何 誠，舒立福，周俊亮，王 越，陳 鋒

（1.南京森林警察學院，江蘇 南京 210023；2.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；3.應急管理部北方航空護林總站，黑龍江 哈爾濱 150027；4.北京林業(yè)大學林學院，北京 100083）

1 “森林航空消防”課程改革的背景及必要性

在各國加強森林火災預防的同時，提高滅火能力成為各國森林防火機構面臨的重要課題。發(fā)生森林大火時，由于火險強度高、火蔓延速度快、地面撲火困難，空中滅火成為控制火災蔓延的重要手段。隨著我國經濟發(fā)展和對環(huán)境保護的日益重視，對森林航空消防無論從科技含量還是專業(yè)人才的培養(yǎng)上都提出了更高的要求。然而，我國針對森林航空消防相關的課程建設體系與國外發(fā)達國家相比，還存在一定的差距[1，2]。

“森林航空消防”課程是森林防火類專業(yè)的一門專業(yè)課，作為森林保護類專業(yè)及林學相關專業(yè)選修課，對學生學習森林保護，打好森林防火專業(yè)知識基礎，培養(yǎng)森林防火一線指揮能力，提升森林防火科技創(chuàng)新能力，認識高科技在森林防火中的重要性具有重要意義。這門課程要求掌握的知識包括：我國森林航空消防主要政策措施及管理制度，森林航空消防工作中涉及機械、空中管制、氣象和地形等相關知識，森林航空消防各種機型及在森林公安和森林防火中的應用，森林航空飛機在森林防火中的流程及方法，地形圖及其他林業(yè)用圖的使用。通過學習，培養(yǎng)學生環(huán)境保護意識，養(yǎng)成科學、嚴謹、客觀的態(tài)度；培養(yǎng)學生與森林之間的情感，做到熱愛森林，熱愛林業(yè)；增強學生保護森林的意識，明確生態(tài)文明建設肩負的重任；使學生熱愛森林公安及森林防火工作，樹立為林業(yè)艱苦行業(yè)努力工作的信心和勇氣，引導學生樹立正確的人生觀和價值觀?；谏址阑饘I(yè)人才培養(yǎng)目標，結合森林航空消防一線工作實踐應用和相應國家機構改革政策，通過教學改革，提升學生學習效果，培養(yǎng)行業(yè)滿意的人才，是本文提出教學改革的主要目的[3]。

隨著科技進步，“森林航空消防”課程教學體系及教學內容日益豐富，與相關森林防火課程，如“森林防火概論”“林火生態(tài)”“地形學”“森林火災預防”“林火調查與統(tǒng)計”“林火監(jiān)測與預警”“森林消防設備與裝備”“無人機技術”等形成教學體系，可以讓學習者更加系統(tǒng)地掌握森林航空消防及森林防火知識[4]。目前，我國高校還沒有開設森林航空消防專業(yè)，大部分高校只是在森林防火相關課程中增加了森林航空消防的章節(jié)，對森林航空消防的介紹局限于滅火飛行的幾種常用模式。南京森林警察學院針對森林消防工程專業(yè)開設了“森林航空消防”課程。2018年起，國家進行機構調整，森林航空消防主管部門由國家林業(yè)和草原局調整到應急管理部，相關政策亦發(fā)生了較大變化。此時，配合無人機等新興行業(yè)的高速發(fā)展，我們不斷嘗試“森林航空消防”課程改革，積極引進國家自然基金、國家重點研發(fā)計劃等工程項目，強化高科技產品在課程教學中的應用，進而不斷完善課程教學體系，豐富教學內容，調動學生學習的主觀能動性。

隨著國家經濟實力提升，用于森林航空消防的飛行器數(shù)量不斷增加，森林消防飛行器搭載裝備的科技含量也跟著提升，而課堂中教學的內容和方法沒有跟上時代發(fā)展的步伐，課程教學效果也亟待提高。具體存在的問題包括：①國家機構變革后，航空護林總站、航站由國家林業(yè)和草原局主管轉為國家應急管理部主管，森林航空消防飛機職能由原先主要用于森林保護和森林防火，轉為應急救援使用，包含消防、搶險和救災等。針對飛機功能及搭載裝備也進行了相應改造。所以，整個教材及相應授課內容也需進行對應修改。②隨著無人機技術多光譜和高光譜傳感器與航空器結合技術、衛(wèi)星遙感天地空一體化技術、飛機搭載人工增雨裝備技術、智能化機器人技術、有人/無人駕駛飛艇航空消防技術、雙光三光智能化瞭望塔技術等在森林航空消防中的應用，森林航空消防無論是裝備、方案還是技術跟以前相比，都有突破性的改變[5]。因此，傳統(tǒng)教材及教學內容明顯滯后。③相對于“森林航空消防”這門操作性與實踐性都強的課程來說，傳統(tǒng)的老師板書講授、學生聽記的教學模式，會降低學生學習的主觀能動性和積極性，影響授課的趣味性和整個課程對學生的培養(yǎng)效果。④森林航空消防實踐環(huán)節(jié)，因受方方面面因素的影響，大部分學生無法親臨現(xiàn)場參與實際操作，很多關于森林航空消防技術、裝備、飛機類型、飛機飛行心得等知識都是來自于老師講授，造成學生對森林航空消防飛機在森林防火中具體使用以及使用過程中存在哪些優(yōu)缺點，缺乏實際體驗，學習過程與實際脫節(jié)，不利于學生綜合能力和一線操作能力的培養(yǎng)。⑤課程考核手段及模式單一，傳統(tǒng)考核模式都以書面考試、結課報告或論文的形式為主，對實際操作的考核，多以提取森林航空消防的部分知識進行實踐演練為主。例如：地形圖識別、無人機航片精度檢測、航空路線規(guī)劃等，以實驗報告來考核學生的動手能力。然而，這與對學生操作能力的全面考核還有一定的距離，更無法考核學生實際的森林航空消防技能或實踐創(chuàng)新能力。

2 教學內容、理念、方法和評價改革

2.1 國家機構調整下的教學內容更新

教學內容更新涉及內容廣泛，由改革前飛機單一或主要用到森林航空消防中，向消防救援等應急事宜轉變。由此帶來飛機管理體系、飛機性能升級、飛機使用過程中的對接事宜、飛行經費來源及管理部門的變化，上述變化要求森林航空消防的教材、教案及教學內容進行大幅度的調整。因此，森林航空消防的發(fā)展歷史、森林航空消防飛機的使用功能、飛機針對行業(yè)使用的具體操作流程、飛機針對出現(xiàn)新型任務需要進行的改造等內容，都要進行調整。從教學效果來看，必須讓學生了解我們國家森林航空消防的發(fā)展歷史，掌握森林航空消防機構調整的原因及主管部門的構成，熟悉森林航空消防飛機在歷史變革過程中的功能升級，學習飛機在地空配合過程中需要注意的事項，讓學生掌握當今飛機在各行業(yè)可以開展的工作和不同工作開展過程中需要協(xié)調的部門及詳細操作流程。綜上所述，只有及時更新教學內容，才能讓學生畢業(yè)后能夠滿足一線部門的工作需求。

2.2 堅持理論講授結合實際應用的理念

“森林航空消防”課程是一門專業(yè)性和實踐性都很強的課程，其內容不僅需要講授森林航空消防發(fā)展歷程、飛機飛行原理、飛行氣象學、地形學、飛機各種型號特征、飛行滅火操作流程，而且需要講授林學及森林防火知識。同時，在課程開設過程中，加入相關實習實踐內容，進而讓課程改革力度加大。尋找理論講授部分與實踐實習部分的最佳平衡點，是課程改革的核心。教學改革過程中，堅持理論講授結合實際應用的理念，理念與實踐課時建議按照3∶2的分配方案執(zhí)行，保證教學秩序及教學質量的平穩(wěn)有效。教學內容從理論和實踐兩方面進行改革。教學內容除了主講內容，森林航空消防概述、航空基礎知識、森林航空消防基礎設施建設和管理、森林航空消防飛機的使用與管理、森林航空消防調度工作概論、森林航空消防空中交通管制與航行地面保障、森林航空消防飛行觀察技術、飛行滅火技術、國內外森林航空消防飛機性能簡介外，增加了無人機在防火中的使用技術及優(yōu)缺點，結合衛(wèi)星技術、航空技術與地面觀察技術的天地空一體化森林防火體系，智能機器人在森林航空消防中的應用，飛機在消防救援中職能拓展及案例分析，三維虛擬仿真技術在森林防火中的應用（重點圍繞三維虛擬仿真技術在森林航空消防中的教學展示）等。在野外實踐部分，除了傳統(tǒng)的學習飛行觀察技術，通過紙質地形圖在沙堆中進行展現(xiàn)，或將實際沙堆的地形在紙質圖上勾繪出來；增加了無人機飛行采集目標物信息，通過無人機航片建立三維模型，對無人機航片的精度進行分析，并讓無人機搭載不同傳感器應用到森林防火中，如無人機搭載滅火彈進行滅火。

2.3 綜合式教學模式

作為教學改革關鍵手段之一，在綜合利用國家林業(yè)和草原局森林防火工程技術研究中心、江蘇省優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊及應急管理部北方航空護林總站建立的警學研基地等有利資源前提下，以調動學生學習積極性為導向，探討新型教學模式，形成立體化的教學模型。通過列舉大量實際應用案例，總結分析案例中使用航空消防飛機的優(yōu)缺點，運用好講授結合實際、考核服務實際的原則，形成傳授與吸收的良性循環(huán)系統(tǒng)，簡稱綜合式教學模式[6-8]。

根據(jù)課程性質，將課程劃為6個部分。前兩個部分重點講授森林航空消防理論基礎及技術，為學生的實踐課程打下理論基礎；中間兩部分重點學習森林航空消防針對不同森林火災類型環(huán)境的使用方法與注意事項，緊貼實際案例，讓學生掌握森林航空消防核心技術；最后兩部分為了解決學生無法親臨森林火災現(xiàn)場的難題，充分發(fā)揮虛擬仿真的優(yōu)點，設計不同的森林火災場景，讓學生在仿真虛擬環(huán)境下將森林航空消防知識應用到實踐。這樣的教學模式，讓學生可以全方位多角度掌握知識，是一種融合了老師講授、虛擬仿真、學生動手實踐的綜合式的教學模式，可以激發(fā)學生學習激情，提高教學效果，優(yōu)化教學內容，提升教學質量，突出學習重點，對提升人才培養(yǎng)的效果具有積極意義。

2.4 結合虛擬仿真的教學方法

眾所周知，森林火災現(xiàn)場具有一定危險性和復雜性。很多受過專業(yè)訓練的森林防火工作人員，在火災現(xiàn)場都有可能面對傷亡的威脅。在保證教學安全的前提下，提升“森林航空消防”教學的效果是森林防火教學工作者探討的熱門話題。隨著科技的發(fā)展，將虛擬三維場景結合森林火災案例，以盡力讓“森林航空消防”的實踐教學接近親臨火災現(xiàn)場的效果。這種教學方法的優(yōu)點是：避免了照本宣科、從文字到文字的空洞教學，大大提升了學生的學習積極性。在課程教改設計方案中，學校結合校企合作研發(fā)出的森林防火虛擬仿真軟件，利用物聯(lián)網、互聯(lián)網、地理信息系統(tǒng)等技術，設置不同森林火災場景（包括地下火、地表火、樹冠火、飛火與爆燃火等），并考慮南北方植被特征，融入不同地形，設計不同的風速風向，給學生下達考核任務，讓學生在不同火災環(huán)境下，使用軟件中虛擬的森林防火裝備去滅火，由人機互動教學替代枯燥講授[9]。在使用軟件教學的過程中，結合國家自然科學基金等項目的創(chuàng)新思想，不停開發(fā)完善軟件，將衛(wèi)星遙感識別林火技術、無人機林火監(jiān)測技術、無人機撲火技術、飛機在不同火場最佳飛行架次設計，通過軟件模塊的形式展現(xiàn)出來。

課程教改過程中，不停完善人機對話的“森林航空消防”的虛擬仿真系統(tǒng)，利用人機對話軟件加強學生的森林航空消防知識訓練。有針對性地強化學生學習理論和實踐應用的能力。構建完善“森林航空消防”實踐環(huán)節(jié)的硬件軟件平臺。目前，南京森林警察學院除了風力滅火機、二號工具、高壓細水霧水泵、防護罩等常用森林防火裝備之外，還有10臺不同型號的無人機、機載LIDAR裝備、機載高光譜傳感器、三維激光掃描儀、圖形工作站、RTK、森林防火撲救指揮平臺、電子沙盤等教授“森林航空消防”課程需要的硬軟件設施。上述儀器的投入，保證了“森林航空消防”的教學實踐環(huán)節(jié)的實施。機載LIDAR裝備，可以通過無人機采集目標物點云數(shù)據(jù)，建立目標物體的三維模型。同時，這部分數(shù)據(jù)的融入，可以為虛擬仿真實驗室不停更新數(shù)據(jù)，讓目前最先進的技術融入課堂。

2.5 優(yōu)化教學質量評價體系

“森林航空消防”課程傳統(tǒng)的考核形式以書面考核為主，成績由三部分組成，包括平時出勤、實驗實習報告評價、期末考試或論文。上述考核方式為大部分必修課和選修課的主流考核方式，考核方式單一，大學生或相關學習人員為了應付考核，自然而然形成了死記硬背的習慣。這種考核形式，既不能全方位對學生綜合能力進行考核，又限制了學生的學習積極性。提高學生的綜合能力和動手操作能力，應該為課程教學質量評估的主要目的。因此，必須將學生從單一的試卷考核手段中解放出來，將虛擬仿真技術應用到教學質量評價體系中去。評分細則為：森林航空消防基本原理考試，出勤率、課程實踐實習考核，占50%的分值；另外50%的分值分配給智能化電子考核[6-8]。以虛擬三維仿真技術為平臺，情景再現(xiàn)多種森林火災案例現(xiàn)場，智能化設定目標任務，進行學生實際動手操作能力考核，應對不同林地、海拔、氣候環(huán)境的森林航空消防解決能力考查。多元化、智能化、電子化評分方式的應用，在保證學生避免森林火災現(xiàn)場容易受到傷害的前提下，提升學生動手實踐能力，達到教學目的。教學環(huán)節(jié)達到了實質性的轉變，考核方式也變成了書面化與智能化相結合，這樣極大地調動了學生學習的興趣和積極性?？己说亩嘈问侥芸茖W體現(xiàn)出學生學習過程中的長項及需要提高補習的短板。

3 改革效果分析

為了測試“森林航空消防”課程教學方案的改革效果，在南京森林警察學院2017級森林消防專業(yè)遴選出部分學生進行測試。引進相關公司的虛擬仿真硬軟件，對上述教學方式進行推廣，體現(xiàn)出諸多優(yōu)點。具體表現(xiàn)如下：①三維虛擬仿真技術的引進，改變了傳統(tǒng)教學中針對森林火災實踐，以照本宣科或以森林過火區(qū)域調研為主，導致學生無法感性認識到森林火災的場景，更無法感受到森林航空消防技術在森林火災中的使用場景，森林防火類課程教學重理論而輕實踐的局面。②采用綜合式為主導的森林航空消防教學模式，將理論學習、實踐實習、重點內容考核按照教學大綱條理化，緊扣“森林航空消防”課程特征，反映以學為主題、以教為主導的教育理念，培養(yǎng)學生綜合專業(yè)素質，使其更加適應工作一線需求。③虛擬仿真情景再現(xiàn)的教學模式提出，促進了教學平臺的建設，提升了教學的硬件和軟件質量，讓學生對相關專業(yè)知識的理解更加方便簡易。④綜合式的課程教學效果評估方法，較好地體現(xiàn)出課程的教學宗旨，合理地評估了學生掌握知識、解決專業(yè)問題的能力。⑤智能化為主的“森林航空消防”課程教學模式，不但大大增加了課程的趣味性，而且讓學生學習的主動性和積極性得到大幅度提升。