万能,罗雅婷
基于虚拟技术的车辆工程专业教学研究*
万能1,罗雅婷2
(1.西南林业大学 机械与交通学院,云南 昆明 650224;2.云南交通职业技术学院,云南 昆明 650500)
以VR/AR为主的虚拟技术正浸入各行各业,其中就包括教育领域,部分机构和学校就此展开了研究,但真正覆盖教学过程还为时尚早。随着计算机技术和信息化的飞速发展,虚拟技术势必在高校教育改革中发挥巨大的作用。文章从车辆工程学科的特殊性出发,分析其教育模式现状,结合企业对车辆工程毕业生的要求,探索车辆技术与虚拟技术结合的必要性,阐述车辆类专业适合进行虚拟技术教学的原因。接着,从现有车辆专业虚拟技术教学模式出发,说明其存在的不足和缺陷。在此基础上提出了基于车辆工程专业的虚拟技术新教学模式探索,构建虚拟技术教学新模型,并进行了案例实践研究。同时,新模式亦可以课程思政和线上教育为切入点更好地适应教育教学改革和未来的变化。新的虚拟技术教学模式有助于车辆工程专业教师实现教学目标,提高学生积极性和动手能力,帮助学生更好掌握专业知识,扩展教学场景,适应专业和行业发展,保证教学内容的与时俱进,助力精品课程建设。
虚拟技术;车辆工程;教学模式;虚拟教育系统设计
随着智能硬件设备自2015年起的快速普及,大众对虚拟技术的应用不再陌生。虚拟技术通常分为两种,虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)和增强现实技术(Augmented Reality, AR)。无论是VR还是AR,其应用范围都十分广泛,涉及军事、医疗、教育、文化、游戏、工业、商业等各领域。虚拟军事训练和演习可以任意设置战斗环境背景,对作战人员进行不同作战环境、不同作战预案的多次重复训练,使和平年代的军人能迅速积累丰富的作战经验[1]。虚拟医疗环境可以帮助医学生对人体三维结构进行理解,可以在复杂外科手术之前对手术方案进行设计、手术之中进行引导、并预测手术之后的结果[2]。虚拟技术展现名胜古迹或建筑景点,使得人们足不出户就能漫游整个世界[3][4]。沉浸式3D电影、3D游戏蓬勃发展,走进人们的日常生活[5]。除此以外,虚拟制造装配、虚拟驾驶、虚拟试衣间、虚拟看房等也使得许多传统行业迎来转型,一些传统商业模式发生改变。
在教育领域,虚拟技术的应用也越来越广泛[6]。比如北京理工大学教育技术研究院在VR技术环境下制作完成了上百个课程和实验[7]。武汉体育学院的茅洁针对大学体育专项课程理论性强、教学手段形式特殊的特点,探索VR应用下的“沉浸式”虚拟课堂、AR的教材形式改变现有的教学形式、教学体系以及课堂授课方式[8];还有一些作者从汽车专业实训教学中VR技术的使用、职业教育如何运用虚拟技术进行的阐述[9]。但是,VR/AR在教育领域仍然处于初级应用阶段,但随着信息化水平的不断提升、高校教师信息化教育意识的增强、信息化教学能力的提高,虚拟技术必将在教育教学改革中发挥重要作用[10]。
在现有车辆工程专业的教学过程中,为了提高课堂积极性、提升教学质量、丰富教学方式、满足教学要求,多数采用图片、动画等多媒体手段让学生更加直观的学习知识、认识各类汽车设备、了解汽车结构,部分条件较好的高校会将汽车设备或模型带入课堂。这种方式比之传统的书本+图纸的形式更好,但远远无法满足现有环境下的教学。并且此类教学模式的课堂与实践相对脱节,课堂上未见实物、实验室内面对实物还要翻书本、查资料来学习理论,学生的学习兴趣也会降低。
我国已是世界第一大汽车制造国和销售国,汽车行业需要大量的专业人员的补充,而地方高校车辆工程专业成为主要的后备人才储备区,但同时地方高校的毕业生普遍存在几大问题。
(1)理论知识不牢固
当前地方高校的车辆工程还是以理论教学为主,强调课堂教学和理论知识的灌输,但教材从编著、出版到使用周期较长,部分教材知识相对老旧。而汽车产业技术更新换代较快,课堂教学内容与实际有所脱节。在实践教学环节,要让学生始终尝试体验最新的设备,高校缺乏相应的经济能力,通常只能采用参观或者视频等方式,缺乏直观性。
(2)动手能力较欠缺
地方高校存在教学资源紧张、实验设备台套数不够、实验设备利用率低等情况,使得学生在实践教学环节从接触实车、到动手、到上手的机会有限,缺乏实践技能训练方面的培养。在实践课程结束后,出于管理和安全等方面的考虑,实验室的台架便不对学生开放,这对于学生掌握专业知识是不利的,尤其是车辆工程这类需要实物辅助教学的专业。显然,探索新的教学手段成为必由之路。
不少高校在将虚拟技术引入教学作出了尝试,但仍然存在一些问题是其难以落地。
(1)教育成本相对较高
目前,制作VR/AR课程资料的成本还较高,主要体现在VR眼镜以及虚拟环境现实的软件开发成本比较高昂。如果高校在教学中引进虚拟技术,需要的设备数量在引进初期的投入资金较大。且虚拟技术和后期支持是虚拟教育存在的限制性因素。所以,应用虚拟技术进行教学不能覆盖专业的所有课程。当然,随着虚拟技术产品的推广和广泛应用,其开发成本将持续走低。
(2)教育资源质量不高
虚拟技术与教育的结合基本上采用“虚拟技术+传统教学资源”的方式,其中VR更多地被视为一种知识呈现载体,AR在教育领域的使用目前还很鲜见。目前,VR教育研究中,研究重点更多集中在课程资源制作,而课程资源研究则以条件性课程资源为主,只能在一些典型课程和重要课程上做虚拟环境场景设计的尝试,这种专为某个项目开发的系统和市场上常见的原型系统难以推广,较难形成学科化的虚拟技术教育资源。
(3)教育体系变革未知
虚拟技术在教育领域的应用,不仅仅是授课形式的变化,还有整个教育体系的变革,尤其是教育资源的利用,如教师角色的定位。引入虚拟技术到工程教育并不难,但是在这种趋势下如何使虚拟技术的运用趋于良性化发展,哪些可以运用,如虚拟技术可以营造出仿真世界;哪些不能运用,如实训前的理论教学不能用虚拟技术所完全代替,这些都是需要思考的问题。引入虚拟现实技术可能导致传统课堂教学的改变这点显而易见,但盲目的引入所造成的不良效果目前尚属于未知状态。
车辆工程专业是工科类专业,创新能力、动手能力、先进理论的学习在人才培养中起着十分重要的作用,提升理论教学和实践教学的质量,才能培养具有先进科技思维和理念,掌握车辆工程的基本理论和基本技能,具有较强的实践能力和创新能力的人才。虚拟技术已大量应用于多个行业领域,其能够使教育手段更加多元化,使受教育者的学习效率大大提高。对于车辆工程此类需要大量的理论与实践相结合的学科,虚拟技术带来的教学效果更为直观和重要。因此,如何打破传统教学模式,充分利用现有教学资源,构建适应培养创新型现代工程师需要、具有较强系统性和操作性的新型教学体系,是车辆工程专业在教学上亟待研究的课题。而虚拟技术与车辆工程教学的结合将提供新的方向。
在教学过程中,尤其是引导学生参与教学体验的过程中,教师承担了导演、编剧、制片人、演员等多重角色,而学生更多地扮演观众的角色。如何将一部好剧展现在观众面前,需要多方面的努力,而最重要的是要将观众带到剧情中,让他感同身受,最好是观众也能参与到剧情的发展或亲身体验。
教育机构与从业人员总是想用最新、最先进的科学技术来革新教育,提高学习者的学习效率。在车辆工程的教学领域中,继多媒体技术、计算机仿真、移动学习后,虚拟技术正成为教学改革与应用中的热点,也将教育技术发展的又一次飞跃。在结合虚拟技术与车辆工程教学的研究中,需要思考几个问题:(1)教学资源的开发和虚拟场景的设计;(2)在教学设计时,考虑利用虚拟技术如何实现学习目标;(3)虚拟技术在实际教学过程中所占的比例关系。
虚拟展示教学体验应用模型(如图1所示)是在全景、VR、AR等技术的基础上,从课堂教学和实践教学两环节出发,生成各自的教学空间,当然在侧重点中更偏向于教学实践环节。研究方法采用定量分析,研究思路则以技术呈现课程内容为主,技术支持借助平板电脑、智能手机、成熟的VR穿戴设备等,研究重点偏向实践性和操作性较强的课程内容。
(1)教师利用全景摄像、计算机3D绘图、计算机仿真等技术建立汽车上的各种零部件以及汽车专业上用到的各种设备,学生通过电脑、平板、智能手机、穿戴设备等来操纵虚拟设备,360°全视角观察汽车,并且在一些关键部件上还有详细解释。在观察操纵的同时,结合老师的讲解,可促进学生对汽车内部结构的清晰认识,提升对专业知识的理解。
(2)教师设定教学目标,学生在学习过程中按照一定步骤完成学习任务,但内容相对固定,在“通关”过一次后,已完成的任务对学生的吸引力将大大降低。
图1 虚拟展示教学体验应用模型
(3)虚拟技术在实际教学中所占的比例完全由老师确定,对于兴趣不同、掌握程度不同的学生没有差异性。对于实践能力强的学生可能需要理论的补充,而对于理论掌握牢固的学生可能需要实践的磨练,同样的教学计划会造成掌握知识和提高能力的不平衡。
从上述内容可以看出,当前的虚拟技术教学仍然有很多传统教学的影子,教师主导型的模式没变。尤其是在课程内容的设计上还停留在老师设计、学生体验,这种模式在多次应用之后会使学生积极性下降,教学效果也提升不明显。本文拟提出一种新的模式,更有效提升教学质量和效果。
搭建符合车辆工程专业特点的虚拟教学平台,如图2所示。平台主要包含两大部分:交互平台和管理系统。不同人员可通过账号登录,并在虚拟教学平台上进行不同教学角色的操作。同时外接第三方系统,如可将学生信息从教务管理系统导入,将教学数据及成绩上传至教务系统等。
图2 虚拟教学平台功能示意图
3.1.1教学资源开发和虚拟场景设计上的探索
在教学资源的开发上,采用模块化和自定义两类模式,学生可以利用所学专业知识,对相关课程自行进行课程开发和场景设计,如图3所示。让学生在完成课程的同时,协助老师丰富虚拟课程的内容,提高计算机制图能力,促进其对专业内容的掌握。学生自己参与到课程建设之中,可以大大提高学生的学习积极性。
3.1.2教学目标实现上的探索
引入虚拟技术后可以将教学目标分为三类,如图3所示。
(1)教师既定目标
教师在使用虚拟技术手段进行教学时,需明确在已有的教学资源条件下,可以完成的教学目标和内容,在虚拟教学过程中合理布置学生需要掌握的学习内容,设置相应的学习任务,任务要不脱离实际且具有一定的可操纵性。
(2)学生课程设计目标
学生在完成老师布置的初级任务之后,要根据所掌握的知识和学到的内容,自行合理化设计对应课程内容,此为二级任务,目的在于检验学生对课程的内容的掌握程度。此部分所设计内容将在第③步中由其他学生完成,要求故意设置错误或者陷阱,以提升难度。
(3)学生参与目标
在交互界面,学生需完成系统随机分配的,由其他同学设计的课程内容,体验并评价。此部分包括:完成任务、找出问题、评价并打分。
最后根据上述三步的完成程度综合打分,特别是第(2)、(3)步,如若设置的错误被找出,完成任务的学生将得分,若未被找出,则设置任务的学生得分。但错误或陷阱的设置要合理,并且在未被找出时,给出合理的解释。
图3 虚拟教学管理系统
3.1.3虚拟技术在实际教学过程中所占的比例关系
在保证学时的前提下,在完成教学目标的驱动下,除了必须参与的教学任务以外,可由学生根据自身情况自行调整参与虚拟教学的比例,使学生能更自由地依据课程掌握程度自行调控。
以汽车驾驶实习为例:有研究表明,比较利用驾驶模拟器进行部分驾驶操作学习的实验组与未使用驾驶模拟器的对照组,前者驾考通过率更高[11]。同理,在驾驶实习课程引入模拟驾驶可以帮助学生更好的掌握驾驶技能,完成课程任务,并保障安全。但对于掌握程度较高,或已经有驾驶经验的学生,再使用驾驶模拟器进行驾驶实习已不能满足要求。
虚拟技术在车辆工程专业中的应用发展带来的益处如表1所示。
给学校赋能助力,为老师减负提质,使学生开心学习是虚拟技术带来的效果。
表1 高校各角色在虚拟技术教学中所获益处
对学校而言,实践环节大量使用虚拟耗材,绿色环保,避免了污染和浪费,这本身就是最好的“课程思政”;对于老师,可以通过系统检查到学生的每个实践步骤,与规范进行对比,并且定位到每一个人,避免了照顾不周的情况;而学生在实践学习中,能掌握更多宏观的、微观的知识点,小到发动机喷油形状、燃烧过程,大到汽车道路行驶状态观测与体验,最为关键的是学生能够亲身参与教学内容设计和场景开发,学生能更准确把握自己的学习情况。
3.2.1提高实践教学的安全性
在现实的实践教学中,尤其是车辆工程的实践课中,如驾驶实习、汽车拆装实习、汽车电气设备实验等都具有一定的安全隐患(如图4所示),在这些课程的实践过程中,诸多因素都可能引起危险造成学生受伤,虚拟模拟教学可以完全避免此类情况的发生。虽然是虚拟环境,整个教学过程要与现实环境高度契合(如图5所示)。所以可以通过提前对硬件和软件系统的设置,及时纠正学生在实操过程中出现的错误。虚拟教学过程更加程序化,比教师的评价更加客观,一旦出现错误,系统给出提示,学生在不断被提醒、被纠正的过程中逐步养成正确的操作习惯,使学生能在出现状况后有正确的处理方式。需要注意的是,即使是虚拟环境教学,教师也需要对学生进行相关的安全教育。当然,在虚拟实践完成后,一定要让学生参与实物实践,这样可以更快、更准确、更安全地完成实践环节。
图4 驾驶实习中出现的安全事故
图5 利用驾驶模拟器进行驾驶实习
3.2.2提高学生参与的积极性
通常车辆工程专业的理论教学和实践教学是分而治之的情况,理论课堂内展示的内容学生没有直观感受,实践教学中又容易忘记理论知识。加上现场实践教学往往存在生均台套数偏少的问题,这便导致学生的参与度低,积极性欠缺,达不到理想的教学效果。以汽车、发动机拆装实习为例(如图6所示):通常高校用于拆装实习的台架设备相对陈旧,多年的实习积累造成的结构不完整、零部件缺失等问题,对于学生详细了解汽车及其零部件不利,上述问题也会降低学生参与的兴趣。
图6 沉浸式VR汽车拆装实习
引入虚拟技术后,第一、学生在拆装实习过程中可以从各个角度观察整车、发动机以及其他汽车零部件的结构,通过动画直观了解汽车的运行过程,点火、传动、转向、制动等等如何实现一目了然,看到实物内部在工作过程中的表现;第二、随时可以对这些零部件进行模拟拆装,并可以通过计算机对拆卸和装配过程以及装配结果进行记录,可以通过反复进行模拟训练来熟悉汽车各个零部件的位置和功能,不会出现零件丢失、损坏的问题;第三、在实物的拆装过程中,虚拟技术可以更好地解决“拆机容易装机难”的问题,如利用AR准确找到各个零部件的位置并提示安装步骤和注意事项;第四、学生除了扮演受教者的角色外,还扮演了其他角色,参与教学设计和内容开发,对于学生掌握专业其他核心课程(如工程制图、计算机绘图、汽车设计等)也大有裨益。
3.2.3提升教学内容的可持续性
设备是车辆工程教学的基础,汽车上的设备种类繁多,并且价格不菲。新技术新工艺层出不穷,尤其是电子电器类设备更新很快。要让学生尝试和体验最新的设备和技术,往往只能通过参观实习等方式完成,这种模式只能看、听,不能触摸。在这样的背景下,基于移动设备的虚拟技术由于其突出的可视特点,在汽车行业、尤其是汽车故障检测与维修行业带来了新的作业规范[12]。在汽车维修行业,利用头戴VR/AR设备可以平均提高70%汽车维修效率,目前世界范围内已有数十家汽车厂商投入使用。教师可以根据课程要求,利用虚拟技术提前建立虚拟的汽车维修场景,在虚拟环境中设置各种汽车故障,学生在虚拟环境中进行维修实践,利用VR可以对故障进行虚拟处理,或利用AR对实际故障进行辅助处理[13]。VR+AR的教学模式以VR为主,AR为辅,在VR环境下学生可获得丰富的维修经验,没有危险,且不会损坏设备;借助AR设备,可快速高效地对比问题车辆和所存标准CAD数据,实现问题检测可视化。同时,在自身经验无法解决问题是,通过AR远程视频,老师可以第一视角查看现场情况,实时确认现场操作工序的准确性,并将技术指示投射在现场学生的显示屏中,帮助现场“对症下药”,即使老师不在实训现场,也能指导学生完成任务[14]。借助虚拟技术的新教学模式,利用二次开发,可以保证教学内容的与时俱进,同时也避免的大部分汽车台架的更新换代,提升教学过程中软硬件资源的可持续高效利用。
2016年12月,在全国高校思想政治工作会议上,习近平同志指出“要坚持把立德树人作为中心环节,把思想政治工作贯穿教育教学全过程,实现全程育人、全方位育人”。次年2月27日,中共中央、国务院印发了《关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见》,对思政课改革、思政教育进课堂提出了指导意见。全国高校近年来均在尝试实行“课程思政”改革,其中以“上海经验”为典型。在进行虚拟技术教学改革的同时,将“课程思政”融入到教学设计之中,成为当前高校教育教学改革的新方向。
车辆工程专业的培养目标中,除了对学术上的要求以外,还包含很多德育元素“社会主义核心价值观、社会责任感、职业素养、法律”,旨在培养德智体美劳全面发展的当代大学生。在设计车辆工程专业核心课程教学任务时,教师必须引导学生将所学专业知识转化为内在品德。以《新能源汽车结构与原理》课程为例,在“课程思政”与虚拟技术教学相结合的设计上,从问题导入、案例分析和项目训练培养学生的家国情怀和社会责任感,培养学生面对复杂车辆工程专业问题的工程实践的思考,及其对环境、社会可持续发展的影响的认知。
(1)问题导入
了解新能源汽车的出现是必然趋势,分析新能源汽车和传统内燃机汽车的区别、结合内燃机学的课程内容,分析新能源汽车能源消耗和节能的关系、进一步分析新能源汽车能源消耗与环境的关系这一社会问题,讨论如何更高效地利用能源和保护环境,讨论如何以所学知识贯彻“绿水青山就是金山银山”的思想。
(2)案例分析
分析新能源汽车的节能与环保问题,较之传统内燃机的优势,国家对于新能源汽车扶持的相关政策。
(3)项目训练
①了解内燃机有害排放物的种类、及其对环境的影响;②通过虚拟技术直观感受新能源汽车和传统汽车在构造和原理上的不同,熟悉两类汽车的能量转化过程和效率;③了解法规和标准,从能源消耗和节能环保问题出发,结合所学专业知识,研讨如何从汽车设计和使用的角度出发降低对环境的污染、提高经济性、促进社会的可持续发展。
(4)考核方式
除了对专业课知识的掌握程度以外,思政教育的评价也至关重要,可以通过小论文或学术报告的形式,衡量学生对所学专业课的思想政治上的反思。
通过上述形式,使学生增强环保意识,提高学生节能降耗意识;通过汽车能源消耗与动力性的矛盾,学生会思考“金山银山”和“绿水青山”的矛盾统一,从而引导学生用唯物辩证法的思想看待和处理问题;通过理论专业的学习,培养学生的创新精神,培养求真务实、精益求精的工作作风。
2020年上半年,一场新冠疫情袭来,高校教学几乎全部转为线上教学。在此情形下,几个月的在线教育已深入到师生日常,为高校教育改革植入基因,也将延续到未来的教学活动中,给我国未来教育的发展打下深深的烙印,虚拟技术在教学上的应用也将从此次大规模在线教育中萌芽发展,从多个方面影响高校教育改革[15]。
(1)从教学理念上看,高校广大教师积极行动、转变观念、开拓思路,创新教学模式,更新教学手段,革新教学方法,通过多种途径、多种方式开展在线教育。但大多数的形式只是课堂教学的简单转移。
(2)从基础设施上看,得益于我国信息化基础设施和教育信息化的建设,在线教育可以覆盖全国大部分地区和大部分家庭,互联网、移动通信等技术保障了教师和学生能够通过线上顺利地完成教学和交流。
结合疫情期间的在线教育新形态,推动线上教学中虚拟技术的应用将能更好地保障教学任务的完成,在此过程中有几点需要注意:
(1)高校教师需要积极学习新技术、树立新理念,结合“互联网+”和“人工智能”等新业态,以崭新的方式让学生获取知识。
(2)加强各学科、各专业的课程建设,为高质量引入虚拟技术提供保障。在充分保障正常教学稳定运行的情况下,加强虚拟技术与传统教学方式的融合。同时构建全专业的虚拟教学资源库,服务于全专业所有课程,让学生在学习时更加高效、精准。
(3)逐步适应不同形式的教育新模式。目前的教学评价和管理措施都是基于线下实体教育的,未来要推进虚拟技术在线上、线下教育中双管齐下。在教师考核和学生管理、评教等方面要与新的教学模式相契合,真正把虚拟技术与高校教学的融合落到实处。
(4)结合线上教育,构造产学研相结合,社会、学校、家庭共同育人的新模式,找到实用、合适的路径,如企业提供资料和需求→高校完成任务→学生掌握知识→就业,可以充分发挥各个节点在培养人才上的优势。
(5)推动各方积极地营造良好的虚拟技术教学生态环境。充分发挥虚拟技术教学在教育改革和创新中的积极作用,借助“互联网+大赛”、“挑战杯”以及其他学科竞赛推进“以学促赛,以赛代学”的创新发展。要努力实现虚拟教学应用覆盖全体教师、学习应用覆盖全体学生,建成“虚拟技术+教育”的专业平台。
虚拟技术应用在教学中有诸多优点,降低成本、丰富教学资源、提高实践教学安全性、提高学生学习积极性、提升学生动手和创新能力。本文对如何在车辆工程专业使用虚拟技术做了探索性的研究,讨论了应用过程中的优势和关键点,并在部分课程上进行了尝试。当然,本文所探讨的内容尚需要通过更多的实际应用来检验。即使还有许多未知隐患和挑战存在,但在教育教学过程中引入虚拟技术是大势所趋。虚拟技术的发展和完善,将在教育领域孕育新的教学模式、掀起新的潮流。
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Research on the Teaching of Vehicle Engineering Based on Virtual Technology*
Wan Neng1, Luo Yating2
( 1.School of Mechanical and Transportation, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224; 2.Yunnan Jiaotong College, Yunnan Kunming 650500 )
Virtual technology based on VR/AR is immersed in various industries, including the education field. Some institutions and universities have carried out research on this, but it is still too early to really cover the teaching process. With the rapid development of computer technology and informatization, virtual technology is bound to play a huge role in the reform of college education. This paper analyzes the status of its education mode from the particularity of the vehicle engineering, combined with the requirements of enterprises for graduates of vehicle engineering, explores the necessity of combining vehicle technology with virtual technology, and expounds the reasons why vehicle major is suitable for virtual technology teaching. Then, discuss the deficiencies of the existing vehicle subject virtual technology teaching mode. A new teaching mode of virtual technology based on vehicle engineering is proposed, a new virtual technology teaching model is constructed, and a case research is conducted. The new mode can also be an entry point for curriculum ideology and online education to better adapt to education and teaching reforms and future changes. The new mode will assist vehicle engineering teachers to achieve their teaching goals, improve students' enthusiasm and practical ability, and help students’ better master subject knowledge, expand teaching scenarios, adapt to subject and industry development, and ensure that the teaching content keeps pace with the times, and help to construction the excellent curriculum.
Virtual technology; Vehicle engineering; Teaching mode; Virtual education system design
10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.050
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A
1671-7988(2021)04-163-06
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1671-7988(2021)04-163-06
万能,男,讲师,博士在读,就职于西南林业大学机械与交通学院。
西南林业大学教育科学研究课题(QN201801)。