何誠，劉柯珍，張思玉，舒立福，姚樹人

（1.南京森林警察學院林火研究中心，江蘇 南京 210023；2.國家林業(yè)局森林防火工程技術研究中心，江蘇 南京 210023；3.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京 100091）

面向虛擬教學的“林火監(jiān)測與預警”教學研究

何誠1，2，3，劉柯珍3，張思玉1，2，舒立福3，姚樹人1

（1.南京森林警察學院林火研究中心，江蘇 南京 210023；2.國家林業(yè)局森林防火工程技術研究中心，江蘇 南京 210023；3.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京 100091）

森林防火以預防為主的特點，讓“林火監(jiān)測與預警”這門課程在森林防火理論知識中具有很高的地位。但通過對該課程的教學發(fā)現(xiàn)，“林火監(jiān)測與預警”在實際教學過程中具有“內(nèi)容抽象、技術傳統(tǒng)、實際可操作性低”等特點，讓原本與實踐緊密結(jié)合的課程，變成了老師講、學生記、自由想象的呆板教學。學生不能根據(jù)實際情況，地形、氣候、人文、溫度等變化，掌握一套高效率的森林火險預警的技術。提出面向虛擬教學的“林火監(jiān)測與預警”教學方法，借助人機互動的方式，模擬出不同的場景，讓學生根據(jù)理論知識動手操作，最后計算機給予評估與修正，達到理論與實踐一體化教學模式，從而提升學生的技術應用能力。

林火監(jiān)測；虛擬；教學研究

1 研究背景

森林火險的預報與監(jiān)測是森林防火機構(gòu)開展森林防火管理活動的重要理論依據(jù)之一[1，2]，在森林防火實踐中，規(guī)范森林火險的預警與監(jiān)測的科學性，進而進一步建立森林火險預警響應機制，具有特別重要的意義，所以該工作是我國森林防火工作人員應該學習和掌握的重要環(huán)節(jié)。“林火監(jiān)測與預警”課程是森林消防工程專業(yè)的一門專業(yè)課，對學生打好森林防火專業(yè)知識基礎、培養(yǎng)學生森林火險預防與管理具有重要的意義。這門課要求學生掌握知識如下：森林火險的概念；森林火險監(jiān)測的手段與方法（為該門課程重點闡述與學習內(nèi)容）；森林火險預警及其響應機制；森林火災群防體系的構(gòu)建及績效評價。學習這門課，在培養(yǎng)學生森林防火專業(yè)知識同時，還需培養(yǎng)學生的吃苦耐勞精神、合作團隊意識以及動手實際操作能力。基于對專業(yè)人才培養(yǎng)目標和應用型人才培養(yǎng)模式改革的思考，結(jié)合森林防火一線工作人員的實踐應用，如何通過教學方式改革，提高學生學習效果，培養(yǎng)出滿足森林防火行業(yè)人才能力的需求，是本文提出的教學改革的目標。

南京森林警察學院森林消防專業(yè)為全國高等院校中唯一一個培養(yǎng)森林公安和森林防火人才的專業(yè)，為國家林業(yè)局主管，主要培養(yǎng)森林公安或森林消防等戰(zhàn)斗在森林防火一線的專業(yè)人才，受到森林保護行業(yè)的良好稱贊。經(jīng)過多年的辦學實踐，“林火監(jiān)測與預警”課程教學日益豐富，與“林火調(diào)查與統(tǒng)計”“森林火災預防”“森林防火”“森林消防設備與裝備”“森林消防管理學”和“森林火災案件偵查技術”等課程形成了學習鏈條，讓學生更能系統(tǒng)地掌握森林防火知識。近些年，隨著科技的發(fā)展與政策形式的變化，不斷嘗試進行“林火監(jiān)測與預警”課程改革，并積極配合森林防火一線的工程項目，進而完善課程實踐原理，吸取一些教學實例，豐富教學內(nèi)容。

然而隨著科學技術的發(fā)展，及科技產(chǎn)品的日新月異，林火監(jiān)測與預警技術有了很大的發(fā)展與進步，而教學使用的方法并沒有跟上科技飛躍的步伐，該課程的教學效果也有待提高。第一，科技的迅速發(fā)展，新型林火監(jiān)測技術如衛(wèi)星遙感技術、無人機/有人機搭載紅外傳感器林火監(jiān)測技術、無人飛艇搭載傳感器林火監(jiān)測技術、林火監(jiān)測機器人等技術的廣泛使用，使得林火監(jiān)測與預警得到了突破性的改變，傳統(tǒng)的課程教學內(nèi)容滯后，跟不上時代的發(fā)展[3，4]。第二，尤其針對林火監(jiān)測這么可操作性強的課程來說，傳統(tǒng)單一的、固化的課堂老師講，學生聽的教學模式，制約了學生自由思考的積極性和學習的主動性，大大影響學生學習興趣。第三，林火監(jiān)測實踐環(huán)節(jié)，因受多方面因素的影響，無法讓學生親臨現(xiàn)場，很多森林防火知識全憑老師講授，造成學生林火監(jiān)測與實際應用的關系缺乏全面認識，不利于學生綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。第四，課程考核手段單一，傳統(tǒng)考核多以筆試或結(jié)合論文為主，對實際操作大多通過小范圍模擬點燒示范，最終以結(jié)題報告為主，缺乏對學生操作能力的全面考核，更無從考核學生實踐創(chuàng)新能力。以上問題是林火預警與監(jiān)測課程教學過程中存在的亟待解決的具體問題。本文重點探討林火預警與監(jiān)測課程教學改革思路與具體實踐，以圍繞教學內(nèi)容為出發(fā)點，構(gòu)建多個教學項目，基于虛擬現(xiàn)實教學模式，提出了林火監(jiān)測與預警課程改革新方案。

2 教改思想和教學模式改革

2.1堅持理論講授與實踐操作并重的理念

林火監(jiān)測與預警課程是一門專業(yè)性和實踐性都很強的課程，其內(nèi)容不僅要講授森林火災發(fā)生的原理、各種監(jiān)測預警設備的使用方法，而且要講授森林防火知識，同時加以相關的實踐活動，這導致改革難度較大，理論教學和實踐活動孰重孰輕，如何找到平衡點，這是改革的核心問題之一。教學改革中，制定的改革方案堅持理論講授與實踐操作并重的理念，課時建議按3∶2的分配方案考慮，確保整體的教學秩序正常，教學質(zhì)量穩(wěn)步發(fā)展。在教學改革內(nèi)容方面，除主講地面巡邏、瞭望塔觀測、衛(wèi)星遙感監(jiān)測等傳統(tǒng)方法的使用外，增加了無人機搭載紅外或其他傳感器的林火監(jiān)測預警等方法，虛擬林地三維場景，重點圍繞三維虛擬現(xiàn)實技術在林火監(jiān)測預警應用的主線進行講授，并通過虛擬實驗室讓學生感受林火監(jiān)測預警實際操作時應該怎么去布設監(jiān)測點，或根據(jù)監(jiān)測方法設置監(jiān)測路線。

2.2集成式教學模式

實施所述改革的關鍵之一在于如何有效利用國家林業(yè)局森林防火工程技術研究中心的有利資源，圍繞課程內(nèi)容探討新的教學模式并通過以點帶面，帶動林火監(jiān)測與預警課程教學質(zhì)量的提高。通過不斷實踐和完善，及時總結(jié)經(jīng)驗，提出了集成式學習思想理論基礎，以“講授-實踐-考核”循環(huán)進行的教學模式，簡稱集成式教學模式。

將課程教學內(nèi)容劃分為6部分，前2部分為林地著火原理及林火監(jiān)測預警使用方法介紹，該內(nèi)容是基礎，目的是為學生打下基礎；中間2部分為針對不同設備林火監(jiān)測預警設計方法；后2部分為學生將所學知識在虛擬實驗室進行實踐操作。根據(jù)教學內(nèi)容由主講老師先課堂講授再讓學生具體實踐，最后通過高新技術模擬現(xiàn)實。三維虛擬讓學生切實感受林地場景，智能軟件讓學生動手感受不同監(jiān)測預警設備的使用效果。集成式的教學模式，融合教師講授、學生實踐、實踐安全等多個教學優(yōu)勢為一體，對激發(fā)學生學習興趣、突出學習重點及能力培養(yǎng)有積極意義。

2.3面向虛擬教學的“林火監(jiān)測與預警”教學方法

“林火監(jiān)測與預警”教學過程中，使用計算機虛擬三維場景及網(wǎng)絡方式來表現(xiàn)教學內(nèi)容是一種極好的方式，不僅能避免學生在實踐操作中由火災或其他復雜林地環(huán)境帶來的傷害，而且能提高教學效率，將枯燥的講授向人機互動邁進。課程教改中，針對各教學內(nèi)容開發(fā)了專門程序，如瞭望塔最優(yōu)布設方法、無人機最佳飛行路線、遙感林火監(jiān)測熱點判識、風云氣象衛(wèi)星識別、林火蔓延監(jiān)測方法等[5]。課程教改過程中不斷完善人機對話的“林火監(jiān)測與預警”處理系統(tǒng)，學生利用人機對話軟件可以進行林火監(jiān)測與預警訓練。及時地、針對性的實訓既強化了學生所學理論與實踐的結(jié)合能力，又激發(fā)了學生的學習興趣，促進了綜合能力的提升。

2.4人機互動教學平臺構(gòu)建

構(gòu)建林火監(jiān)測與預警課程實踐環(huán)節(jié)硬件、軟件平臺，是本次教改的任務之一。森林防火實驗室目前擁有3臺無人機、1臺三維激光掃描儀、5臺圖形工作站、2臺RTK、5臺全站儀及一套虛擬林火現(xiàn)實軟件等設備儀器。這些儀器的購置保證了實踐教學環(huán)節(jié)的實施。學生可以在虛擬現(xiàn)實實驗室進行林火監(jiān)測與預警各種訓練，最后系統(tǒng)根據(jù)學生的實踐進行評價與指導，讓學生在實際操作中成長，使學生形成敢想、敢做、能做的良好學習風氣。

2.5教學質(zhì)量評估方法

傳統(tǒng)的課程考核形式主要以卷面成績?yōu)橹饕问?，以平時出勤和作業(yè)等平時成績?yōu)檩o助因子?？己诵问絾我?，讓大學生在學習過程中，形成死記硬背的不良習慣，首先不能全面考核學生的綜合能力，其次是這種考核形式不能調(diào)動學生的學習積極性。課程教學質(zhì)量評估方法改革應以提高學生的綜合能力和實際解決問題能力為基準，從單一的試卷成績中解放出來，這個目的的實現(xiàn)體現(xiàn)在教學過程各環(huán)節(jié)的教學模式?；谡n程改革新方案中提出的集成式教學模式，構(gòu)建了以提升學生能力的課程評估方法。評分細則包括林火監(jiān)測與預警基本原理考試(占50%)、上課出勤率考查(占5%)、分項實訓操作技能考查(占20%)、應對不同林地環(huán)境的林火監(jiān)測預警問題解決能力考查(占25%)。這種多元化評分方式的提出，在教學各個環(huán)節(jié)都提出實質(zhì)性要求和改變，考查方式由傳統(tǒng)紙質(zhì)化變成電子化，形式也隨之多樣化，能有效地調(diào)動學生學習積極性，且此形式能科學合理地反映學生學習的整體情況，不僅考查學生的掌握理論知識的程度，而且考查實踐操作能力和解決切實問題的能力。

3 改革實踐及成果

針對提出的課程教學改革方案，在2013級森林消防專業(yè)中遴選出進行測試，效果良好，隨著南京森林警察學院的虛擬實驗室的研建和完善，這種教學方式的推廣將會帶來很多優(yōu)點，具體如下。

1）教改利用最新三維虛擬模擬技術做到了理論學習與實踐應用的統(tǒng)一，改變了以往因條件等因子限制導致重理論教學輕技能操作的局面。

2）采用以集成式為主導的教學模式，將理論學習、實踐、考核按授課內(nèi)容進行條理化，緊扣了林火監(jiān)測與預警課程的特點，體現(xiàn)了以教為主導以學為主體的教育觀念，以培養(yǎng)學生綜合專業(yè)素質(zhì)為目的的主導思想。

3）面向虛擬教學虛擬實驗室教學平臺的建設完善，確保了教改所需的硬件和軟件教學必要環(huán)境。

4）多元化評估方法的實施真正體現(xiàn)了以學生學到、素質(zhì)提高為核心的全新評估方法。

5）以混合式教學模式為主的林火監(jiān)測與預警課程教學改革，不但大大調(diào)動了學生學習積極性主動性，而且避免了因?qū)W生與實地林火接觸帶來危險性，進而培養(yǎng)了學生有的放矢地思考問題解決林火監(jiān)測預警實際問題的能力，為森林防火事業(yè)人才的培養(yǎng)更新了技術手段。

[1]舒立福，周汝良.森林火災監(jiān)測預警和撲救指揮數(shù)字化技術[M],昆明：云南科學技術出版社，2012.

[2]王移芝.基于“計算思維”能力培養(yǎng)的教學改革探索與實踐[J].中國大學教學,2014，（3）∶49-53.

[3]何誠，舒立福，張思玉.我國寒溫帶林區(qū)地下火發(fā)生特征及研究[J]，森林防火，2014，（4）：22-25.

[4]何誠,張思玉，姚樹人.旋翼無人機林火點定位技術研究[J]，測繪通報，2014，（12），24-27.

[5]Kaufman Y J, Justice C O,Giglio L.Potential global fire monitoring from EOS-MODIS [J].Journal of Geophysical Research,1998,103∶215-238.

（責任編輯：韓煥金）

S762

A

2015-09-23

國家自然基金青年基金（31500532）；中國博士后科學基金（2014M561092，2015T80156）；江蘇省自然基金（BK20151010）