森林防火虚拟仿真实验教学体系建设探索与实践

王颖+杨志高+刘江龙+张贵+曹小玉

摘要：虚拟仿真实验解决了许多传统实验无法解决的问题，因而被越来越多的教育者所重视，已成为实验教学的重要组成部分。中南林业科技大学森林防火虚拟仿真实验教学中心充分发挥其林业特色，坚持自主创新、开放共享的原则，打造了一支坚强有力的虚拟仿真实验教学团队，建成了一大批森林防火虚拟仿真实验教学资源。实践表明，虚拟仿真实验教学的开展，为包括林学、信息等专业在内的广大学生提供了便捷和有效的实验教学手段，有力的提升了学生的综合能力。

关键词：森林防火；虚拟仿真；实验教学；林业；自主创新

中图分类号：S762.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）07-1351-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.07.039

Exploration and Practice of Virtual Simulation Experimental Teaching System Construction for Forest Fire Prevention

WANG Ying， YANG Zhi-gao， LIU Jiang-long， ZHANG Gui， CAO Xiao-yu

（School of Science，Central South University of Foresty and Technology， Changsha 410004，China）

Abstract： In recent years， virtual simulation experiment solves many problems that can not be solved by traditional experiment， and more and more attentions focus on it by educators. It becomes an important part of Experiment Teaching. The forestry characteristics are given full play in the Virtual Simulation Experiment Teaching Center of Forest Fire Prevention of CSUFT. A high qualified virtual simulations teaching team was built， and a large of virtual simulation experimental resources are reserved through independent innovation， sharing and openness. The fact indicates that virtual simulation experiment teaching， which develop students comprehensive abilities， brings a lot of convenience and benefits for students， including forestry major and information major in experiment class.

Key words： forest fire prevention；virtual simulation；experimental teaching；forestry；independent innovation

包括森林防火在內的林学专业，是一门实践性非常强的学科。无论是森林培育，还是森林经营管理，其理论和方法都是千百年来劳动人民和林学科研工作者从实践中萃取的精华。

森林防火作为森林经营管理的一个重要部分，实践对其具有重要作用。然而，专科生、本科生森林防火实践教学面临许多现实困境。首先，林火发生具有偶然性，同时起火地点多位于偏僻的林区，不容易及时赶赴现场；其次，林火蔓延的面积广、危险系数高、专业性强、时间紧迫，近距离的观摩指挥与扑救过程是不现实的；再次，学校缺乏消防演习场所和器材，如果从消防部门借用，庞大的开支无法负担，因而操作实践也无从谈起。因此，林业院校的森林防火类教学往往停留在理论层面，观看图片和视频成为主要的“实践”方式[1-3]。

近年来，随着虚拟仿真技术的兴起与广泛应用，应急类虚拟仿真教学与培训在多个行业得到应用，如消防、电力、水利、石油等行业。这些成果为森林防火虚拟仿真实验的开发和应用提供了良好的基础。

1 森林防火虚拟仿真实验教学中心建设历程

中南林业科技大学是一所以林业为特色，多学科协调发展的综合性大学。学校拥有1个国家重点野外科学观测研究站，2个国家工程实验室，3个国家级实验教学示范中心，一个教育部重点实验室，1个国家林业局重点开放性实验室。

2004年学校对实验室进行优化整合，组建了森林植物实验教学中心，2007年被评为国家级实验教学示范中心。示范中心是中国南方最大的森林植物实验中心，依托中国亚热带丰富的森林植物资源和独特区位优势，为培养高质量、高素质、具有创新能力的人才与建设支撑学科发挥了辐射与示范作用。

2011年学校以国家级森林植物实验教学示范中心为依托，整合森林培育、动植物标本室、遥感中心、计算机科学与技术、信息管理与信息系统、测量等实验室的相关资源组建了森林防火虚拟仿真实验教学中心。中心是目前国内第一个森林防火虚拟仿真实验教学中心，通过对虚拟森林植物生长过程、虚拟森林植物生长与林火干扰与恢复过程、虚拟三维场景、林火蔓延模拟、火灾指挥扑救模拟等的研究及软件和信息系统的开发，不但为本科教学提供了直观、互动性强的实验教学平台，也为中国林业部门人员的培训提供了丰富的教学资源，为林火的扑救教学提供了信息化手段。

2014年，中心凭借在森林防火领域长期的实践探索，以及在虚拟仿真实验教学领域获得的成果，成为首批入选的国家级虚拟仿真实验教学中心。

2 森林防火虚拟仿真实验教学体系建设

中南林业科技大学在林学领域发展近60年，在林木育种、森林培育、森林保护、森林经理、动植物保护、水土保持和经济林等领域进行了长期的探索与科学研究，取得了丰硕的教学与科研成果。同时，学校在中国南方森林防火研究中占有很重要的地位。学校森林防火专家经常受邀参与森林火灾的规划设计与评审、火案侦破、损失评估与人员培训等工作。制作的林火模拟案例连续四年均入选国家森林防火指挥部森林防火案例教学库，开发的软件与信息系统在湖南、广西、广东、云南、大兴安岭等地进行了推广与应用，效果良好。

2.1 构建具有林业特色的虚拟仿真实践教学模式

根据学校专业特色，中心着力打造具有林业特色的虚拟仿真实践教学。中心坚持以人才培养为目的，以虚拟仿真实验为手段，构建了“层次多样、内容丰富、师生共建”的创新型虚拟仿真实验教学模式，如图1所示。即教学方式上由易到难逐步推进；教学内容以森林防火为主，辅以动画、三维建模等知识的教学；实验项目的建设立足自身，以本校师生作为实验室建设的绝对主力[4]。

2.1.1 设计循序渐进的教学方式 森林防火教学分为基础理论教学、进阶实训教学和自主创新实践三个层次。基础理论教学阶段的实验项目，主要针对理论教学中的演示性内容开展，确保学生对教学内容有个直观了解；进阶实训教学主要满足学生的上机实验，通过可交互的、动态的实验项目，加深学生对课堂内容的理解，强化学生实际动手操作能力；自主创新实践主要结合中心建设与学科建设项目，教师主导，学生作为主力军，师生合力完成森林防火教学实验项目的设计与开发[5]。

因此，各个教学阶段对应的实验项目，并不是严格区分的，实际上，同一个实验项目，可能是在第三阶段由师生共同开发出来的，但在第一阶段被用来做演示实验使用，在第二阶段则成了实验中的操作对象。

2.1.2 提供丰富的能满足各个专业需求的教学内容 森林防火虚拟仿真实验教学中心为林学、风景园林、地理信息、计算机等专业提供虚拟仿真教学。考虑到不同学生个体的爱好、专业、就业方向，中心在设计实验项目时，尽可能提供多种实验教学内容，以满足不同专业学生的学习。通过多年的探索，中心实验项目日益丰富。主要包括：①三维模型制作教学，中心提供3Ds Max、Maya等3D建模软件的培训学习，利用上述软件，学生可以学习制作简单几何模型、建筑家居模型、人物模型、地形模型、粒子系统（火焰烟雾水体）等；②三维动画制作教学，中心购置了Unit 3D、VRP_Builder等国内外优秀的三维交互式动画软件，并提供上述软件的教学培训，如人物、动物动作仿真，消防器材使用仿真，场景漫游等等；③林学方面教学，因为主要涉及森林培育、森林保护、森林经理、动植物保护、经济林等方向的教学，因此，中心着力打造了植物生长仿真、森林资源仿真、森林公园场景仿真、植物三维建模、地形快速建模等实验项目；④森林防火方面教学是中心的建设重点，主要针对森林火灾现场的仿真，借助高分辨率的大屏幕，使学生获得沉浸式森林火灾实践体验。同时，森林防火实验项目主要结合科研项目与学科建设项目成果，因而综合程度、仿真度都很高，如林火扑救指挥仿真、林火蔓延仿真、林火避险仿真及森林火灾卫星监控预警系统仿真等综合实验项目。

2.1.3 设计开发自主产权的虚拟仿真创新实验项目 通常，虚拟仿真的实验项目大部分都是由专业公司使用专门软件制作而成，在制作过程中，师生的参与程度低、制作费用高；在教学过程中，维护困难，难以根据实际场景对实验进行修改。基于上述问题，森林防火虚拟仿真实验教学中心师生充分利用实验中心提供的软硬件条件，选用业界常用的3D制作软件，自主开发了多个实验项目。

师生自主开发虚拟仿真实验项目，有以下意义：①体现了教与学的“相长”。以往的实验设计，都是从教师教学的角度来进行。学生的参与程度低，缺乏学生意愿的表达，而中心的实验从设计到制作均由师生共同完成，既兼顾教师对森林防火知识和3D建模知识的传授，又更多的站在学生学习知识的角度来考虑实验的设计制作。②体现了理论与实际的结合。每个实验项目在开始制作之前，都会对相应理论进行认真研究，对相关实体进行亲身体验。如林火扑救指挥仿真的开发，首先就对林火蔓延、林火扑救等理论进行了深入研究，然后对森林植物与林火发生发展等实地进行考查与验证。在此基础上，制成森林火災扑救指挥三维虚拟仿真系统，接着应用到教学中，在这个过程中，师生会对系统提出改进意见，根据这些意见，制作人员进行反复修改，直至真正符合教学要求，于是在应用、完善、再应用过程中形成良性循环。③体现了科研与学科建设的相互促进。绝大部分实验项目在制作过程中，都充分借鉴和吸收了老师前期的科研成果。得益于中南林业科技大学在林业和森林防火方面的大量科研成果，几乎所有实验项目的制作都能在前人的成果中找到理论源泉，甚至部分成果可以直接利用，如森林公园三维漫游等[6，7]。

2.2 建立健全开放的实验教学资源共享长效机制

在《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中，教育部明确要求“优质实验资源共享”是虚拟仿真实验教学中心建设的核心工作之一。森林防火虚拟仿真实验教学中心自成立之初，就十分重视资源共享建设。

1）资源丰富、覆盖面广。中心为林业类、信息类（林学、森林保护、测绘工程、地理信息科学、土地资源管理、信息与计算科学、软件工程、通信工程、电子科学与技术、电子信息工程、机械制造及自动化、土木工程等）本科生、硕士生及博士生提供直观互动的实验教学平台。该中心所建平台同时也可为我校所有理、工、农、管等门类本科专业进行虚拟仿真实验教学，覆盖了全校6成以上的学生。另外，中心还对林业消防部门提供虚拟仿真消防培训，产生了较好的社会效益。

2）所有实验项目均为自主研发，共享时无产权限制。中心除了硬件及通用基础开发软件外，所有实验资源（模型及实验项目）均为自主研发，因此不同于商业软件，存在知识产权限制而不能充分共享的问题。

3）建设了完善的共享平台作为支撑。中心建立了WEB服务平台，学校师生足不出户，就可以通过服务平台使用、发布、管理相应实验资源。同时，服务平台提供了完善的实验教学辅助功能，协助管理者与教师完成实验管理与教学工作。

4）建立了合理的激励机制。中心建立了交换与补偿机制，鼓励师生对实验资源“多使用多贡献”。如积分模式，用户可以通过购买或贡献资源的方式获得积分，然后用积分兑换实验资源。同时，对在实验室建设与管理中做出重大贡献的师生，中心在制度允许的范围内给予一定的物质奖励。同时，中心制定了严格的考核制度，对出现的问题予以相应处罚[8-10]。

2.3 打造高水平的、创新型的虚拟仿真实验教学和管理团队

森林防火虚拟仿真实验教学中心的建设，离不开一支优秀的团队。建设团队包括实验技术人员、专业教师、部分学生。实验技术人员主要负责中心日常管理与实验教学，专业教师主要负责教学与实验项目开发，学生主要是在教师的指导下开展实验项目开发。

在组建团队时，中心以学科专业带头人牵头组织本专业的实验教学小组。每个专业由专人设计编写各自的虚拟仿真实验课程、实验内容和实验教材，然后由中心熟悉虚拟仿真软件开发的师生进行具体开发，最后将上述成果交由专业教师进行教学。由此，中心形成了相对稳定的实验教学队伍。目前，中心拥有专职教师12人，兼职教师19人，所有教师均具有硕士以上学历，博士占到80%。大胆启用在校学生是中心一大特色。中心比较固定的学生团队16人，本科生、研究生各占一半。另外，中心还组织了虚拟仿真协会，协会拥有注册会员120多人，固定成员与协会会员均采取老带新的模式进行培养。中心全部的三维模型及大部分实验项目主要由学生在中心实验室完成，教师主要负责指导与技术难点攻关。这样做的好处是增强了学生的就业技能，为教师节约了大量科研教学时间，提高了实验项目的开发效率，且师生在协助开发的过程中加深了相互了解，从而有助于提高教学质量。从中心走出的学生，就业率达到100%，而且就业质量远高于其同专业平均水平。

3 建设内容与成果

经过近5年的发展，尤其是入选教育部首批虚拟仿真实验教学中心以来，森林防火虚拟仿真实验教学中心在软硬件建设上成绩裴然，成果丰硕。中心拥有实验室5间，面积达360 m2，分别是2个实验机房、沉浸式虚拟现实实验室、工作人员办公室以及实验项目开发人员工作室。拥有高性能图形工作站45台，高性能服务器4台，配备3D高清LED大屏的沉浸式虚拟现实系统1套，360度全景摄像机2台，红外热像仪1台。另外，中心还购置了Unity 3D、3Ds MAX、Photshop、VRP_Builder、SkyLine等一批图形开发软件。

目前为止，中心最大的成果来自于自主研发的实验资源。中心师生已经自主开发了8个完整的实验项目，400多个三维模型，另外，尚有多个实验项目正在制作当中。模型主要分为以下几类（图2）：

1）简单模型。主要是用来作为3D建模学习，包括建筑、家居、汽车等常见模型，共100多种。

2）植物模型。3D植物模型200多种，以树木为主。

3）消防器材模型。3D消防器材模型30多种，包括风力灭火机模型、消防车模型、飞机模型、遥感卫星模型等。

4）人物模型。3D人物模型25种，涵盖男女、老中青各种角色，同时包括跳、走、跑、卧、坐等通用动作以及灭火、捂鼻、砍树等专用动作。

5）粒子模型。包括烟、雾、水、雪、火等各种用粒子模拟的模型共28种。

实验项目主要包括（图3）：

1）3D校园漫游。以中南林业科技大学校园为蓝本，具有位置导航等交互功能的3D校园漫游导航系统。

2）森林公园仿真。模拟广州市白云山森林公园，重要景点提供高清360°视频或图片，并具有一定的交互性。

3）林火蔓延仿真。模拟林火在不同地形（平地、山地、丘陵）、气象（不同的风速、风向）、植被（草地、灌木、疏林地）条件下的蔓延火行为，包括火烧速度，火烧强度等，并具有一定的交互性。

4）林火紧急避险仿真。模拟几种主要危险环境条件下的避险逃生方法和过程，具有简单的交互功能。

5）林火扑救仿真。模拟几种主要环境条件下间接扑救指挥过程和结果，具有简单的交互功能。

6）森林火灾卫星监控预警系统仿真。模拟遥感卫星拍摄图片，地面接收站接受图片，解码图片，发现火点，发送火点警报整个流程，具有简单的交互功能。

4 结语

由于受实际情况限制，过往的森林防火教学通常停留在纸上谈兵阶段，极少涉及实践。虚拟仿真实验教学中心的建立，为森林防火实验教学提供了一个不可或缺的平台。同时，它不仅仅是一个森林防火的教学平台，还是一个虚拟仿真技术的培训平台，不同专业的同学，在这里学到了各自想要的知识，开阔了视野，锻炼了能力。事实表明，广泛开展虚拟仿真实验教学是今后实验教学的一个发展趋势，虚拟仿真实验是实验教学的一个重要组成部分。

森林防火虚拟仿真实验教学中心将根据教育部“科学规范、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的精神，加强校企合作，进一步强化队伍建设，持续提升自主创新能力。具体来讲，完善以树木为主的模型库，增强模型的仿真度，改善实验项目的交互性与可操作性，开发更多的实验项目是今后中心工作的重点。

参考文獻：

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