“森林航空消防”课程教学改革探索

何 诚，舒立福，周俊亮，王 越，陈 锋

（1.南京森林警察学院，江苏 南京 210023；2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091；3.应急管理部北方航空护林总站，黑龙江 哈尔滨 150027；4.北京林业大学林学院，北京 100083）

1 “森林航空消防”课程改革的背景及必要性

在各国加强森林火灾预防的同时，提高灭火能力成为各国森林防火机构面临的重要课题。发生森林大火时，由于火险强度高、火蔓延速度快、地面扑火困难，空中灭火成为控制火灾蔓延的重要手段。随着我国经济发展和对环境保护的日益重视，对森林航空消防无论从科技含量还是专业人才的培养上都提出了更高的要求。然而，我国针对森林航空消防相关的课程建设体系与国外发达国家相比，还存在一定的差距[1，2]。

“森林航空消防”课程是森林防火类专业的一门专业课，作为森林保护类专业及林学相关专业选修课，对学生学习森林保护，打好森林防火专业知识基础，培养森林防火一线指挥能力，提升森林防火科技创新能力，认识高科技在森林防火中的重要性具有重要意义。这门课程要求掌握的知识包括：我国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机械、空中管制、气象和地形等相关知识，森林航空消防各种机型及在森林公安和森林防火中的应用，森林航空飞机在森林防火中的流程及方法，地形图及其他林业用图的使用。通过学习，培养学生环境保护意识，养成科学、严谨、客观的态度；培养学生与森林之间的情感，做到热爱森林，热爱林业；增强学生保护森林的意识，明确生态文明建设肩负的重任；使学生热爱森林公安及森林防火工作，树立为林业艰苦行业努力工作的信心和勇气，引导学生树立正确的人生观和价值观。基于森林防火专业人才培养目标，结合森林航空消防一线工作实践应用和相应国家机构改革政策，通过教学改革，提升学生学习效果，培养行业满意的人才，是本文提出教学改革的主要目的[3]。

随着科技进步，“森林航空消防”课程教学体系及教学内容日益丰富，与相关森林防火课程，如“森林防火概论”“林火生态”“地形学”“森林火灾预防”“林火调查与统计”“林火监测与预警”“森林消防设备与装备”“无人机技术”等形成教学体系，可以让学习者更加系统地掌握森林航空消防及森林防火知识[4]。目前，我国高校还没有开设森林航空消防专业，大部分高校只是在森林防火相关课程中增加了森林航空消防的章节，对森林航空消防的介绍局限于灭火飞行的几种常用模式。南京森林警察学院针对森林消防工程专业开设了“森林航空消防”课程。2018年起，国家进行机构调整，森林航空消防主管部门由国家林业和草原局调整到应急管理部，相关政策亦发生了较大变化。此时，配合无人机等新兴行业的高速发展，我们不断尝试“森林航空消防”课程改革，积极引进国家自然基金、国家重点研发计划等工程项目，强化高科技产品在课程教学中的应用，进而不断完善课程教学体系，丰富教学内容，调动学生学习的主观能动性。

随着国家经济实力提升，用于森林航空消防的飞行器数量不断增加，森林消防飞行器搭载装备的科技含量也跟着提升，而课堂中教学的内容和方法没有跟上时代发展的步伐，课程教学效果也亟待提高。具体存在的问题包括：①国家机构变革后，航空护林总站、航站由国家林业和草原局主管转为国家应急管理部主管，森林航空消防飞机职能由原先主要用于森林保护和森林防火，转为应急救援使用，包含消防、抢险和救灾等。针对飞机功能及搭载装备也进行了相应改造。所以，整个教材及相应授课内容也需进行对应修改。②随着无人机技术多光谱和高光谱传感器与航空器结合技术、卫星遥感天地空一体化技术、飞机搭载人工增雨装备技术、智能化机器人技术、有人/无人驾驶飞艇航空消防技术、双光三光智能化瞭望塔技术等在森林航空消防中的应用，森林航空消防无论是装备、方案还是技术跟以前相比，都有突破性的改变[5]。因此，传统教材及教学内容明显滞后。③相对于“森林航空消防”这门操作性与实践性都强的课程来说，传统的老师板书讲授、学生听记的教学模式，会降低学生学习的主观能动性和积极性，影响授课的趣味性和整个课程对学生的培养效果。④森林航空消防实践环节，因受方方面面因素的影响，大部分学生无法亲临现场参与实际操作，很多关于森林航空消防技术、装备、飞机类型、飞机飞行心得等知识都是来自于老师讲授，造成学生对森林航空消防飞机在森林防火中具体使用以及使用过程中存在哪些优缺点，缺乏实际体验，学习过程与实际脱节，不利于学生综合能力和一线操作能力的培养。⑤课程考核手段及模式单一，传统考核模式都以书面考试、结课报告或论文的形式为主，对实际操作的考核，多以提取森林航空消防的部分知识进行实践演练为主。例如：地形图识别、无人机航片精度检测、航空路线规划等，以实验报告来考核学生的动手能力。然而，这与对学生操作能力的全面考核还有一定的距离，更无法考核学生实际的森林航空消防技能或实践创新能力。

2 教学内容、理念、方法和评价改革

2.1 国家机构调整下的教学内容更新

教学内容更新涉及内容广泛，由改革前飞机单一或主要用到森林航空消防中，向消防救援等应急事宜转变。由此带来飞机管理体系、飞机性能升级、飞机使用过程中的对接事宜、飞行经费来源及管理部门的变化，上述变化要求森林航空消防的教材、教案及教学内容进行大幅度的调整。因此，森林航空消防的发展历史、森林航空消防飞机的使用功能、飞机针对行业使用的具体操作流程、飞机针对出现新型任务需要进行的改造等内容，都要进行调整。从教学效果来看，必须让学生了解我们国家森林航空消防的发展历史，掌握森林航空消防机构调整的原因及主管部门的构成，熟悉森林航空消防飞机在历史变革过程中的功能升级，学习飞机在地空配合过程中需要注意的事项，让学生掌握当今飞机在各行业可以开展的工作和不同工作开展过程中需要协调的部门及详细操作流程。综上所述，只有及时更新教学内容，才能让学生毕业后能够满足一线部门的工作需求。

2.2 坚持理论讲授结合实际应用的理念

“森林航空消防”课程是一门专业性和实践性都很强的课程，其内容不仅需要讲授森林航空消防发展历程、飞机飞行原理、飞行气象学、地形学、飞机各种型号特征、飞行灭火操作流程，而且需要讲授林学及森林防火知识。同时，在课程开设过程中，加入相关实习实践内容，进而让课程改革力度加大。寻找理论讲授部分与实践实习部分的最佳平衡点，是课程改革的核心。教学改革过程中，坚持理论讲授结合实际应用的理念，理念与实践课时建议按照3∶2的分配方案执行，保证教学秩序及教学质量的平稳有效。教学内容从理论和实践两方面进行改革。教学内容除了主讲内容，森林航空消防概述、航空基础知识、森林航空消防基础设施建设和管理、森林航空消防飞机的使用与管理、森林航空消防调度工作概论、森林航空消防空中交通管制与航行地面保障、森林航空消防飞行观察技术、飞行灭火技术、国内外森林航空消防飞机性能简介外，增加了无人机在防火中的使用技术及优缺点，结合卫星技术、航空技术与地面观察技术的天地空一体化森林防火体系，智能机器人在森林航空消防中的应用，飞机在消防救援中职能拓展及案例分析，三维虚拟仿真技术在森林防火中的应用（重点围绕三维虚拟仿真技术在森林航空消防中的教学展示）等。在野外实践部分，除了传统的学习飞行观察技术，通过纸质地形图在沙堆中进行展现，或将实际沙堆的地形在纸质图上勾绘出来；增加了无人机飞行采集目标物信息，通过无人机航片建立三维模型，对无人机航片的精度进行分析，并让无人机搭载不同传感器应用到森林防火中，如无人机搭载灭火弹进行灭火。

2.3 综合式教学模式

作为教学改革关键手段之一，在综合利用国家林业和草原局森林防火工程技术研究中心、江苏省优秀科技创新团队及应急管理部北方航空护林总站建立的警学研基地等有利资源前提下，以调动学生学习积极性为导向，探讨新型教学模式，形成立体化的教学模型。通过列举大量实际应用案例，总结分析案例中使用航空消防飞机的优缺点，运用好讲授结合实际、考核服务实际的原则，形成传授与吸收的良性循环系统，简称综合式教学模式[6-8]。

根据课程性质，将课程划为6个部分。前两个部分重点讲授森林航空消防理论基础及技术，为学生的实践课程打下理论基础；中间两部分重点学习森林航空消防针对不同森林火灾类型环境的使用方法与注意事项，紧贴实际案例，让学生掌握森林航空消防核心技术；最后两部分为了解决学生无法亲临森林火灾现场的难题，充分发挥虚拟仿真的优点，设计不同的森林火灾场景，让学生在仿真虚拟环境下将森林航空消防知识应用到实践。这样的教学模式，让学生可以全方位多角度掌握知识，是一种融合了老师讲授、虚拟仿真、学生动手实践的综合式的教学模式，可以激发学生学习激情，提高教学效果，优化教学内容，提升教学质量，突出学习重点，对提升人才培养的效果具有积极意义。

2.4 结合虚拟仿真的教学方法

众所周知，森林火灾现场具有一定危险性和复杂性。很多受过专业训练的森林防火工作人员，在火灾现场都有可能面对伤亡的威胁。在保证教学安全的前提下，提升“森林航空消防”教学的效果是森林防火教学工作者探讨的热门话题。随着科技的发展，将虚拟三维场景结合森林火灾案例，以尽力让“森林航空消防”的实践教学接近亲临火灾现场的效果。这种教学方法的优点是：避免了照本宣科、从文字到文字的空洞教学，大大提升了学生的学习积极性。在课程教改设计方案中，学校结合校企合作研发出的森林防火虚拟仿真软件，利用物联网、互联网、地理信息系统等技术，设置不同森林火灾场景（包括地下火、地表火、树冠火、飞火与爆燃火等），并考虑南北方植被特征，融入不同地形，设计不同的风速风向，给学生下达考核任务，让学生在不同火灾环境下，使用软件中虚拟的森林防火装备去灭火，由人机互动教学替代枯燥讲授[9]。在使用软件教学的过程中，结合国家自然科学基金等项目的创新思想，不停开发完善软件，将卫星遥感识别林火技术、无人机林火监测技术、无人机扑火技术、飞机在不同火场最佳飞行架次设计，通过软件模块的形式展现出来。

课程教改过程中，不停完善人机对话的“森林航空消防”的虚拟仿真系统，利用人机对话软件加强学生的森林航空消防知识训练。有针对性地强化学生学习理论和实践应用的能力。构建完善“森林航空消防”实践环节的硬件软件平台。目前，南京森林警察学院除了风力灭火机、二号工具、高压细水雾水泵、防护罩等常用森林防火装备之外，还有10台不同型号的无人机、机载LIDAR装备、机载高光谱传感器、三维激光扫描仪、图形工作站、RTK、森林防火扑救指挥平台、电子沙盘等教授“森林航空消防”课程需要的硬软件设施。上述仪器的投入，保证了“森林航空消防”的教学实践环节的实施。机载LIDAR装备，可以通过无人机采集目标物点云数据，建立目标物体的三维模型。同时，这部分数据的融入，可以为虚拟仿真实验室不停更新数据，让目前最先进的技术融入课堂。

2.5 优化教学质量评价体系

“森林航空消防”课程传统的考核形式以书面考核为主，成绩由三部分组成，包括平时出勤、实验实习报告评价、期末考试或论文。上述考核方式为大部分必修课和选修课的主流考核方式，考核方式单一，大学生或相关学习人员为了应付考核，自然而然形成了死记硬背的习惯。这种考核形式，既不能全方位对学生综合能力进行考核，又限制了学生的学习积极性。提高学生的综合能力和动手操作能力，应该为课程教学质量评估的主要目的。因此，必须将学生从单一的试卷考核手段中解放出来，将虚拟仿真技术应用到教学质量评价体系中去。评分细则为：森林航空消防基本原理考试，出勤率、课程实践实习考核，占50%的分值；另外50%的分值分配给智能化电子考核[6-8]。以虚拟三维仿真技术为平台，情景再现多种森林火灾案例现场，智能化设定目标任务，进行学生实际动手操作能力考核，应对不同林地、海拔、气候环境的森林航空消防解决能力考查。多元化、智能化、电子化评分方式的应用，在保证学生避免森林火灾现场容易受到伤害的前提下，提升学生动手实践能力，达到教学目的。教学环节达到了实质性的转变，考核方式也变成了书面化与智能化相结合，这样极大地调动了学生学习的兴趣和积极性。考核的多形式能科学体现出学生学习过程中的长项及需要提高补习的短板。

3 改革效果分析

为了测试“森林航空消防”课程教学方案的改革效果，在南京森林警察学院2017级森林消防专业遴选出部分学生进行测试。引进相关公司的虚拟仿真硬软件，对上述教学方式进行推广，体现出诸多优点。具体表现如下：①三维虚拟仿真技术的引进，改变了传统教学中针对森林火灾实践，以照本宣科或以森林过火区域调研为主，导致学生无法感性认识到森林火灾的场景，更无法感受到森林航空消防技术在森林火灾中的使用场景，森林防火类课程教学重理论而轻实践的局面。②采用综合式为主导的森林航空消防教学模式，将理论学习、实践实习、重点内容考核按照教学大纲条理化，紧扣“森林航空消防”课程特征，反映以学为主题、以教为主导的教育理念，培养学生综合专业素质，使其更加适应工作一线需求。③虚拟仿真情景再现的教学模式提出，促进了教学平台的建设，提升了教学的硬件和软件质量，让学生对相关专业知识的理解更加方便简易。④综合式的课程教学效果评估方法，较好地体现出课程的教学宗旨，合理地评估了学生掌握知识、解决专业问题的能力。⑤智能化为主的“森林航空消防”课程教学模式，不但大大增加了课程的趣味性，而且让学生学习的主动性和积极性得到大幅度提升。