何 誠，舒立福，周俊亮，王 越，陳 鋒

（1.南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.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；3.應(yīng)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(xué)林學(xué)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(zāi)預(yù)防的同時，提高滅火能力成為各國森林防火機構(gòu)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(zāi)蔓延的重要手段。隨著我國經(jīng)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(guān)的課程建設(shè)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(xué)相關(guān)專業(yè)選修課，對學(xué)生學(xué)習(xí)森林保護，打好森林防火專業(yè)知識基礎(chǔ)，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(guān)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(yīng)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(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)境保護意識，養(yǎng)成科學(xué)、嚴謹、客觀的態(tài)度；培養(yǎng)學(xué)生與森林之間的情感，做到熱愛森林，熱愛林業(yè)；增強學(xué)生保護森林的意識，明確生態(tài)文明建設(shè)肩負的重任；使學(xué)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(dǎo)學(xué)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(jié)合森林航空消防一線工作實踐應(yīng)用和相應(yīng)國家機構(gòu)改革政策，通過教學(xué)改革，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)行業(yè)滿意的人才，是本文提出教學(xué)改革的主要目的[3]。

隨著科技進步，“森林航空消防”課程教學(xué)體系及教學(xué)內(nèi)容日益豐富，與相關(guān)森林防火課程，如“森林防火概論”“林火生態(tài)”“地形學(xué)”“森林火災(zāi)預(yù)防”“林火調(diào)查與統(tǒng)計”“林火監(jiān)測與預(yù)警”“森林消防設(shè)備與裝備”“無人機技術(shù)”等形成教學(xué)體系，可以讓學(xué)習(xí)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(shè)森林航空消防專業(yè)，大部分高校只是在森林防火相關(guān)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(xué)院針對森林消防工程專業(yè)開設(shè)了“森林航空消防”課程。2018年起，國家進行機構(gòu)調(diào)整，森林航空消防主管部門由國家林業(yè)和草原局調(diào)整到應(yīng)急管理部，相關(guān)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(chǎn)品在課程教學(xué)中的應(yīng)用，進而不斷完善課程教學(xué)體系，豐富教學(xué)內(nèi)容，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。

隨著國家經(jīng)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(xué)的內(nèi)容和方法沒有跟上時代發(fā)展的步伐，課程教學(xué)效果也亟待提高。具體存在的問題包括：①國家機構(gòu)變革后，航空護林總站、航站由國家林業(yè)和草原局主管轉(zhuǎn)為國家應(yīng)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(zhuǎn)為應(yīng)急救援使用，包含消防、搶險和救災(zāi)等。針對飛機功能及搭載裝備也進行了相應(yīng)改造。所以，整個教材及相應(yīng)授課內(nèi)容也需進行對應(yīng)修改。②隨著無人機技術(shù)多光譜和高光譜傳感器與航空器結(jié)合技術(shù)、衛(wèi)星遙感天地空一體化技術(shù)、飛機搭載人工增雨裝備技術(shù)、智能化機器人技術(shù)、有人/無人駕駛飛艇航空消防技術(shù)、雙光三光智能化瞭望塔技術(shù)等在森林航空消防中的應(yīng)用，森林航空消防無論是裝備、方案還是技術(shù)跟以前相比，都有突破性的改變[5]。因此，傳統(tǒng)教材及教學(xué)內(nèi)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(xué)生聽記的教學(xué)模式，會降低學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)生無法親臨現(xiàn)場參與實際操作，很多關(guān)于森林航空消防技術(shù)、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(xué)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(xué)習(xí)過程與實際脫節(jié)，不利于學(xué)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(jié)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(xué)生的動手能力。然而，這與對學(xué)生操作能力的全面考核還有一定的距離，更無法考核學(xué)生實際的森林航空消防技能或?qū)嵺`創(chuàng)新能力。

2 教學(xué)內(nèi)容、理念、方法和評價改革

2.1 國家機構(gòu)調(diào)整下的教學(xué)內(nèi)容更新

教學(xué)內(nèi)容更新涉及內(nèi)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(yīng)急事宜轉(zhuǎn)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(jīng)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(xué)內(nèi)容進行大幅度的調(diào)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(wù)需要進行的改造等內(nèi)容，都要進行調(diào)整。從教學(xué)效果來看，必須讓學(xué)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(gòu)調(diào)整的原因及主管部門的構(gòu)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(xué)習(xí)飛機在地空配合過程中需要注意的事項，讓學(xué)生掌握當(dāng)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(diào)的部門及詳細操作流程。綜上所述，只有及時更新教學(xué)內(nèi)容，才能讓學(xué)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(jié)合實際應(yīng)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(nèi)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(xué)、地形學(xué)、飛機各種型號特征、飛行滅火操作流程，而且需要講授林學(xué)及森林防火知識。同時，在課程開設(shè)過程中，加入相關(guān)實習(xí)實踐內(nèi)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(xí)部分的最佳平衡點，是課程改革的核心。教學(xué)改革過程中，堅持理論講授結(jié)合實際應(yīng)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(xué)秩序及教學(xué)質(zhì)量的平穩(wěn)有效。教學(xué)內(nèi)容從理論和實踐兩方面進行改革。教學(xué)內(nèi)容除了主講內(nèi)容，森林航空消防概述、航空基礎(chǔ)知識、森林航空消防基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理、森林航空消防飛機的使用與管理、森林航空消防調(diào)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(shù)、飛行滅火技術(shù)、國內(nèi)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(shù)及優(yōu)缺點，結(jié)合衛(wèi)星技術(shù)、航空技術(shù)與地面觀察技術(shù)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(yīng)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(shù)在森林防火中的應(yīng)用（重點圍繞三維虛擬仿真技術(shù)在森林航空消防中的教學(xué)展示）等。在野外實踐部分，除了傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)飛行觀察技術(shù)，通過紙質(zhì)地形圖在沙堆中進行展現(xiàn)，或?qū)嶋H沙堆的地形在紙質(zhì)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(yīng)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(xué)模式

作為教學(xué)改革關(guān)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(shù)研究中心、江蘇省優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊及應(yīng)急管理部北方航空護林總站建立的警學(xué)研基地等有利資源前提下，以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性為導(dǎo)向，探討新型教學(xué)模式，形成立體化的教學(xué)模型。通過列舉大量實際應(yīng)用案例，總結(jié)分析案例中使用航空消防飛機的優(yōu)缺點，運用好講授結(jié)合實際、考核服務(wù)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(xué)模式[6-8]。

根據(jù)課程性質(zhì)，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(chǔ)及技術(shù)，為學(xué)生的實踐課程打下理論基礎(chǔ)；中間兩部分重點學(xué)習(xí)森林航空消防針對不同森林火災(zāi)類型環(huán)境的使用方法與注意事項，緊貼實際案例，讓學(xué)生掌握森林航空消防核心技術(shù)；最后兩部分為了解決學(xué)生無法親臨森林火災(zāi)現(xiàn)場的難題，充分發(fā)揮虛擬仿真的優(yōu)點，設(shè)計不同的森林火災(zāi)場景，讓學(xué)生在仿真虛擬環(huán)境下將森林航空消防知識應(yīng)用到實踐。這樣的教學(xué)模式，讓學(xué)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(xué)生動手實踐的綜合式的教學(xué)模式，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)激情，提高教學(xué)效果，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)質(zhì)量，突出學(xué)習(xí)重點，對提升人才培養(yǎng)的效果具有積極意義。

2.4 結(jié)合虛擬仿真的教學(xué)方法

眾所周知，森林火災(zāi)現(xiàn)場具有一定危險性和復(fù)雜性。很多受過專業(yè)訓(xùn)練的森林防火工作人員，在火災(zāi)現(xiàn)場都有可能面對傷亡的威脅。在保證教學(xué)安全的前提下，提升“森林航空消防”教學(xué)的效果是森林防火教學(xué)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(jié)合森林火災(zāi)案例，以盡力讓“森林航空消防”的實踐教學(xué)接近親臨火災(zāi)現(xiàn)場的效果。這種教學(xué)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(xué)，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在課程教改設(shè)計方案中，學(xué)校結(jié)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(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，設(shè)置不同森林火災(zāi)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(shè)計不同的風(fēng)速風(fēng)向，給學(xué)生下達考核任務(wù)，讓學(xué)生在不同火災(zāi)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(xué)替代枯燥講授[9]。在使用軟件教學(xué)的過程中，結(jié)合國家自然科學(xué)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(shù)、無人機林火監(jiān)測技術(shù)、無人機撲火技術(shù)、飛機在不同火場最佳飛行架次設(shè)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(xué)生的森林航空消防知識訓(xùn)練。有針對性地強化學(xué)生學(xué)習(xí)理論和實踐應(yīng)用的能力。構(gòu)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(xué)院除了風(fēng)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(shè)施。上述儀器的投入，保證了“森林航空消防”的教學(xué)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(shù)融入課堂。

2.5 優(yōu)化教學(xué)質(zhì)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(xí)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(xué)生或相關(guān)學(xué)習(xí)人員為了應(yīng)付考核，自然而然形成了死記硬背的習(xí)慣。這種考核形式，既不能全方位對學(xué)生綜合能力進行考核，又限制了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。提高學(xué)生的綜合能力和動手操作能力，應(yīng)該為課程教學(xué)質(zhì)量評估的主要目的。因此，必須將學(xué)生從單一的試卷考核手段中解放出來，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)質(zhì)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(xí)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(shù)為平臺，情景再現(xiàn)多種森林火災(zāi)案例現(xiàn)場，智能化設(shè)定目標任務(wù)，進行學(xué)生實際動手操作能力考核，應(yīng)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(yīng)用，在保證學(xué)生避免森林火災(zāi)現(xiàn)場容易受到傷害的前提下，提升學(xué)生動手實踐能力，達到教學(xué)目的。教學(xué)環(huán)節(jié)達到了實質(zhì)性的轉(zhuǎn)變，考核方式也變成了書面化與智能化相結(jié)合，這樣極大地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性?？己说亩嘈问侥芸茖W(xué)體現(xiàn)出學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的長項及需要提高補習(xí)的短板。

3 改革效果分析

為了測試“森林航空消防”課程教學(xué)方案的改革效果，在南京森林警察學(xué)院2017級森林消防專業(yè)遴選出部分學(xué)生進行測試。引進相關(guān)公司的虛擬仿真硬軟件，對上述教學(xué)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(shù)的引進，改變了傳統(tǒng)教學(xué)中針對森林火災(zāi)實踐，以照本宣科或以森林過火區(qū)域調(diào)研為主，導(dǎo)致學(xué)生無法感性認識到森林火災(zāi)的場景，更無法感受到森林航空消防技術(shù)在森林火災(zāi)中的使用場景，森林防火類課程教學(xué)重理論而輕實踐的局面。②采用綜合式為主導(dǎo)的森林航空消防教學(xué)模式，將理論學(xué)習(xí)、實踐實習(xí)、重點內(nèi)容考核按照教學(xué)大綱條理化，緊扣“森林航空消防”課程特征，反映以學(xué)為主題、以教為主導(dǎo)的教育理念，培養(yǎng)學(xué)生綜合專業(yè)素質(zhì)，使其更加適應(yīng)工作一線需求。③虛擬仿真情景再現(xiàn)的教學(xué)模式提出，促進了教學(xué)平臺的建設(shè)，提升了教學(xué)的硬件和軟件質(zhì)量，讓學(xué)生對相關(guān)專業(yè)知識的理解更加方便簡易。④綜合式的課程教學(xué)效果評估方法，較好地體現(xiàn)出課程的教學(xué)宗旨，合理地評估了學(xué)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(xué)模式，不但大大增加了課程的趣味性，而且讓學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性得到大幅度提升。