虛擬仿真技術(shù)的林業(yè)機(jī)械課程教學(xué)改革

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摘要：傳統(tǒng)的林業(yè)機(jī)械課程教學(xué)過程中理論課與實(shí)驗(yàn)課是分離的，不能演示大量的林業(yè)作業(yè)裝備實(shí)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(dòng)林業(yè)機(jī)械課程教學(xué)改革，打通理論與實(shí)踐的溝通瓶頸，滿足學(xué)生參加創(chuàng)新實(shí)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(gè)性化人才需求。

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

林業(yè)機(jī)械是我校機(jī)械類特色課程，是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化重點(diǎn)專業(yè)的核心課程，包括理論講授課和實(shí)驗(yàn)課，授課對(duì)象為機(jī)械電子工程學(xué)院和南方學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)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(lái)為林業(yè)部門及相關(guān)單位培養(yǎng)了大批工程人才。但對(duì)于工科專業(yè)，實(shí)踐環(huán)節(jié)在教學(xué)中占有舉足輕重的地位。林業(yè)機(jī)械課程的很多實(shí)驗(yàn)具有大型、超常、高危、高污染等特點(diǎn)，不適宜常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；部分儀器設(shè)備價(jià)值高、臺(tái)套數(shù)有限，只能進(jìn)行演示教學(xué)，嚴(yán)重制約學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)。

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

虛擬仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的成果建立仿真系統(tǒng)模型，在某些實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門綜合性技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)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(shí)物或計(jì)算機(jī)創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的虛擬環(huán)境或工具，模擬真實(shí)事例進(jìn)行操作、設(shè)計(jì)和運(yùn)行的實(shí)踐教學(xué)方式。我國(guó)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的起步較晚，相對(duì)于世界先進(jìn)水平仍有較大差距。近年來(lái)，經(jīng)過各高校及研究所的探索與研究取得較大進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)在高等教育教學(xué)實(shí)踐中得到越來(lái)越多的發(fā)展，不僅在課堂教學(xué)實(shí)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(jī)械特色課程建設(shè)在我校取得了一定成績(jī)，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(jiǎn)單的原理演示動(dòng)畫，但與當(dāng)下林機(jī)行業(yè)的發(fā)展、教育技術(shù)的進(jìn)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(jī)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(jī)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(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高具有重要的促進(jìn)作用，學(xué)生直觀地感受到林業(yè)機(jī)械工作過程，降低了教學(xué)難度。對(duì)于準(zhǔn)確把握高教發(fā)展趨勢(shì)、促進(jìn)教育教學(xué)改革、迅速提高教育教學(xué)質(zhì)量、擴(kuò)大我校的知名度和影響力具有重要意義。

二、在林業(yè)機(jī)械課程教學(xué)中的實(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)速度高、大型生產(chǎn)線多、高溫高壓環(huán)境多、危險(xiǎn)程度高等問題。很多實(shí)驗(yàn)具有大型、超常、高危、高污染等特點(diǎn)，如林木采伐、林業(yè)噴霧機(jī)作業(yè)實(shí)驗(yàn)涉及實(shí)際林地作業(yè)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所很難保證且對(duì)環(huán)境影響大；林業(yè)車輛作業(yè)實(shí)驗(yàn)受作業(yè)環(huán)境限制、林產(chǎn)過程裝備實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，存在能耗大、高危險(xiǎn)等問題，不適宜常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；部分儀器設(shè)備價(jià)值高、臺(tái)套數(shù)有限，限制參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)。運(yùn)用信息化手段及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠進(jìn)一步豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，解決林業(yè)裝備傳統(tǒng)教學(xué)過程中的實(shí)際問題，學(xué)生不進(jìn)入林地和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際操作便能理解并掌握現(xiàn)代林業(yè)裝備系統(tǒng)中真實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法觀測(cè)的現(xiàn)象和機(jī)理，進(jìn)一步提高教學(xué)效果。

三、在林業(yè)機(jī)械創(chuàng)新人才個(gè)性化培養(yǎng)中的現(xiàn)實(shí)意義

提供個(gè)性化的高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)是提升培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略、具備創(chuàng)新意識(shí)人才的必要條件。目前，我校相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)能夠得到保證。但部分課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的演示性項(xiàng)目比重仍然失調(diào)，嚴(yán)重制約了學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)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(jì)生產(chǎn)過程中復(fù)雜加工工藝、動(dòng)態(tài)拆裝過程、裝備的操作流程等真實(shí)訓(xùn)練內(nèi)容，打通理論與實(shí)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(shí)間，滿足參加創(chuàng)新實(shí)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(gè)性化人才需求。

四、在林業(yè)機(jī)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(guó)制造2025”重點(diǎn)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(shí)技術(shù)密集型、多學(xué)科多領(lǐng)域交叉行業(yè)，是我國(guó)戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。2014年我國(guó)林木加工及產(chǎn)品制造業(yè)產(chǎn)值突破2萬(wàn)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(guó)約有林業(yè)技術(shù)裝備制造企業(yè)3000多家，涉及營(yíng)林及木材生產(chǎn)機(jī)械裝備500多種，木材加工機(jī)械設(shè)備1100多種，人造板生產(chǎn)機(jī)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(guó)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(yíng)高科技企業(yè)，數(shù)量和規(guī)模均居全國(guó)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(shí)踐能力缺乏和高端裝備創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)等核心問題，迫切需要先進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。

五、虛擬仿真技術(shù)在鋸鏈三向力切削性能實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

鋸鏈性能對(duì)林業(yè)撫育采伐作業(yè)的機(jī)械化程度有重要影響，鋸鏈切削性能實(shí)驗(yàn)受到場(chǎng)地、安全、成本限制，很難進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。鋸鏈三向力切削性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可用來(lái)檢驗(yàn)鋸鏈的鋒利性、進(jìn)鋸的輕便性、鋸鏈運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和鋸切效率的高低，可用于檢驗(yàn)鋸鏈、導(dǎo)板和驅(qū)動(dòng)鏈輪的高速適應(yīng)能力。實(shí)驗(yàn)可獲取鋸鏈在不同進(jìn)給系統(tǒng)（垂直進(jìn)給、水平進(jìn)給和擺動(dòng)進(jìn)給）、不同傳動(dòng)方案（機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)）下的三向切削力動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。鋸鏈三向力切削性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可展示鋸切過程和三向切削力動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，考查鋸切速度、進(jìn)給速度等參數(shù)設(shè)置對(duì)于鋸鏈鋸切性能的影響.通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以克服實(shí)際鋸切木材實(shí)驗(yàn)時(shí)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(jìn)給速度對(duì)鋸鏈鋸切木材時(shí)的三向切削力的影響，直觀了解評(píng)定鋸鏈鋸切性能的實(shí)驗(yàn)方法，為適用于林區(qū)林木鋸切刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路。通過動(dòng)態(tài)仿真八角環(huán)三向測(cè)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(shí)現(xiàn)三個(gè)交叉方向同步測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)和方法。通過三個(gè)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(jī)械特殊部位進(jìn)行多方向同步精確測(cè)量提供了好方法。

六、結(jié)束語(yǔ)

從林業(yè)機(jī)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(shí)驗(yàn)制作及課程教學(xué)實(shí)踐，以鏈鋸切削性能測(cè)試的虛擬仿真動(dòng)畫制作為案例，闡述虛擬仿真技術(shù)在林業(yè)機(jī)械教學(xué)中的應(yīng)用。教學(xué)實(shí)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(shí)，提供實(shí)踐動(dòng)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(jī)械電子工程學(xué)院