面向虛擬教學(xué)的“林火監(jiān)測與預(yù)警”教學(xué)研究

何誠，劉柯珍，張思玉，舒立福，姚樹人

（1.南京森林警察學(xué)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(shù)研究中心，江蘇 南京 210023；3.中國林業(yè)科學(xué)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(xué)的“林火監(jiān)測與預(yù)警”教學(xué)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(xué)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(shù)研究中心，江蘇 南京 210023；3.中國林業(yè)科學(xué)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(yù)防為主的特點，讓“林火監(jiān)測與預(yù)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(xué)發(fā)現(xiàn)，“林火監(jiān)測與預(yù)警”在實際教學(xué)過程中具有“內(nèi)容抽象、技術(shù)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(xué)生記、自由想象的呆板教學(xué)。學(xué)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(yù)警的技術(shù)。提出面向虛擬教學(xué)的“林火監(jiān)測與預(yù)警”教學(xué)方法，借助人機互動的方式，模擬出不同的場景，讓學(xué)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(xué)模式，從而提升學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力。

林火監(jiān)測；虛擬；教學(xué)研究

1 研究背景

森林火險的預(yù)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(yù)警與監(jiān)測的科學(xué)性，進而進一步建立森林火險預(yù)警響應(yīng)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(yīng)該學(xué)習(xí)和掌握的重要環(huán)節(jié)?！傲只鸨O(jiān)測與預(yù)警”課程是森林消防工程專業(yè)的一門專業(yè)課，對學(xué)生打好森林防火專業(yè)知識基礎(chǔ)、培養(yǎng)學(xué)生森林火險預(yù)防與管理具有重要的意義。這門課要求學(xué)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(xué)習(xí)內(nèi)容）；森林火險預(yù)警及其響應(yīng)機制；森林火災(zāi)群防體系的構(gòu)建及績效評價。學(xué)習(xí)這門課，在培養(yǎng)學(xué)生森林防火專業(yè)知識同時，還需培養(yǎng)學(xué)生的吃苦耐勞精神、合作團隊意識以及動手實際操作能力?；趯I(yè)人才培養(yǎng)目標和應(yīng)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(yīng)用，如何通過教學(xué)方式改革，提高學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)改革的目標。

南京森林警察學(xué)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(xué)實踐，“林火監(jiān)測與預(yù)警”課程教學(xué)日益豐富，與“林火調(diào)查與統(tǒng)計”“森林火災(zāi)預(yù)防”“森林防火”“森林消防設(shè)備與裝備”“森林消防管理學(xué)”和“森林火災(zāi)案件偵查技術(shù)”等課程形成了學(xué)習(xí)鏈條，讓學(xué)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(yù)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(xué)實例，豐富教學(xué)內(nèi)容。

然而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，及科技產(chǎn)品的日新月異，林火監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)有了很大的發(fā)展與進步，而教學(xué)使用的方法并沒有跟上科技飛躍的步伐，該課程的教學(xué)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(shù)如衛(wèi)星遙感技術(shù)、無人機/有人機搭載紅外傳感器林火監(jiān)測技術(shù)、無人飛艇搭載傳感器林火監(jiān)測技術(shù)、林火監(jiān)測機器人等技術(shù)的廣泛使用，使得林火監(jiān)測與預(yù)警得到了突破性的改變，傳統(tǒng)的課程教學(xué)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(xué)生聽的教學(xué)模式，制約了學(xué)生自由思考的積極性和學(xué)習(xí)的主動性，大大影響學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)生親臨現(xiàn)場，很多森林防火知識全憑老師講授，造成學(xué)生林火監(jiān)測與實際應(yīng)用的關(guān)系缺乏全面認識，不利于學(xué)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(xué)生操作能力的全面考核，更無從考核學(xué)生實踐創(chuàng)新能力。以上問題是林火預(yù)警與監(jiān)測課程教學(xué)過程中存在的亟待解決的具體問題。本文重點探討林火預(yù)警與監(jiān)測課程教學(xué)改革思路與具體實踐，以圍繞教學(xué)內(nèi)容為出發(fā)點，構(gòu)建多個教學(xué)項目，基于虛擬現(xiàn)實教學(xué)模式，提出了林火監(jiān)測與預(yù)警課程改革新方案。

2 教改思想和教學(xué)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(yù)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(zāi)發(fā)生的原理、各種監(jiān)測預(yù)警設(shè)備的使用方法，而且要講授森林防火知識，同時加以相關(guān)的實踐活動，這導(dǎo)致改革難度較大，理論教學(xué)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(xué)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(xué)秩序正常，教學(xué)質(zhì)量穩(wěn)步發(fā)展。在教學(xué)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(yù)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(shù)在林火監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用的主線進行講授，并通過虛擬實驗室讓學(xué)生感受林火監(jiān)測預(yù)警實際操作時應(yīng)該怎么去布設(shè)監(jiān)測點，或根據(jù)監(jiān)測方法設(shè)置監(jiān)測路線。

2.2集成式教學(xué)模式

實施所述改革的關(guān)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(shù)研究中心的有利資源，圍繞課程內(nèi)容探討新的教學(xué)模式并通過以點帶面，帶動林火監(jiān)測與預(yù)警課程教學(xué)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(xué)習(xí)思想理論基礎(chǔ)，以“講授-實踐-考核”循環(huán)進行的教學(xué)模式，簡稱集成式教學(xué)模式。

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

2.3面向虛擬教學(xué)的“林火監(jiān)測與預(yù)警”教學(xué)方法

“林火監(jiān)測與預(yù)警”教學(xué)過程中，使用計算機虛擬三維場景及網(wǎng)絡(luò)方式來表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容是一種極好的方式，不僅能避免學(xué)生在實踐操作中由火災(zāi)或其他復(fù)雜林地環(huán)境帶來的傷害，而且能提高教學(xué)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(xué)內(nèi)容開發(fā)了專門程序，如瞭望塔最優(yōu)布設(shè)方法、無人機最佳飛行路線、遙感林火監(jiān)測熱點判識、風(fēng)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(yù)警”處理系統(tǒng)，學(xué)生利用人機對話軟件可以進行林火監(jiān)測與預(yù)警訓(xùn)練。及時地、針對性的實訓(xùn)既強化了學(xué)生所學(xué)理論與實踐的結(jié)合能力，又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進了綜合能力的提升。

2.4人機互動教學(xué)平臺構(gòu)建

構(gòu)建林火監(jiān)測與預(yù)警課程實踐環(huán)節(jié)硬件、軟件平臺，是本次教改的任務(wù)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(shè)備儀器。這些儀器的購置保證了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實施。學(xué)生可以在虛擬現(xiàn)實實驗室進行林火監(jiān)測與預(yù)警各種訓(xùn)練，最后系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的實踐進行評價與指導(dǎo)，讓學(xué)生在實際操作中成長，使學(xué)生形成敢想、敢做、能做的良好學(xué)習(xí)風(fēng)氣。

2.5教學(xué)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(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，形成死記硬背的不良習(xí)慣，首先不能全面考核學(xué)生的綜合能力，其次是這種考核形式不能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。課程教學(xué)質(zhì)量評估方法改革應(yīng)以提高學(xué)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(xué)過程各環(huán)節(jié)的教學(xué)模式。基于課程改革新方案中提出的集成式教學(xué)模式，構(gòu)建了以提升學(xué)生能力的課程評估方法。評分細則包括林火監(jiān)測與預(yù)警基本原理考試(占50%)、上課出勤率考查(占5%)、分項實訓(xùn)操作技能考查(占20%)、應(yīng)對不同林地環(huán)境的林火監(jiān)測預(yù)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(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)積極性，且此形式能科學(xué)合理地反映學(xué)生學(xué)習(xí)的整體情況，不僅考查學(xué)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(xué)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(xué)院的虛擬實驗室的研建和完善，這種教學(xué)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(shù)做到了理論學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用的統(tǒng)一，改變了以往因條件等因子限制導(dǎo)致重理論教學(xué)輕技能操作的局面。

2）采用以集成式為主導(dǎo)的教學(xué)模式，將理論學(xué)習(xí)、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(yù)警課程的特點，體現(xiàn)了以教為主導(dǎo)以學(xué)為主體的教育觀念，以培養(yǎng)學(xué)生綜合專業(yè)素質(zhì)為目的的主導(dǎo)思想。

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

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

5）以混合式教學(xué)模式為主的林火監(jiān)測與預(yù)警課程教學(xué)改革，不但大大調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)生有的放矢地思考問題解決林火監(jiān)測預(yù)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(shù)手段。

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

[2]王移芝.基于“計算思維”能力培養(yǎng)的教學(xué)改革探索與實踐[J].中國大學(xué)教學(xué),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(shù)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(zé)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(xué)基金（2014M561092，2015T80156）；江蘇省自然基金（BK20151010）