王穎+楊志高+劉江龍+張貴+曹小玉

摘要：虛擬仿真實驗解決了許多傳統(tǒng)實驗無法解決的問題，因而被越來越多的教育者所重視，已成為實驗教學(xué)的重要組成部分。中南林業(yè)科技大學(xué)森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)中心充分發(fā)揮其林業(yè)特色，堅持自主創(chuàng)新、開放共享的原則，打造了一支堅強有力的虛擬仿真實驗教學(xué)團隊，建成了一大批森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)資源。實踐表明，虛擬仿真實驗教學(xué)的開展，為包括林學(xué)、信息等專業(yè)在內(nèi)的廣大學(xué)生提供了便捷和有效的實驗教學(xué)手段，有力的提升了學(xué)生的綜合能力。

關(guān)鍵詞：森林防火；虛擬仿真；實驗教學(xué)；林業(yè)；自主創(chuàng)新

中圖分類號：S762.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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(nèi)的林學(xué)專業(yè)，是一門實踐性非常強的學(xué)科。無論是森林培育，還是森林經(jīng)營管理，其理論和方法都是千百年來勞動人民和林學(xué)科研工作者從實踐中萃取的精華。

森林防火作為森林經(jīng)營管理的一個重要部分，實踐對其具有重要作用。然而，?？粕?、本科生森林防火實踐教學(xué)面臨許多現(xiàn)實困境。首先，林火發(fā)生具有偶然性，同時起火地點多位于偏僻的林區(qū)，不容易及時趕赴現(xiàn)場；其次，林火蔓延的面積廣、危險系數(shù)高、專業(yè)性強、時間緊迫，近距離的觀摩指揮與撲救過程是不現(xiàn)實的；再次，學(xué)校缺乏消防演習(xí)場所和器材，如果從消防部門借用，龐大的開支無法負擔(dān)，因而操作實踐也無從談起。因此，林業(yè)院校的森林防火類教學(xué)往往停留在理論層面，觀看圖片和視頻成為主要的“實踐”方式[1-3]。

近年來，隨著虛擬仿真技術(shù)的興起與廣泛應(yīng)用，應(yīng)急類虛擬仿真教學(xué)與培訓(xùn)在多個行業(yè)得到應(yīng)用，如消防、電力、水利、石油等行業(yè)。這些成果為森林防火虛擬仿真實驗的開發(fā)和應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。

1 森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)歷程

中南林業(yè)科技大學(xué)是一所以林業(yè)為特色，多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合性大學(xué)。學(xué)校擁有1個國家重點野外科學(xué)觀測研究站，2個國家工程實驗室，3個國家級實驗教學(xué)示范中心，一個教育部重點實驗室，1個國家林業(yè)局重點開放性實驗室。

2004年學(xué)校對實驗室進行優(yōu)化整合，組建了森林植物實驗教學(xué)中心，2007年被評為國家級實驗教學(xué)示范中心。示范中心是中國南方最大的森林植物實驗中心，依托中國亞熱帶豐富的森林植物資源和獨特區(qū)位優(yōu)勢，為培養(yǎng)高質(zhì)量、高素質(zhì)、具有創(chuàng)新能力的人才與建設(shè)支撐學(xué)科發(fā)揮了輻射與示范作用。

2011年學(xué)校以國家級森林植物實驗教學(xué)示范中心為依托，整合森林培育、動植物標(biāo)本室、遙感中心、計算機科學(xué)與技術(shù)、信息管理與信息系統(tǒng)、測量等實驗室的相關(guān)資源組建了森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)中心。中心是目前國內(nèi)第一個森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)中心，通過對虛擬森林植物生長過程、虛擬森林植物生長與林火干擾與恢復(fù)過程、虛擬三維場景、林火蔓延模擬、火災(zāi)指揮撲救模擬等的研究及軟件和信息系統(tǒng)的開發(fā)，不但為本科教學(xué)提供了直觀、互動性強的實驗教學(xué)平臺，也為中國林業(yè)部門人員的培訓(xùn)提供了豐富的教學(xué)資源，為林火的撲救教學(xué)提供了信息化手段。

2014年，中心憑借在森林防火領(lǐng)域長期的實踐探索，以及在虛擬仿真實驗教學(xué)領(lǐng)域獲得的成果，成為首批入選的國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

2 森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)體系建設(shè)

中南林業(yè)科技大學(xué)在林學(xué)領(lǐng)域發(fā)展近60年，在林木育種、森林培育、森林保護、森林經(jīng)理、動植物保護、水土保持和經(jīng)濟林等領(lǐng)域進行了長期的探索與科學(xué)研究，取得了豐碩的教學(xué)與科研成果。同時，學(xué)校在中國南方森林防火研究中占有很重要的地位。學(xué)校森林防火專家經(jīng)常受邀參與森林火災(zāi)的規(guī)劃設(shè)計與評審、火案偵破、損失評估與人員培訓(xùn)等工作。制作的林火模擬案例連續(xù)四年均入選國家森林防火指揮部森林防火案例教學(xué)庫，開發(fā)的軟件與信息系統(tǒng)在湖南、廣西、廣東、云南、大興安嶺等地進行了推廣與應(yīng)用，效果良好。

2.1 構(gòu)建具有林業(yè)特色的虛擬仿真實踐教學(xué)模式

根據(jù)學(xué)校專業(yè)特色，中心著力打造具有林業(yè)特色的虛擬仿真實踐教學(xué)。中心堅持以人才培養(yǎng)為目的，以虛擬仿真實驗為手段，構(gòu)建了“層次多樣、內(nèi)容豐富、師生共建”的創(chuàng)新型虛擬仿真實驗教學(xué)模式，如圖1所示。即教學(xué)方式上由易到難逐步推進；教學(xué)內(nèi)容以森林防火為主，輔以動畫、三維建模等知識的教學(xué)；實驗項目的建設(shè)立足自身，以本校師生作為實驗室建設(shè)的絕對主力[4]。

2.1.1 設(shè)計循序漸進的教學(xué)方式 森林防火教學(xué)分為基礎(chǔ)理論教學(xué)、進階實訓(xùn)教學(xué)和自主創(chuàng)新實踐三個層次。基礎(chǔ)理論教學(xué)階段的實驗項目，主要針對理論教學(xué)中的演示性內(nèi)容開展，確保學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容有個直觀了解；進階實訓(xùn)教學(xué)主要滿足學(xué)生的上機實驗，通過可交互的、動態(tài)的實驗項目，加深學(xué)生對課堂內(nèi)容的理解，強化學(xué)生實際動手操作能力；自主創(chuàng)新實踐主要結(jié)合中心建設(shè)與學(xué)科建設(shè)項目，教師主導(dǎo)，學(xué)生作為主力軍，師生合力完成森林防火教學(xué)實驗項目的設(shè)計與開發(fā)[5]。

因此，各個教學(xué)階段對應(yīng)的實驗項目，并不是嚴(yán)格區(qū)分的，實際上，同一個實驗項目，可能是在第三階段由師生共同開發(fā)出來的，但在第一階段被用來做演示實驗使用，在第二階段則成了實驗中的操作對象。

2.1.2 提供豐富的能滿足各個專業(yè)需求的教學(xué)內(nèi)容 森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)中心為林學(xué)、風(fēng)景園林、地理信息、計算機等專業(yè)提供虛擬仿真教學(xué)。考慮到不同學(xué)生個體的愛好、專業(yè)、就業(yè)方向，中心在設(shè)計實驗項目時，盡可能提供多種實驗教學(xué)內(nèi)容，以滿足不同專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)。通過多年的探索，中心實驗項目日益豐富。主要包括：①三維模型制作教學(xué)，中心提供3Ds Max、Maya等3D建模軟件的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，利用上述軟件，學(xué)生可以學(xué)習(xí)制作簡單幾何模型、建筑家居模型、人物模型、地形模型、粒子系統(tǒng)（火焰煙霧水體）等；②三維動畫制作教學(xué)，中心購置了Unit 3D、VRP_Builder等國內(nèi)外優(yōu)秀的三維交互式動畫軟件，并提供上述軟件的教學(xué)培訓(xùn)，如人物、動物動作仿真，消防器材使用仿真，場景漫游等等；③林學(xué)方面教學(xué)，因為主要涉及森林培育、森林保護、森林經(jīng)理、動植物保護、經(jīng)濟林等方向的教學(xué)，因此，中心著力打造了植物生長仿真、森林資源仿真、森林公園場景仿真、植物三維建模、地形快速建模等實驗項目；④森林防火方面教學(xué)是中心的建設(shè)重點，主要針對森林火災(zāi)現(xiàn)場的仿真，借助高分辨率的大屏幕，使學(xué)生獲得沉浸式森林火災(zāi)實踐體驗。同時，森林防火實驗項目主要結(jié)合科研項目與學(xué)科建設(shè)項目成果，因而綜合程度、仿真度都很高，如林火撲救指揮仿真、林火蔓延仿真、林火避險仿真及森林火災(zāi)衛(wèi)星監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)仿真等綜合實驗項目。

2.1.3 設(shè)計開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的虛擬仿真創(chuàng)新實驗項目 通常，虛擬仿真的實驗項目大部分都是由專業(yè)公司使用專門軟件制作而成，在制作過程中，師生的參與程度低、制作費用高；在教學(xué)過程中，維護困難，難以根據(jù)實際場景對實驗進行修改?；谏鲜鰡栴}，森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)中心師生充分利用實驗中心提供的軟硬件條件，選用業(yè)界常用的3D制作軟件，自主開發(fā)了多個實驗項目。

師生自主開發(fā)虛擬仿真實驗項目，有以下意義：①體現(xiàn)了教與學(xué)的“相長”。以往的實驗設(shè)計，都是從教師教學(xué)的角度來進行。學(xué)生的參與程度低，缺乏學(xué)生意愿的表達，而中心的實驗從設(shè)計到制作均由師生共同完成，既兼顧教師對森林防火知識和3D建模知識的傳授，又更多的站在學(xué)生學(xué)習(xí)知識的角度來考慮實驗的設(shè)計制作。②體現(xiàn)了理論與實際的結(jié)合。每個實驗項目在開始制作之前，都會對相應(yīng)理論進行認(rèn)真研究，對相關(guān)實體進行親身體驗。如林火撲救指揮仿真的開發(fā)，首先就對林火蔓延、林火撲救等理論進行了深入研究，然后對森林植物與林火發(fā)生發(fā)展等實地進行考查與驗證。在此基礎(chǔ)上，制成森林火災(zāi)撲救指揮三維虛擬仿真系統(tǒng)，接著應(yīng)用到教學(xué)中，在這個過程中，師生會對系統(tǒng)提出改進意見，根據(jù)這些意見，制作人員進行反復(fù)修改，直至真正符合教學(xué)要求，于是在應(yīng)用、完善、再應(yīng)用過程中形成良性循環(huán)。③體現(xiàn)了科研與學(xué)科建設(shè)的相互促進。絕大部分實驗項目在制作過程中，都充分借鑒和吸收了老師前期的科研成果。得益于中南林業(yè)科技大學(xué)在林業(yè)和森林防火方面的大量科研成果，幾乎所有實驗項目的制作都能在前人的成果中找到理論源泉，甚至部分成果可以直接利用，如森林公園三維漫游等[6，7]。

2.2 建立健全開放的實驗教學(xué)資源共享長效機制

在《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》中，教育部明確要求“優(yōu)質(zhì)實驗資源共享”是虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的核心工作之一。森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)中心自成立之初，就十分重視資源共享建設(shè)。

1）資源豐富、覆蓋面廣。中心為林業(yè)類、信息類（林學(xué)、森林保護、測繪工程、地理信息科學(xué)、土地資源管理、信息與計算科學(xué)、軟件工程、通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、機械制造及自動化、土木工程等）本科生、碩士生及博士生提供直觀互動的實驗教學(xué)平臺。該中心所建平臺同時也可為我校所有理、工、農(nóng)、管等門類本科專業(yè)進行虛擬仿真實驗教學(xué)，覆蓋了全校6成以上的學(xué)生。另外，中心還對林業(yè)消防部門提供虛擬仿真消防培訓(xùn)，產(chǎn)生了較好的社會效益。

2）所有實驗項目均為自主研發(fā)，共享時無產(chǎn)權(quán)限制。中心除了硬件及通用基礎(chǔ)開發(fā)軟件外，所有實驗資源（模型及實驗項目）均為自主研發(fā)，因此不同于商業(yè)軟件，存在知識產(chǎn)權(quán)限制而不能充分共享的問題。

3）建設(shè)了完善的共享平臺作為支撐。中心建立了WEB服務(wù)平臺，學(xué)校師生足不出戶，就可以通過服務(wù)平臺使用、發(fā)布、管理相應(yīng)實驗資源。同時，服務(wù)平臺提供了完善的實驗教學(xué)輔助功能，協(xié)助管理者與教師完成實驗管理與教學(xué)工作。

4）建立了合理的激勵機制。中心建立了交換與補償機制，鼓勵師生對實驗資源“多使用多貢獻”。如積分模式，用戶可以通過購買或貢獻資源的方式獲得積分，然后用積分兌換實驗資源。同時，對在實驗室建設(shè)與管理中做出重大貢獻的師生，中心在制度允許的范圍內(nèi)給予一定的物質(zhì)獎勵。同時，中心制定了嚴(yán)格的考核制度，對出現(xiàn)的問題予以相應(yīng)處罰[8-10]。

2.3 打造高水平的、創(chuàng)新型的虛擬仿真實驗教學(xué)和管理團隊

森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)，離不開一支優(yōu)秀的團隊。建設(shè)團隊包括實驗技術(shù)人員、專業(yè)教師、部分學(xué)生。實驗技術(shù)人員主要負責(zé)中心日常管理與實驗教學(xué)，專業(yè)教師主要負責(zé)教學(xué)與實驗項目開發(fā)，學(xué)生主要是在教師的指導(dǎo)下開展實驗項目開發(fā)。

在組建團隊時，中心以學(xué)科專業(yè)帶頭人牽頭組織本專業(yè)的實驗教學(xué)小組。每個專業(yè)由專人設(shè)計編寫各自的虛擬仿真實驗課程、實驗內(nèi)容和實驗教材，然后由中心熟悉虛擬仿真軟件開發(fā)的師生進行具體開發(fā)，最后將上述成果交由專業(yè)教師進行教學(xué)。由此，中心形成了相對穩(wěn)定的實驗教學(xué)隊伍。目前，中心擁有專職教師12人，兼職教師19人，所有教師均具有碩士以上學(xué)歷，博士占到80%。大膽啟用在校學(xué)生是中心一大特色。中心比較固定的學(xué)生團隊16人，本科生、研究生各占一半。另外，中心還組織了虛擬仿真協(xié)會，協(xié)會擁有注冊會員120多人，固定成員與協(xié)會會員均采取老帶新的模式進行培養(yǎng)。中心全部的三維模型及大部分實驗項目主要由學(xué)生在中心實驗室完成，教師主要負責(zé)指導(dǎo)與技術(shù)難點攻關(guān)。這樣做的好處是增強了學(xué)生的就業(yè)技能，為教師節(jié)約了大量科研教學(xué)時間，提高了實驗項目的開發(fā)效率，且?guī)熒趨f(xié)助開發(fā)的過程中加深了相互了解，從而有助于提高教學(xué)質(zhì)量。從中心走出的學(xué)生，就業(yè)率達到100%，而且就業(yè)質(zhì)量遠高于其同專業(yè)平均水平。

3 建設(shè)內(nèi)容與成果

經(jīng)過近5年的發(fā)展，尤其是入選教育部首批虛擬仿真實驗教學(xué)中心以來，森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)中心在軟硬件建設(shè)上成績裴然，成果豐碩。中心擁有實驗室5間，面積達360 m2，分別是2個實驗機房、沉浸式虛擬現(xiàn)實實驗室、工作人員辦公室以及實驗項目開發(fā)人員工作室。擁有高性能圖形工作站45臺，高性能服務(wù)器4臺，配備3D高清LED大屏的沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)1套，360度全景攝像機2臺，紅外熱像儀1臺。另外，中心還購置了Unity 3D、3Ds MAX、Photshop、VRP_Builder、SkyLine等一批圖形開發(fā)軟件。

目前為止，中心最大的成果來自于自主研發(fā)的實驗資源。中心師生已經(jīng)自主開發(fā)了8個完整的實驗項目，400多個三維模型，另外，尚有多個實驗項目正在制作當(dāng)中。模型主要分為以下幾類（圖2）：

1）簡單模型。主要是用來作為3D建模學(xué)習(xí)，包括建筑、家居、汽車等常見模型，共100多種。

2）植物模型。3D植物模型200多種，以樹木為主。

3）消防器材模型。3D消防器材模型30多種，包括風(fēng)力滅火機模型、消防車模型、飛機模型、遙感衛(wèi)星模型等。

4）人物模型。3D人物模型25種，涵蓋男女、老中青各種角色，同時包括跳、走、跑、臥、坐等通用動作以及滅火、捂鼻、砍樹等專用動作。

5）粒子模型。包括煙、霧、水、雪、火等各種用粒子模擬的模型共28種。

實驗項目主要包括（圖3）：

1）3D校園漫游。以中南林業(yè)科技大學(xué)校園為藍本，具有位置導(dǎo)航等交互功能的3D校園漫游導(dǎo)航系統(tǒng)。

2）森林公園仿真。模擬廣州市白云山森林公園，重要景點提供高清360°視頻或圖片，并具有一定的交互性。

3）林火蔓延仿真。模擬林火在不同地形（平地、山地、丘陵）、氣象（不同的風(fēng)速、風(fēng)向）、植被（草地、灌木、疏林地）條件下的蔓延火行為，包括火燒速度，火燒強度等，并具有一定的交互性。

4）林火緊急避險仿真。模擬幾種主要危險環(huán)境條件下的避險逃生方法和過程，具有簡單的交互功能。

5）林火撲救仿真。模擬幾種主要環(huán)境條件下間接撲救指揮過程和結(jié)果，具有簡單的交互功能。

6）森林火災(zāi)衛(wèi)星監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)仿真。模擬遙感衛(wèi)星拍攝圖片，地面接收站接受圖片，解碼圖片，發(fā)現(xiàn)火點，發(fā)送火點警報整個流程，具有簡單的交互功能。

4 結(jié)語

由于受實際情況限制，過往的森林防火教學(xué)通常停留在紙上談兵階段，極少涉及實踐。虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建立，為森林防火實驗教學(xué)提供了一個不可或缺的平臺。同時，它不僅僅是一個森林防火的教學(xué)平臺，還是一個虛擬仿真技術(shù)的培訓(xùn)平臺，不同專業(yè)的同學(xué)，在這里學(xué)到了各自想要的知識，開闊了視野，鍛煉了能力。事實表明，廣泛開展虛擬仿真實驗教學(xué)是今后實驗教學(xué)的一個發(fā)展趨勢，虛擬仿真實驗是實驗教學(xué)的一個重要組成部分。

森林防火虛擬仿真實驗教學(xué)中心將根據(jù)教育部“科學(xué)規(guī)范、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的精神，加強校企合作，進一步強化隊伍建設(shè)，持續(xù)提升自主創(chuàng)新能力。具體來講，完善以樹木為主的模型庫，增強模型的仿真度，改善實驗項目的交互性與可操作性，開發(fā)更多的實驗項目是今后中心工作的重點。

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