1. 建设背景
随着我国高等教育飞速发展,现已迈入“双一流”新时代,“双一流”建设重要内涵之一是抓住信息技术变革带来的机遇,实现高等教育变轨超车。“互联网+”背景下实验教学改革对“双一流”建设起到至关重要的作用,理论联系实际是提高实践创新能力的必由之路,实验教学是高等教育人才培养质量的基本保证,好的教学方案落实在课程,好的课程体现在优秀教师和实验教学 [1] - [6]。
教育部吴岩司长在《建设中国金课》的报告中指出,淘汰水课,打造“线上和线下”有机结合并达到“两性一度”标准的金课,国家级虚拟仿真实验教学项目就是国家级金课,破解了高校实验实训教学老大难问题,使原来“做不到”、“做不好”、“做不了”、“做不上”的实验实训教学成为可能,充分提高学生创新设计能力和研究探索能力 [7]。
根据教育部办公厅[2017] 4号文件《教育部办公厅关于2017~2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》,深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合,不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用,着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平,经研究,决定在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上,于2017~2020年在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作 [8]。
2. 建设目的
在国家高等教育“双一流”建设推动下,学校加大了建设力度,实验室建设实现了较高水平的快速发展。由于森林工程类专业的特殊性,许多实验实习受到自然条件及生态条件的限制,如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。其中,森林采伐作业是整个木材生产过程中重要的环节之一,伐木的机械化程度是影响木材生产作业效率的重要因素。
本项目以行业内两种典型的伐木机械(STIHL油锯:型号为MS250;智能联合伐木机的伐木头装置:型号为SCANIAR480)为对象,以虚拟现实引擎工具为技术开发平台,结合3D建模、计算机网络、动画模拟、人机交互等手段,以二维和三维结合的方式,通过伐木头、油锯等森工机械装备的虚拟拆装及伐木实验,熟悉典型森工机械与装备的用途、性能、结构和工作原理,能够对典型森工机械的结构进行设计,培养学生的实践动手能力及创新思维,打通理论学习与生产实践的有效衔接。
3. 系统架构及总体设计
系统采用B/S架构,用户通过PC访问Web版本对系统功能进行访问及交互,系统总体框架如图1所示 [9] [10] [11]。
![](//html.hanspub.org/file/3-3091146x10_hanspub.png)
Figure 1. Overall framework of the system
图1. 系统总体框架图
总体层次结构分为“基础支撑层”、“数据库与模型系统”、“仿真系统支撑平台”和“系统应用平台”等4层。
1) 基础支撑层
基础支撑层是系统安全可靠运行的支撑与保障,包括与系统建设相关的法规及标准体系和运行环境体系两部分。其中,法规及标准体系包括系统运行的组织管理机构保障体系、运维管理保障体系、政策法规体系以及相关的计算机数据、服务、应用标准规范体系等。运行环境体系包括机房基础设施、硬件及网络、系统软件等。
2) 数据库与模型系统
数据库与模型是“森工采伐机械虚拟仿真实验项目”的基础,它包括两部分的内容,其中数据库中主要以字段的形式存放相关属性信息、说明文字等数据;模型中既包含了虚拟场景中所用到的模型数据,又包含场景及用户界面所需的动画、纹理、音频、视频数据等,模型中的信息通过索引和元数据的形式与数据库相关联,并以附加数据文件的形式可通过浏览器进行访问。
3) 仿真系统支撑平台
仿真系统支撑平台是“森工采伐机械虚拟仿真实验项目”所模拟的各个设备的虚拟场景,它们是整个系统主要的活动平台。在实现上,一个工艺即是一个生产,各个生产都放置的有相应的机器设备模型,操作者可以在场景中随意漫游观察各个设备的运作过程和情况,并可以对某些设备进行操作考核,通过点击各设备上的考核按钮,即可进行此设备的考试。
4) 系统应用平台
应用层为所构建样机软件的用户交互入口,将油锯拆装虚拟仿真模块、伐木头拆装虚拟仿真模块、联合采伐收割机伐木虚拟仿真模块在web端界面中展现,支持用户以多种操作查看动画过程。同时也作为显示层和数据层的外部输入入口,接收用户输入数据进行仿真分析并将信息呈现。
4. 虚拟仿真实验的交互操作步骤及考核
学生在学习理论知识后,通过预习实验指导书、观看油锯和伐木头的拆装过程演示、了解油锯结构和伐木头结构的设计原则等;然后进行上述过程的操作练习,在练习过程中,如果发生操作错误,则会在界面上进行错误提示;最后进行考试环节的测试,在考试环节中,如发生错误操作,界面不进行任何错误提示并在后台依据错误进行扣分,最终实验平台给出考核成绩并指出操作错误信息。学生通过虚拟仿真实验数据可进行进一步地练习操作,进而实现“小课堂变身实验实训大基地”的目的。
实验操作部分作为系统最主要的部分,分为教学、训练、测试三种方式。在教学模式中,以演示的形式播放;在训练模式中,学生需要按照操作步骤进行操作,会有文字提示引导学生完成实验过程;在考核模式中,完全靠学生自主完成整个实验的操作过程,系统自动判断学生操作的正确性,在关键步骤中设置考核点。具体详细操作步骤如下:
1) 油锯拆装虚拟仿真实验模块
① 油锯拆解教学:打开油锯拆解演示按钮,系统自动对油锯进行顺序拆解,屏幕上显示零件的名称,同时系统配有声音,对拆解各零件的名称和用途进行解释说明。见图2油锯拆解教学。
![](//html.hanspub.org/file/3-3091146x11_hanspub.png)
Figure 2. Dismantling teaching of chain saw
图2. 油锯拆解教学
② 油锯装配教学:打开油锯装配演示按钮,系统自动对油锯进行顺序装配,屏幕上显示零件的名称,同时系统配有声音,对装配各零件的名称进行解释说明。见图3油锯装备教学。
③ 油锯拆解考核:打开油锯拆解考核按钮,系统弹出考核说明,点击“开始考核”按钮后,系统开始自动计时,对油锯的拆解过程进行考核。见图4油锯拆解考核。
![](//html.hanspub.org/file/3-3091146x12_hanspub.png)
Figure 3. Assembling teaching of chain saw
图3. 油锯装配教学
![](//html.hanspub.org/file/3-3091146x14_hanspub.png)
Figure 4. Dismantling examination of chain saw
图4. 油锯拆解考核
④ 油锯装配考核:打开油锯装配考核按钮,系统弹出考核说明,点击“开始考核”按钮后,系统开始自动计时,对油锯的装配过程进行考核。见图5油锯装配考核。
![](//html.hanspub.org/file/3-3091146x16_hanspub.png)
Figure 5. Assembling examination of chain saw
图5. 油锯装配考核
2) 伐木头拆装虚拟仿真实验模块
① 伐木头拆解教学:打开伐木头拆解演示按钮,系统自动对伐木头进行顺序拆解,并配有声音,对拆解各零件的名称和用途进行解释说明。见图6伐木头拆解教学。
② 伐木头装配教学:打开伐木头装配演示按钮,系统自动对伐木头进行顺序装配,屏幕上显示零件的名称,同时系统配有声音,对装配各零件的名称进行解释说明。见图7伐木头装配教学。
③ 伐木头拆解考核:打开伐木头拆解考核按钮,系统弹出考核说明,点击“开始考核”按钮后,系统开始自动计时,对伐木头的拆解过程进行考核。见图8伐木头拆解考核。
![](//html.hanspub.org/file/3-3091146x17_hanspub.png)
Figure 6. Dismantling teaching for head of wood cutting
图6. 伐木头拆解教学
![](//html.hanspub.org/file/3-3091146x18_hanspub.png)
Figure 7. Assembling teaching for head of wood cutting
图7. 伐木头装配教学
![](//html.hanspub.org/file/3-3091146x20_hanspub.png)
Figure 8. Dismantling examination for head of wood cutting
图8. 伐木头拆解考核
④ 伐木头装配考核:打开伐木头装配考核按钮,系统弹出考核说明,点击“开始考核”按钮后,系统开始自动计时,对伐木头的装配过程进行考核。见图9伐木头装备考核。
3) 伐木机伐木效率分析虚拟仿真实验模块
① 点击“帮助”按钮,学习伐木机的控制方法和操作方式。
② 通过键盘的相应按键(W/S/A/D)控制伐木机靠近所要采伐的树木。
③ 通过键盘的相应按键(Y/H/U/O/I)控制伐木机机械臂的移动和旋转,并控制伐木头抱树并截断。
④ 通过键盘的相应按键(Z)控制伐木机对树木进行截断和打枝。
⑤ 通过按“F1”键对驾驶室视角进行切换。
⑥ 点击“伐木效率分析”模块,进行伐木头伐木效率的分析。
见图10伐木机伐木操作。
![](//html.hanspub.org/file/3-3091146x22_hanspub.png)
Figure 9. Assembling examination for head of wood cutting
图9. 伐木头装配考核
5. 建设成效
森工采伐机械虚拟仿真实验项目依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。该项目分为油锯拆装、伐木头拆装、伐木机的效率分析操作等三个部分,学生可以通过虚拟实验平台进行分模块分步学习。包括实验目的、基础知识、实验原理、安全注意事项、过程展示、实验操作、实验报告等。学生结合计算机网络、动画模拟、人机交互等技术手段,以二维和三维结合的方式,有效地掌握大型采伐装备的工作原理的操作方式以及结构设计,使学生主动实验的意识逐步增强,充分提高学生的自主创新能力。
6. 结语
森工采伐机械虚拟仿真实验项目制作的是网页版本,学生可以随时随地进行网络访问,学习越来越不受时间、地点和老师的限制,获取知识越来越便捷、方式多样化,真正达到“以学生为中心”的教学方式,充分提高学生的自主学习能力和实践创新能力,促进了信息技术与教育教学深度融合。
基金项目
黑龙江省高等教育教学改革项目(JG2014010598);黑龙江省教育科学规划课题青年专项课题(ZHD1215001)。
NOTES
*通讯作者。