现代林业技术装备虚拟仿真实验教学中心的建设实践

刘 英，马晨波，赵茂程

现代林业技术装备虚拟仿真实验教学中心的建设实践

刘 英，马晨波，赵茂程

（南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037）

回顾了该校现代林业技术装备国家级虚拟仿真实验教学中心的发展历程，阐述了中心“分层培养、层层递进、逐步提高”的工程基础、专业特色和创新创业3平台实验教学体系构建，并对中心的管理体系、管理机制及在教学理念、培养模式和运行机制等方面的特色进行了总结和归纳。

虚拟仿真；现代林业技术装备；实验教学

林业是一项重要的公益事业和基础产业，在国民经济和社会发展中具有战略地位，在生态建设中具有首要地位，在应对气候变化中具有特殊地位[1-2]，林业技术装备是林业生产和加工过程中不可或缺的支撑。但是，我国林业技术装备与国际先进水平差距很大[3-6]，尤其是相关领域的高素质复合型人才缺乏，这与教学内容陈旧、实验手段单一、学生实践创新能力不足有很大关系。为了更好地培养林业技术装备专门人才，提升行业技术水平，在传统实体实验基础上，采用虚拟仿真、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建虚拟仿真实验教学平台，进一步丰富实验教学内容，提高实践环节教学质量非常必要[7-12]。

1 中心的发展历程

我校现代林业技术装备虚拟仿真实验教学中心是在林业技术装备实验室基础上建立的。1933年，学科奠基人梁希先生创办了全国第一个林产化工实验室，所著的《木材物理性质试验》手稿是中国最早的一部木材加工利用的实验教材，为我国林业技术装备教学与研究奠定了基础；1952年建立了林产制造实验室； 1956年起先后建立了金工厂、木工厂、林化工厂、纤维板车间等实习基地。1980年获得世行贷款项目支持，实验室建设进入快速发展阶段，机械基础实验教学中心、林产化学工程实验教学中心、木材科学与工程实验教学中心获批江苏省实验教学示范中心，汽车运用工程实践教育中心获批江苏省实践教育中心。

自1988年起，实验室陆续开设了计算机辅助制图、辅助设计、辅助制造等课程及相关实验；2002年成立了CAD/CAE/CAM中心，开始进行系统的参数化设计和虚拟装配教学；2005年以来，在中央与地方共建项目持续支持下，虚拟仿真实验建设得到进一步提升；2010年，随着网络技术发展、产学研基地建设和实验室资源共享机制建立，统筹规划成立了现代林业技术装备虚拟仿真实验教学中心，形成了多专业覆盖、多学科支撑、多企业合作、多平台互动、多资源共享的林业技术装备虚拟仿真实验教学平台，2016年获批国家级虚拟仿真实验教学中心。

2 中心的实验资源建设

中心构建了“分层培养、层层递进、逐步提高”的工程基础—专业特色—创新创业的3平台实验教学体系，如图1所示，形成了桌面虚拟、仿真训练、虚实结合、校企联动的实验教学新模式。通过丰富优质的虚拟仿真实验教学资源的开放和共享，实现了创新人才培养目标与林业技术装备行业需求的有机结合。

图1 中心资源平台构架

中心拥有3个实验平台、80项虚拟仿真教学项目。其中，以实体实验为基础的提升项目21项，高水平科研成果转化项目22项，前沿性校企合作工程转化项目18项，大学生创新设计与制作项目19项，85%以上为自主开发项目。这些项目分别面向全校各专业学生开放，平均每年完成实验教学任务7万余人时数。

（1）工程基础实验平台。包括机械基础、测试与控制2个实验模块，辐射50门基础课程的103项实验。其中，面向全校学生开放的有“螺杆泵设计及装配”“数控加工仿真”“虚拟仪器”等32项虚拟仿真实验项目。虚拟仿真教学充分利用各类先进的仿真和开发平台，体现了虚拟仿真高精度、高效率的特点。如“螺杆泵设计及装配虚拟仿真实验”是在我校螺杆泵研究中心与黄山众拓工业泵制造有限公司合作的科研项目“新型高性能输送用中压双螺杆泵”基础上开发完成的。一方面，可将造价昂贵、制造精度高、功能先进的流体机械引入本科教学，是对传统结构简单的齿轮油泵测绘教学的补充与提升；另一方面，将校企合作的最新科研成果用于教学，更新了教学内容，提升了学生的知识结构。

（2）专业特色实验平台。包括林业机械、木工机械、林产过程装备3个实验模块，辐射38门专业课程的64项实验。其中，包括“锯链三向力切削性能”“人造板加工流程”“林用车辆履带运动”“山栀活性物薄膜蒸发”在内的29项虚拟仿真实验项目，面向机械设计制造及其自动化、木材科学与技术等13个工程类专业学生开放。这些实验项目利用虚拟现实技术和仿真手段实现了原理和技术的直观呈现，提高了专业授课的直观性、新颖性、趣味性和生动性，实现了课堂教学与实践教学的密切结合。例如，通过山栀活性物薄膜蒸发虚拟仿真实验，学生在直观了解薄膜蒸发装置工作原理和工艺流程基础上，可以改变导热油温度、真空度、进料流量、转子转速等参数，自主设计实验方案，分析影响蒸发效果的主要参数和规律，从而锻炼学生的实验设计水平和数据分析能力。

（3）创新创业实验平台。在学生通过工程基础平台夯实基础、通过专业特色平台熟悉专业知识基础上，利用科研成果、企业合作、大学生创新创业项目等，开发了综合性强、创新性强、复杂度高的“机械设计创新方案”“大型机电装备防护包装结构受力”等19项虚拟仿真实验项目，为拔尖人才研究能力和创新能力培养提供良好资源。如林业喷雾机作业虚拟仿真实验可以克服喷雾机作业场地限制、作业环境变化、机器款型变化等条件制约，避免作业伤害和机器损耗，使学生直观地了解多种型式喷雾机的结构、作业过程及作业参数变化对作业效果的影响，锻炼学生三维建模和空间造型设计能力，并在参数最优化的求解过程中，锻炼算法设计能力和编程能力。

3 中心的管理体系建设

中心实行校院两级管理，中心主任全面负责中心的建设、发展和运行，在服务于本科生和研究生教学的同时，实现了校内院系、企业单位及其他院校等的虚拟仿真实验资源共享体系。中心下设由教学名师、企业兼职工程师以及专门的网络服务人员组成的虚拟实验教学指导委员会，统筹协调学校、企业和网络支持，保证平台正常、有序和高效地运行和发展（图2）。

中心设置1名主任，2名副主任，每门课由1—2位教师承担，组成立课程组，实行组长负责制，每门实验课都配有实验技术人员负责辅助教学和相应的实验室管理工作，很好地满足了实验教学的要求。

图2 实验中心管理体系结构图

为保障中心建设和发展的可持续性，在学校及相关职能部门支持下，中心落实了组织、制度、师资队伍等方面的保障机制。

（1）组织保障。中心实行主任负责制，由校实验室管理委员会进行领导，由基地建设管理处、资产管理处、教务处进行指导，由机械电子工程学院实施具体管理，定期检查中心资金使用和工程进展情况，对建设实施过程中出现的问题及时协调和解决，保证中心实验室建设按要求进行。同时成立虚拟仿真实验教学指导委员会，统筹协调学校、企业和网络支持，保证平台正常、有序、高效地运行和发展。

（2）制度保障。在实验室管理方面，学校和中心先后制定了一系列实验室管理规章制度，不断加强对实验室建设及日常工作的指导、检查和监督。除严格执行学校的规章制度外，中心还不断完善和改进中心自己的规章制度，如在实体实验管理制度基础上，结合虚拟仿真实验特点，制定了虚拟仿真实验教学中心实验室教学管理、工作规程、仪器设备及耗材管理等方面的细则，并将责任落实到人。

（3）队伍保障。中心现有成员78人，其中校内专职人员61人、企业兼职人员10人、国外兼职人员7人，形成了以院士、杰出人才和教授为领军，以江苏省“333”工程、江苏省教学优秀教师等为骨干，以副教授及优秀青年博士为中坚力量的师资梯队。长期以来，中心一直把引进高层次实验技术人才、聘请企业兼职教师等作为重要任务，不断加强实验教学团队建设。中心还注重对青年教师的培养，通过各种途径不断提升青年教师的教学水平和科研能力，如通过加强校企合作、组织教师参加学术交流会和出国进修等。

4 中心的特色与创新

（1）教学理念创新。注重“专业意识、工程意识、生态意识”融合，培养兼具生态理念与工程素养的全产业链复合型现代林业技术装备人才。针对我校“以林科为特色，以资源、生态和工程类学科为优势”的办学特色，在工程类专业中开设生态学通识课程，在工程教育中积极灌输林业技术装备与环境友好、资源节约相融合的现代工程理念。引导学生在课程设计、毕业设计、科技竞赛中自主选择具有绿色环保、低污染、低成本、资源节约等特点的设计方案，培养学生自觉的环保意识。另外，在林学、经管等非工程类专业中，开设林业技术装备基础课程，让学生了解林业技术装备的设计、制造过程，学习工程基础知识，使非工程类学生也能具备较好的工程素养。

（2）培养模式创新。注重“虚拟与现实、科研与教学、学校与企业”的结合，创建了“工程基础+特色专业+创新创业”递进式的虚拟仿真实验体系。中心遵循虚拟源于真实、贴近真实，理论源于实践、指导实践的宗旨，注重将科研成果、与企业合作成果及学生创新项目等转化成虚拟仿真实验。工程基础平台服务于全校所有工程类和非工程类专业的学生，受益面广，适合于全校学生工程素养的培养；专业特色平台服务于机械设计制造及其自动化、木材科学与技术等13个工程类专业学生，综合性强，适合于工程类专业人才的培养；创新创业平台来源于大学生创新实践项目和创业项目，特色鲜明，适合于拔尖创新创业人才的培养。基础、专业、创新创业递进式的实验教学模块由浅入深、由简单到复杂、由通识到创新，形成了虚实结合的课程教学、开放选修、企业实践、自主创新等教学模式。

（3）运行机制创新。注重“课堂、实验室、企业”联通，建立了时间—空间—资源三维开放共享和产学研协同创新的虚拟仿真环境。中心成立了虚拟仿真实验教学指导委员会，负责协调学校、企业、研究院所关系。通过聘请产业教授、企业兼职教师作为学生毕业设计指导教师、选派青年骨干教师进企业锻炼、执行卓越工程师计划等措施，促进了理论与实践、虚拟与现实、学校与企业的深度融合。学生通过参与企业需求分析、进行产品仿真设计、在实验室或企业开展实体性能测试、对设计进行修改完善等整个闭环训练，切实改变了长期以来存在的“重理论知识，轻实践能力”倾向，同时为学校虚拟仿真平台的建设积累了大量的素材。

5 结语

我校现代林业技术装备虚拟仿真实验教学中心以“工程素养优、生态意识强、专业技能实”为人才培养目标，遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，建立了工程基础、专业特色、创新创业递进式的3大平台，形成林业机械、木工机械、林产过程装备及机械基础、测试与控制和创新创业实验平台等特色鲜明的6大模块，体系完整、辐射力强、引领示范作用显著，推动了实验教学改革与创新，为培养机械设计制造及其自动化、木材科学与工程、林产化工、森林工程等4个国家级特色专业及相关的9个工程类本科专业的高素质复合型林业技术装备类人才，提供了必要的实验教学条件，并能够为全校其他专业学生工程素质培养提供服务。

References)

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Construction and practice of virtual simulation experimental teaching center for modern forestry technology and equipment

LIU Ying, MA Chenbo, ZHAO Maocheng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

This paper reviews the development history of the national virtual simulation experimental teaching center for modern forestry technology and equipment in the university, expounds upon the engineering foundation, professional characteristics and experimental teaching system construction of the platform of “Layered training, layered progress and gradual improvement”, and summarizes the management system, management mechanism and its characteristics in teaching idea, training mode and operation mechanism.

virtual simulation; modern forestry technology and equipment; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.051

G434

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1002-4956(2019)07-0210-04

2018-09-27

江苏省高等教育教改研究课题（2017JSJG153）

刘英（1965—），女，福建建瓯，博士，教授，副院长，国家级现代林业技术装备虚拟仿真实验教学中心副主任，主要研究方向为光机电一体化技术.E-mail: ly_new@njfu.edu.cn.