面向虚拟教学的“林火监测与预警”教学研究

何诚，刘柯珍，张思玉，舒立福，姚树人

（1.南京森林警察学院林火研究中心，江苏 南京 210023；2.国家林业局森林防火工程技术研究中心，江苏 南京 210023；3.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091）

面向虚拟教学的“林火监测与预警”教学研究

何诚1，2，3，刘柯珍3，张思玉1，2，舒立福3，姚树人1

（1.南京森林警察学院林火研究中心，江苏 南京 210023；2.国家林业局森林防火工程技术研究中心，江苏 南京 210023；3.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091）

森林防火以预防为主的特点，让“林火监测与预警”这门课程在森林防火理论知识中具有很高的地位。但通过对该课程的教学发现，“林火监测与预警”在实际教学过程中具有“内容抽象、技术传统、实际可操作性低”等特点，让原本与实践紧密结合的课程，变成了老师讲、学生记、自由想象的呆板教学。学生不能根据实际情况，地形、气候、人文、温度等变化，掌握一套高效率的森林火险预警的技术。提出面向虚拟教学的“林火监测与预警”教学方法，借助人机互动的方式，模拟出不同的场景，让学生根据理论知识动手操作，最后计算机给予评估与修正，达到理论与实践一体化教学模式，从而提升学生的技术应用能力。

林火监测；虚拟；教学研究

1 研究背景

森林火险的预报与监测是森林防火机构开展森林防火管理活动的重要理论依据之一[1，2]，在森林防火实践中，规范森林火险的预警与监测的科学性，进而进一步建立森林火险预警响应机制，具有特别重要的意义，所以该工作是我国森林防火工作人员应该学习和掌握的重要环节。“林火监测与预警”课程是森林消防工程专业的一门专业课，对学生打好森林防火专业知识基础、培养学生森林火险预防与管理具有重要的意义。这门课要求学生掌握知识如下：森林火险的概念；森林火险监测的手段与方法（为该门课程重点阐述与学习内容）；森林火险预警及其响应机制；森林火灾群防体系的构建及绩效评价。学习这门课，在培养学生森林防火专业知识同时，还需培养学生的吃苦耐劳精神、合作团队意识以及动手实际操作能力。基于对专业人才培养目标和应用型人才培养模式改革的思考，结合森林防火一线工作人员的实践应用，如何通过教学方式改革，提高学生学习效果，培养出满足森林防火行业人才能力的需求，是本文提出的教学改革的目标。

南京森林警察学院森林消防专业为全国高等院校中唯一一个培养森林公安和森林防火人才的专业，为国家林业局主管，主要培养森林公安或森林消防等战斗在森林防火一线的专业人才，受到森林保护行业的良好称赞。经过多年的办学实践，“林火监测与预警”课程教学日益丰富，与“林火调查与统计”“森林火灾预防”“森林防火”“森林消防设备与装备”“森林消防管理学”和“森林火灾案件侦查技术”等课程形成了学习链条，让学生更能系统地掌握森林防火知识。近些年，随着科技的发展与政策形式的变化，不断尝试进行“林火监测与预警”课程改革，并积极配合森林防火一线的工程项目，进而完善课程实践原理，吸取一些教学实例，丰富教学内容。

然而随着科学技术的发展，及科技产品的日新月异，林火监测与预警技术有了很大的发展与进步，而教学使用的方法并没有跟上科技飞跃的步伐，该课程的教学效果也有待提高。第一，科技的迅速发展，新型林火监测技术如卫星遥感技术、无人机/有人机搭载红外传感器林火监测技术、无人飞艇搭载传感器林火监测技术、林火监测机器人等技术的广泛使用，使得林火监测与预警得到了突破性的改变，传统的课程教学内容滞后，跟不上时代的发展[3，4]。第二，尤其针对林火监测这么可操作性强的课程来说，传统单一的、固化的课堂老师讲，学生听的教学模式，制约了学生自由思考的积极性和学习的主动性，大大影响学生学习兴趣。第三，林火监测实践环节，因受多方面因素的影响，无法让学生亲临现场，很多森林防火知识全凭老师讲授，造成学生林火监测与实际应用的关系缺乏全面认识，不利于学生综合能力和创新能力的培养。第四，课程考核手段单一，传统考核多以笔试或结合论文为主，对实际操作大多通过小范围模拟点烧示范，最终以结题报告为主，缺乏对学生操作能力的全面考核，更无从考核学生实践创新能力。以上问题是林火预警与监测课程教学过程中存在的亟待解决的具体问题。本文重点探讨林火预警与监测课程教学改革思路与具体实践，以围绕教学内容为出发点，构建多个教学项目，基于虚拟现实教学模式，提出了林火监测与预警课程改革新方案。

2 教改思想和教学模式改革

2.1坚持理论讲授与实践操作并重的理念

林火监测与预警课程是一门专业性和实践性都很强的课程，其内容不仅要讲授森林火灾发生的原理、各种监测预警设备的使用方法，而且要讲授森林防火知识，同时加以相关的实践活动，这导致改革难度较大，理论教学和实践活动孰重孰轻，如何找到平衡点，这是改革的核心问题之一。教学改革中，制定的改革方案坚持理论讲授与实践操作并重的理念，课时建议按3∶2的分配方案考虑，确保整体的教学秩序正常，教学质量稳步发展。在教学改革内容方面，除主讲地面巡逻、瞭望塔观测、卫星遥感监测等传统方法的使用外，增加了无人机搭载红外或其他传感器的林火监测预警等方法，虚拟林地三维场景，重点围绕三维虚拟现实技术在林火监测预警应用的主线进行讲授，并通过虚拟实验室让学生感受林火监测预警实际操作时应该怎么去布设监测点，或根据监测方法设置监测路线。

2.2集成式教学模式

实施所述改革的关键之一在于如何有效利用国家林业局森林防火工程技术研究中心的有利资源，围绕课程内容探讨新的教学模式并通过以点带面，带动林火监测与预警课程教学质量的提高。通过不断实践和完善，及时总结经验，提出了集成式学习思想理论基础，以“讲授-实践-考核”循环进行的教学模式，简称集成式教学模式。

将课程教学内容划分为6部分，前2部分为林地着火原理及林火监测预警使用方法介绍，该内容是基础，目的是为学生打下基础；中间2部分为针对不同设备林火监测预警设计方法；后2部分为学生将所学知识在虚拟实验室进行实践操作。根据教学内容由主讲老师先课堂讲授再让学生具体实践，最后通过高新技术模拟现实。三维虚拟让学生切实感受林地场景，智能软件让学生动手感受不同监测预警设备的使用效果。集成式的教学模式，融合教师讲授、学生实践、实践安全等多个教学优势为一体，对激发学生学习兴趣、突出学习重点及能力培养有积极意义。

2.3面向虚拟教学的“林火监测与预警”教学方法

“林火监测与预警”教学过程中，使用计算机虚拟三维场景及网络方式来表现教学内容是一种极好的方式，不仅能避免学生在实践操作中由火灾或其他复杂林地环境带来的伤害，而且能提高教学效率，将枯燥的讲授向人机互动迈进。课程教改中，针对各教学内容开发了专门程序，如瞭望塔最优布设方法、无人机最佳飞行路线、遥感林火监测热点判识、风云气象卫星识别、林火蔓延监测方法等[5]。课程教改过程中不断完善人机对话的“林火监测与预警”处理系统，学生利用人机对话软件可以进行林火监测与预警训练。及时地、针对性的实训既强化了学生所学理论与实践的结合能力，又激发了学生的学习兴趣，促进了综合能力的提升。

2.4人机互动教学平台构建

构建林火监测与预警课程实践环节硬件、软件平台，是本次教改的任务之一。森林防火实验室目前拥有3台无人机、1台三维激光扫描仪、5台图形工作站、2台RTK、5台全站仪及一套虚拟林火现实软件等设备仪器。这些仪器的购置保证了实践教学环节的实施。学生可以在虚拟现实实验室进行林火监测与预警各种训练，最后系统根据学生的实践进行评价与指导，让学生在实际操作中成长，使学生形成敢想、敢做、能做的良好学习风气。

2.5教学质量评估方法

传统的课程考核形式主要以卷面成绩为主要形式，以平时出勤和作业等平时成绩为辅助因子。考核形式单一，让大学生在学习过程中，形成死记硬背的不良习惯，首先不能全面考核学生的综合能力，其次是这种考核形式不能调动学生的学习积极性。课程教学质量评估方法改革应以提高学生的综合能力和实际解决问题能力为基准，从单一的试卷成绩中解放出来，这个目的的实现体现在教学过程各环节的教学模式。基于课程改革新方案中提出的集成式教学模式，构建了以提升学生能力的课程评估方法。评分细则包括林火监测与预警基本原理考试(占50%)、上课出勤率考查(占5%)、分项实训操作技能考查(占20%)、应对不同林地环境的林火监测预警问题解决能力考查(占25%)。这种多元化评分方式的提出，在教学各个环节都提出实质性要求和改变，考查方式由传统纸质化变成电子化，形式也随之多样化，能有效地调动学生学习积极性，且此形式能科学合理地反映学生学习的整体情况，不仅考查学生的掌握理论知识的程度，而且考查实践操作能力和解决切实问题的能力。

3 改革实践及成果

针对提出的课程教学改革方案，在2013级森林消防专业中遴选出进行测试，效果良好，随着南京森林警察学院的虚拟实验室的研建和完善，这种教学方式的推广将会带来很多优点，具体如下。

1）教改利用最新三维虚拟模拟技术做到了理论学习与实践应用的统一，改变了以往因条件等因子限制导致重理论教学轻技能操作的局面。

2）采用以集成式为主导的教学模式，将理论学习、实践、考核按授课内容进行条理化，紧扣了林火监测与预警课程的特点，体现了以教为主导以学为主体的教育观念，以培养学生综合专业素质为目的的主导思想。

3）面向虚拟教学虚拟实验室教学平台的建设完善，确保了教改所需的硬件和软件教学必要环境。

4）多元化评估方法的实施真正体现了以学生学到、素质提高为核心的全新评估方法。

5）以混合式教学模式为主的林火监测与预警课程教学改革，不但大大调动了学生学习积极性主动性，而且避免了因学生与实地林火接触带来危险性，进而培养了学生有的放矢地思考问题解决林火监测预警实际问题的能力，为森林防火事业人才的培养更新了技术手段。

[1]舒立福，周汝良.森林火灾监测预警和扑救指挥数字化技术[M],昆明：云南科学技术出版社，2012.

[2]王移芝.基于“计算思维”能力培养的教学改革探索与实践[J].中国大学教学,2014，（3）∶49-53.

[3]何诚，舒立福，张思玉.我国寒温带林区地下火发生特征及研究[J]，森林防火，2014，（4）：22-25.

[4]何诚,张思玉，姚树人.旋翼无人机林火点定位技术研究[J]，测绘通报，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.

（责任编辑：韩焕金）

S762

A

2015-09-23

国家自然基金青年基金（31500532）；中国博士后科学基金（2014M561092，2015T80156）；江苏省自然基金（BK20151010）