汪 東

（南京森林警察學院，南京 210023）

森林火災是森林植被區(qū)最為重要的擾動因子，也是自然、生物、生態(tài)環(huán)境過程的潛在威脅[1]，不僅破壞生態(tài)平衡，威脅生物多樣性，也嚴重損害了人民生命財產安全。由于森林火災具有突發(fā)性強、傳播速度快、危害性大、撲救困難等特點，位居破壞森林的三大自然災害（病害、蟲害、火災）之首，所以森林防火在森林保護工作中占有重要地位[2]。有效防控森林火災，是維護國土生態(tài)安全、促進社會和諧穩(wěn)定的重要組成部分。森林防火作為南京森林警察學院的一門特色、骨干課程，在教學過程中，要遵循知識、能力、職業(yè)素質三結合的人才培養(yǎng)原則，確保公安后備人才優(yōu)良的專業(yè)素養(yǎng)。

虛擬現實Virtual Reality（簡稱VR）于20世紀蓬勃發(fā)展，是計算機、電子信息、模擬仿真等多學科交叉融合的新技術，基本實現方式是計算機模擬真實環(huán)境給操作者提供環(huán)境沉浸感，使人產生身臨其境的感覺。隨著社會生產力和科學技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對VR技術的需求日益高漲。

在森林防火教學中引入VR技術，采用三維虛擬場景設計營造逼真、直觀的視覺效果，同時通過人機對話進行學生操作與三維虛擬場景的交互響應，學生通過感受具有開發(fā)性、發(fā)散性的設計過程，提高對森林火災的防護控制及獨立解決問題能力。因此，VR技術在森林防火教學上的應用對培養(yǎng)具有綠色環(huán)保理念的現代防火人才發(fā)揮積極作用，也為培訓模擬演練提供強有力的工具。

1 在森林防火教學中引入VVRR技術的必要性

森林防火教學在培養(yǎng)學生的設計管理能力、開發(fā)實踐能力和綜合運用能力方面可發(fā)揮積極的作用，但在實體教學設計過程中，存在如下問題：

1）森林火災突發(fā)性強，不具有可預測性，破壞性大，現場參與的風險高，學生參與現場的安全防護壓力大。

2）空間受限，森林火災發(fā)生地點一般遠離城市，學生想要現場參與防控難度大，目前國內外均無相應的實地教學條件。

3）成本高，影響范圍廣，難以隨時隨地檢驗防火、控火、滅火的效果，過程中參數的改變或優(yōu)化需有對應的實體來驗證，費用高昂，難以實現。

4）綜合性強，相關參數關聯(lián)耦合度高，涉及的環(huán)節(jié)多，實體教學難以有效體現多參數對防火結果耦合影響的多樣性與復雜性。

因此，單純依賴實體教學無法完成教學內容，更無法達到教學目的，必須要采用信息化手段和虛擬仿真技術，通過引入VR技術，針對不同的起火地點、起火樹種、滅火設備、撲救力量等，實時、精準、直觀地體現每一步驟的效果?；赩R技術的森林防火教學系統(tǒng)大大縮短了教學周期，降低了教學成本，提升了學生的自主學習能力，拓展了教學的深度和廣度，實現了信息技術與特色專業(yè)教育的有機融合，從而提高了實踐教學質量和實際育人水平，達到了很好的教學效果。

2 基于VVRR技術的森林防火主要教學內容

基于VR技術的森林防火教學系統(tǒng)緊密結合森林防火專業(yè)特色和行業(yè)產業(yè)發(fā)展最新成果，面向經濟社會發(fā)展對高校人才培養(yǎng)的需求，通過林火風險分析、撲救措施制定、森林火險區(qū)劃、指揮調度部署等環(huán)節(jié)，實時、精準、直觀地體現每一參數的設計效果。在教學內容安排上以專業(yè)基礎知識與專業(yè)特色知識的融合運用為基礎，體現個性化、自主性學習設計的特色，達到提高學生綜合運用能力的目的。

2.1 林火風險分析

林火風險分析主要是通過VR技術，讓學生了解常見的易出現問題的地方或潛在的風險，從而采取措施來避免或尋求解決辦法?；赩R技術的森林防火教學系統(tǒng)模擬林區(qū)發(fā)生火情，完成林火風險分析（如圖1所示）、林火監(jiān)測與預警。系統(tǒng)實時呈現火情位置，顯示火情蔓延方向、蔓延速度和蔓延面積[3]。學生在操作過程中，基于林火發(fā)生與其環(huán)境的關系，根據林火發(fā)生的時間特點和林火蔓延的趨勢進行風險分析，從而預測林火對社會和經濟的影響。

圖1 用于林火風險分析的森林防火VR示意

2.2 撲救措施制定

撲救措施制定主要是根據火場態(tài)勢分時段記錄和進行火行為預測，讓學生突破時空限制，全面掌握火場信息，制定撲救措施，進行科學、合理的兵力部署和設備選擇（手持滅火器、防火車、消防飛機），充分挖掘利用撲火的人力物力，確保撲救工作的有序性，提高林火撲救的工作效率，實現安全撲火。基于VR技術的森林防火教學系統(tǒng)制定撲救措施如圖2所示。學生在操作過程中，能夠面向全局、整體運作，提高撲救措施制定的整體宏觀性和撲救效率[4]。

圖2 用于撲救措施制定的森林防火VR示意

2.3 森林火險區(qū)劃

森林火險區(qū)劃主要讓學生了解在森林可燃物分類的基礎上結合其他火環(huán)境，將森林火險區(qū)域進行不同等級的劃分，以便分級管理。森林火險區(qū)劃是一項重要的防火技術措施，為林火的預防、撲救以及防火指揮員因地制宜進行防火規(guī)劃和部署撲火力量、指導森林防火工作提供科學依據[5]。森林火險與植被覆蓋類型、地形條件、氣候條件等密切相關。VR技術可以根據顯示范圍的大小靈活方便地自動調入不同層次的數據，如圖3所示，既可以飛行俯瞰的角度一覽全貌，又可代入其中看到局部的微小細節(jié)，進而提高系統(tǒng)的顯示性能[6]。

圖3 用于森林火險區(qū)劃的森林防火VR示意

2.4 指揮調度部署

指揮調度部署主要讓學生學會將撲火隊伍、撲火物資的指揮調度熟練應用于森林防火。通過三維虛擬場景，有序開展指揮調度，根據VR系統(tǒng)的文字、語音、圖片、視頻等信息，隨時掌握現場呼救情況，來實時、逼真地掌握相關人員在撲火現場所處位置，從而實現林火監(jiān)測、預警、響應、指揮的一體化、可視化、智能化、協(xié)同化管理。如圖4所示，學生利用基于VR技術的森林防火教學系統(tǒng)，監(jiān)控并隨時指揮調度撲火隊伍運行速度、路線及行進方向，完成前線救援力量設置后進入火場救援畫面，查看現場火勢情況、開展救援行動，為提高撲火指揮決策的科學性提供了方案[7]。

圖4 用于指揮調度部署的森林防火VR示意

3 基于VVRR技術的森林防火主要教學方法

基于VR技術的森林防火教學系統(tǒng)采用開放式教學理念，充分發(fā)揮學生的主觀能動性和創(chuàng)新性，融“教、學、做”為一體。應用VR技術模擬實際的林火防控全過程，并通過構建完善的教學內容和教學方法，形成服務于森林防火技術人才培養(yǎng)的重要教學資源，具有鮮明的行業(yè)特色。

基于VR技術的森林防火教學系統(tǒng)，以開放性的自主設計+參數化的虛擬顯示+交互式的仿真標定分析+友好的人機界面為教學方法。關注森林防火教學和培訓模擬演練的綜合性、實踐性學習需求，將學生置于教學過程的中心，注重學生參與學習的過程和親身體驗與實踐，充分發(fā)揮教師的主導地位和學生的主體地位，實行基于實際問題的互動式、研討式教學，體現自主式和探究式學習的特點，通過文字、圖片、視頻等多種媒介促進教學準備、線上操作學習、線下交流討論，培養(yǎng)學生實踐思考能力和綜合分析能力，顯著提升教學效果。

基于VR技術的森林防火教學系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)教學過程中“灌輸式”“填鴨式”的模式，激發(fā)了學生潛在的創(chuàng)新意識和自主學習的興趣，在培養(yǎng)和提升森林防火管理指揮實際運用能力與工程素養(yǎng)方面進行有益的實踐，體現了“基礎性、綜合性、實踐性、創(chuàng)新性”的特點。在教學過程中，學生運用該系統(tǒng)首先進入“林火風險分析”模塊，掌握火場綜合情況，包括火災種類、火線大概位置、風力、風向、火場天氣、地形、植被、林火蔓延速度等，根據地表火、樹冠火和地下火等不同類型，進行風險分析。接著，進入“撲救措施制定”模塊。根據火場態(tài)勢分時段記錄和火行為預測時間等時空信息，突破時空限制，制定全面撲救措施。如果通過VR系統(tǒng)顯示火風大且方向不定，森林腐殖層較厚，林火不易打熄，火勢難控制，火場處于丘陵山區(qū)等復雜地理位置，交通、通信不便，學生就會選擇消防飛機滅火，利用空防把吊桶中的水精準地投放到火點。然后，進入“森林火險區(qū)劃”模塊。若飛行俯瞰角度和局部細節(jié)角度均顯示森林火險不易蔓延，較易撲救，學生即可判斷此時為中等火險級，從而為下一步的決策提供了技術依據。最后，進入“指揮調度部署”模塊。學生根據前述步驟中確定的火險等級進行指揮調度。如發(fā)生的是高火險級森林火災，火勢蔓延迅速，則學生可利用VR系統(tǒng)做出地空配合滅火的指揮，不僅調用直升機參與滅火，也調動消防部隊挖隔離帶，進行人工撲救，同時派出車輛參與人員搜救、傷員和物資運輸。學生在環(huán)環(huán)相扣的VR系統(tǒng)中，不斷摸索森林防火技術與方法，自主思維創(chuàng)新，探索可能的改進以及尋求更佳的解決方案，理解、掌握、運用綜合知識的能力得到較大提高。

4 結語

森林防火教學實踐表明，基于VR技術的森林防火教學系統(tǒng)的功能基本達到預期效果。學生能充分利用VR技術的多感知性、自主性、構想性、沉浸感和交互性等特征，根據界面提示，進行林火風險分析、撲救措施制定、森林火險區(qū)劃、指揮調度部署等環(huán)節(jié)，完成撲火演練。將VR技術引入森林防火教學，有助于加強空陸配合的林火撲救培訓，彌補缺乏的實戰(zhàn)經驗，提高學生的能力，從而確保學習效率高。