(shù)學(xué)建模來確定各種影響因素的權(quán)重，從而為真實(shí)林區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)的建立提出有價(jià)值的建議。

1.6 模擬林區(qū)總體規(guī)劃

學(xué)生可以根據(jù)沙盤模型中的山形地勢、林相分布、森林蓄積量來模擬區(qū)劃作業(yè)伐區(qū)、林班。在沙盤模擬的伐區(qū)內(nèi)合理地選擇作業(yè)機(jī)械設(shè)備，設(shè)計(jì)集材道、運(yùn)材道乃至林區(qū)公路網(wǎng)，確定最優(yōu)化的各項(xiàng)森工生產(chǎn)作業(yè)工序。利用森工立體程控多媒體沙盤，還可以建立有效的森林防火控制網(wǎng)及森林病蟲害防護(hù)網(wǎng)?？傊?，可以通過沙盤模型對(duì)森林作業(yè)環(huán)境中的很多生產(chǎn)作業(yè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而達(dá)到模擬林區(qū)總體規(guī)劃的目的。

2 沙盤模擬在森工教學(xué)中的優(yōu)勢

2.1 改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和教學(xué)模式

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法中學(xué)生的主動(dòng)性、參與性不足，教學(xué)方法以灌輸式為主，學(xué)生照葫蘆畫瓢，難以調(diào)動(dòng)積極性，實(shí)驗(yàn)形式單調(diào)、枯燥，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容定型、成熟、經(jīng)典，實(shí)驗(yàn)手段落后，這些因素都會(huì)影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。因此，迫切需要以實(shí)驗(yàn)方法的多樣化，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的新穎化，實(shí)驗(yàn)手段的現(xiàn)代化來提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程及教學(xué)效果。而森工立體程控多媒體沙盤模擬實(shí)驗(yàn)正迎合了這一需求，為森林工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)開辟了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)途徑和手段，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式基本上只局限于教師課堂講解[10-12]，學(xué)生只能被動(dòng)地接收教師講授的知識(shí)。對(duì)森工立體程控沙盤的操控需要學(xué)生自己“親力親為”，這樣恰好可以幫助學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，對(duì)教師傳授的知識(shí)也理解得更透徹。這種“師生互動(dòng)”的教學(xué)方式從根本上改變了“教師為主，學(xué)生為輔”的教育現(xiàn)象，不但激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)與教師溝通、解決，達(dá)到“共同學(xué)習(xí)”的效果。

2.2 彌補(bǔ)了學(xué)生不能實(shí)地勘測的不足

實(shí)際的森工作業(yè)會(huì)受到季節(jié)、環(huán)境、工作條件等因素的影響，所以全體學(xué)生到林場進(jìn)行實(shí)地勘測、設(shè)計(jì)存在一定難度，而森工立體程控沙盤的建立恰好彌補(bǔ)了這一缺陷。森工立體沙盤模擬實(shí)驗(yàn)將森林作業(yè)理論和生產(chǎn)操作過程等復(fù)雜理論以最直觀的方式全部展示在沙盤上，供學(xué)生身臨其境地感受、體驗(yàn)和學(xué)習(xí)，學(xué)生的動(dòng)手能力在實(shí)驗(yàn)中也得到了很大的提升。學(xué)生把理論知識(shí)與沙盤模型相結(jié)合，這種學(xué)習(xí)方式能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，動(dòng)手操作也增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的娛樂性。

2.3 提高了學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力

在操作森工立體程控沙盤的時(shí)候，需要學(xué)生運(yùn)用各方面的知識(shí)，在木材生產(chǎn)方面有木材采伐、森工規(guī)劃設(shè)計(jì)、林區(qū)道路設(shè)計(jì)及森工生產(chǎn)機(jī)械選型等；在物流運(yùn)輸方面有木材運(yùn)輸、木材倉儲(chǔ)及木材調(diào)撥等；在管理方面有森工生產(chǎn)作業(yè)管理、木材商品調(diào)配、倉儲(chǔ)管理。在通過森工立體程控沙盤完成某一項(xiàng)森工作業(yè)時(shí)也要考慮很多影響因素，比如模擬采伐作業(yè)，就要通過林齡、郁閉度等因素綜合考慮采用何種主伐方式及多大的采伐強(qiáng)度。模擬木材運(yùn)輸時(shí)，也要根據(jù)地理?xiàng)l件、運(yùn)輸經(jīng)費(fèi)等因素來確定采用陸運(yùn)或水運(yùn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中會(huì)遇到各種各樣問題，這種情況下就需要學(xué)生運(yùn)用學(xué)到的理論知識(shí)來解決問題。通過這種方式的鍛煉，學(xué)生可以很大程度提高靈活運(yùn)用知識(shí)的能力，也可以扎實(shí)地、深刻地掌握知識(shí)。

2.4 培養(yǎng)了學(xué)生的溝通能力和協(xié)作精神

現(xiàn)在的學(xué)生普遍缺乏溝通能力和協(xié)作精神。而在沙盤模擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生會(huì)遇到各種問題，這時(shí)就十分需要學(xué)生發(fā)揮團(tuán)隊(duì)精神。當(dāng)問題出現(xiàn)時(shí)，學(xué)生需要分組討論，得出一個(gè)較為優(yōu)化的解決方案。而在此過程中，學(xué)生的溝通技能和團(tuán)隊(duì)意識(shí)得到鍛煉。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生除了學(xué)到知識(shí)以外，溝通能力也得到了很大的提高。學(xué)生親身體驗(yàn)到團(tuán)隊(duì)內(nèi)部成員間溝通、合作的重要性，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)精神，達(dá)到了更好的教學(xué)效果。

3 沙盤模擬在森工教學(xué)中的局限性

3.1 沙盤模擬畢竟是“模擬”

森工作業(yè)是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的作業(yè)過程，而森工立體程控沙盤只能模擬具有代表性的森工作業(yè)過程，而不能模擬所有森工作業(yè)過程。讓學(xué)生對(duì)主要的森工作業(yè)流程有直觀的認(rèn)識(shí)，掌握森工作業(yè)知識(shí)，才是建立此套沙盤教學(xué)系統(tǒng)的目的。學(xué)生不應(yīng)該把在沙盤實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果完全視為實(shí)際情況，真實(shí)的森工作業(yè)要比沙盤實(shí)驗(yàn)的影響因素多一些。因此，學(xué)生要正確看待森工立體程控沙盤在森林工程教學(xué)中的應(yīng)用[13]。

3.2 沙盤以特定林區(qū)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)

森工立體程控沙盤是以大興安嶺林管局某一林場的山形、水系、地形、地勢、林相和樹種組成等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)設(shè)計(jì)的，雖然能較好地代表該林區(qū)的地理?xiàng)l件、林分組成等基本情況，但是我國林區(qū)較多，且每個(gè)林區(qū)的情況不盡相同。該沙盤模型在模擬林區(qū)的數(shù)量上存在一定局限性，不能很好地代表其他林區(qū)的情況。

3.3 沙盤是特定林區(qū)的簡化模型

森工立體程控沙盤是以大興安嶺林管局某一林場為模型簡化而成，因此忽略了該林場的個(gè)別細(xì)節(jié)，林場的實(shí)際情況并不能被完全展現(xiàn)出來。所以，學(xué)生應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到沙盤模擬的結(jié)果與實(shí)際森工作業(yè)存在一定的差異，不能把實(shí)驗(yàn)結(jié)果照搬到實(shí)際中。在進(jìn)行森工規(guī)劃時(shí)，學(xué)生應(yīng)把林場的實(shí)際情況、教師講授的理論與沙盤模擬結(jié)果相結(jié)合，再做出合適的規(guī)劃方案。

4 沙盤模型的改進(jìn)

4.1 沙盤模型實(shí)際化

雖然沙盤模擬不能完全代表整個(gè)森工作業(yè)的過程，但是能讓學(xué)生對(duì)森林作業(yè)的主要過程有直觀的了解和認(rèn)識(shí)。此基礎(chǔ)上，在條件允許的情況下，學(xué)生應(yīng)該深入林區(qū)，親身觀察、體驗(yàn)林區(qū)的各個(gè)作業(yè)過程，包括采伐作業(yè)、集材作業(yè)、木材運(yùn)輸、貯木場作業(yè)等，將沙盤模擬和實(shí)際森工作業(yè)情況相結(jié)合，真正明白森工作業(yè)的整個(gè)工藝過程。

4.2 沙盤模型多樣化

森工立體程控沙盤只能代表大興安嶺林管局某一林場的地理?xiàng)l件、林分組成等情況，所以，該沙盤在其他林場森工作業(yè)中的應(yīng)用還存在一定的局限性。在各項(xiàng)條件允許的情況下，森工立體程控沙盤的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮以多個(gè)林區(qū)或林場為依據(jù)，這樣能夠幫助學(xué)生拓寬知識(shí)面，使理論更加貼合實(shí)際，有利于培養(yǎng)森工實(shí)用型人才。

4.3 沙盤模型精細(xì)化

森工立體程控沙盤只能代表大興安嶺林管局某一林場的大致情況，在細(xì)節(jié)處理方面存在一定的缺陷。所以在沙盤的設(shè)計(jì)上應(yīng)該精細(xì)化，在經(jīng)費(fèi)及資源允許的情況下，針對(duì)林區(qū)的某些在沙盤沒有體現(xiàn)出來的細(xì)節(jié)，可制作另一個(gè)沙盤將這個(gè)細(xì)節(jié)放大，讓學(xué)生能夠直觀地看到林區(qū)的各個(gè)細(xì)節(jié)，做到沙盤模型與林區(qū)實(shí)際情況盡量貼合，幫助學(xué)生更好地掌握森工作業(yè)知識(shí)和理解森工作業(yè)流程。

5 結(jié)語

融合了聲、光、電一體化控制和多媒體等技術(shù)的森工立體程控沙盤是一套綜合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。在森林工程教學(xué)中運(yùn)用森工立體程控沙盤，不僅彌補(bǔ)了學(xué)生不能實(shí)地勘測的不足，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，而且還提高了學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力和動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的溝通能力和協(xié)作精神。沙盤模擬在森林工程教學(xué)中還存在一些局限性，因此筆者針對(duì)性地提出了改善沙盤教學(xué)模式的方法。森工立體程控沙盤為森林工程模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)直觀、形象、生動(dòng)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)不僅可以節(jié)省大量野外實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)，而且還可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，對(duì)于培養(yǎng)森林工程方面的應(yīng)用型、復(fù)合型人才起到重要作用。筆者希望該研究能在其他林科院校中關(guān)于沙盤模型在森林工程教學(xué)的應(yīng)用起到一定拋磚引玉的作用。

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