1.实验教学方法

通过虚拟人工林环境、虚拟抚育采伐设备，通过计算机与互联网络进行抚育采伐的环境认知、作业工艺实验以及PID造材控制虚拟仿真实验。学生沉浸于虚拟林区环境，完成抚育采伐及造材控制的全部试验。根据需要，可利用线下设备进行线上线下相结合的抚育采伐作业仿真。

1. 使用目的

（1）激发学生学习兴趣

在虚拟环境中，学生可以直接操作林业专用抚育采伐设备，与虚拟林场作业环境漫游互动，能够使学生深入细致地了解采伐头进料造材误差并做出及时回应。这种直观、实时和互动的特点不仅激发了学生了解和掌握现代化林业作业装备的兴趣，也有助于学生进行学习迁移和深化。

（2）提升学生学习能力

虚拟仿真实验解决了真实抚育采伐作业因“高环境复杂性、高危险性和高成本”制约而难于实现的问题。在虚拟环境中，学生可以针对林场情况制定抚育采伐工艺和关键设备工程调试进行反复练习操作，既能深化对已有理论知识的理解，又能获得解决工程实际问题的能力；学生也可选择练习模式或自主设计实验，这种灵活的方式既能够激发学生养成主动掌握知识和不断反思的习惯，又能推动学生将理论知识应用于实践。在实验过程中，学生的学习能力不断得到提升。

（3）提高学生学习效率

本实验为学生提供了泛在化的网络虚拟实验室和24小时在线的“空中课堂”，使学生可以不受时间和空间限制，学生沉浸其中，能够随时随地进行实验，大大缩短了实验周期；系统自动评分功能有助于学生学习效果得到及时反馈，从而及时发现问题和解决问题，学生学习效率也大幅度提高。

2. 实施过程

（1）“线上虚拟仿真——线下虚实结合”的全方面实验

线上虚拟仿真利用网络远程平台与虚拟仿真实验室相结合的方式，通过远程网络自学方式使得学生提前预习本实验相关理论知识，完成网上习题后，再上机进行虚拟仿真实验，通过上机教学提升学生对课本知识的理解；结合林区虚拟场景和真实采伐工艺的控制要求，培养学生解决复杂工程问题的能力。线下实验在林业抚育采伐仿真作业实验室开展，利用六自由度并联平台模拟装备在林区行走、作业过程，并在大型环形屏幕上实现在线虚拟交互作业。线上线下相结合的实验流程和评分实施过程如图2-8所示，林业抚育采伐仿真作业实验室如图2-9所示。

 

图2-8 线上线下相结合的实验流程及评分实施过程图

 图2-9林业抚育采伐仿真作业实验室（虚实结合）

（2）混合显示技术应用

混合现实技术（MR）是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。现有实验项目都是基于web端开发，解决了学院教学场地和资源问题。但是，单纯的网络端，学生并不能完全体验真实实验过程。结合现有增强现实技术，融合真实实验场景，构建林业抚育装备共享全息影像，实现学生深度沉浸式教学，可大大提高实验效果，效果如图2-10所示。

图2-10 混合现实（MR）实验教学

（3）研究型教学法不断提升虚拟仿真实验质量

本实验项目组成员不断推进虚拟仿真实验教学，项目成员获批2017年校级教改项目“基于工程教育专业认证的机械工程测试技术虚拟仿真实验教学改革与探索”（项目号：BJFU2017JY023），成功开发《林木采伐装备虚拟仿真实验项目》一套，在2017年度《机械控制与测试实验》课程中得以应用，并于2016-2018年分别在北京林业大学教改论文集发表《虚拟仿真实验教学初步建设与探索》、《面向工程教育认证的虚拟仿真教学研究》和《林木采伐装备虚拟仿真实验项目开发与探索》论文3篇。项目组成员于2019年继续获批校级教改项目“结合增强现实的虚拟仿真实验教学模式研究”，不断扩宽虚拟仿真教学方式和提升虚拟仿真实验效果。

（4）合作互动式研讨加强与学生互动

本实验项目开放式实验平台中设有答疑室，学生在做虚拟实验时或课后，均可以在答疑室中与在线的指导老师互动交流，也可以留言提问。

 

图2-11 虚拟仿真实验平台答疑室

3. 实施效果

（1）提高了人才培养质量

本项目的开发突破了时间和空间的限制，学生可以随时随地进行实验。同时，软件中设有纠错和提示功能，学生可以反复进行练习。大量虚拟实验环境里对虚拟实验对象的“试误”，练就了学生的熟练掌握现代林业抚育采伐作业工艺、操作及故障调试的能力。本项目的应用，大大提升了学生解决工程实践问题能力和投身现代林业建设的热情。自2018年12月以来，已有328名学生完成了该项目的实验，受到广大学生和用人单位的好评。 

（2）提升教学效率

本项目建构了一个真实环境，目前支持同时在线访问高达100人，解决了现实林场机械化抚育采伐高危险、高耗材、室内不易实现、大批量的学生参与见习或实习的难题；也解决了学生无法直观感受现代林业机械化抚育采伐全过程的现象、激发学生自主解决工程实际问题。在虚拟仿真实验中，学生与虚拟林场环境、林业机械装备和工程问题进行互动，不仅能把线下课堂中所学的知识应用于线上实验中，而且激发了学生对专业的热情和兴趣，大大提升了教学效率。

（3）降低教学成本

本项目使学生足不出校就能学习林业机械装备的操作和抚育采伐工艺，节省了学生往返林场实验实习的时间和交通成本。仅北京林业大学相关专业的实验实习交通成本，年均可节省28.64万元。学生通过与虚拟的实验对象和实验材料进行互动，大大节省了实验设备、材料的购置和实习场地培训费用，以一周实习为例单次材料和培训节省9.1万元。

测算说明：

以4个班级120人为例，实习一周时间；

年交通成本=选课人数×往返高铁+当地租车=120×931×2+3×2000×7=286400元；

年材料费成本=日均油费×7+培训费+木材费用=3000×7+50000+20000=91000元。

（4）共享教学资源

本项目可通过互联网访问使用，能够方便地开展大范围班级实验并向社会开放。目前，该虚拟仿真教学资源不仅惠及本专业的师生，也支持了我校其它相关专业的虚拟仿真实验教学。中国福马机械集团、绿友机械集团、国家林业局北京林机所等5所相关单位共享了该虚拟仿真实验教学项目。

 

图2-12 北林与中国福马机械集团合作采伐机项目及其作业虚拟仿真培训