數(shù)字化虛擬仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計與應(yīng)用研究

張顏華

［摘 要］實踐實驗教學(xué)的主體是學(xué)生，高校最大限度地突破單一驗證、簡單綜合的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的局限，充分利用現(xiàn)代模擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化虛擬現(xiàn)實技術(shù)實驗教學(xué)模式，已經(jīng)成為培養(yǎng)學(xué)生能力的有效手段。通過建立虛擬仿真實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)平臺、開發(fā)虛擬仿真實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)資源、開展虛擬仿真實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)、強(qiáng)化師資隊伍及教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)、構(gòu)建虛擬仿真實踐實訓(xùn)校局合作新模式等多種手段，將有助于實現(xiàn)數(shù)字化虛擬仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計及其在實踐實驗教學(xué)中的深度應(yīng)用。數(shù)字化虛擬仿真實驗系統(tǒng)在實踐實驗教學(xué)中的應(yīng)用，將有助于學(xué)生根據(jù)自身需求進(jìn)行學(xué)習(xí)、有助于拓展實驗教學(xué)內(nèi)容、有助于改進(jìn)現(xiàn)有教學(xué)模式、有助于實驗室實行開放式教學(xué)、有助于解決當(dāng)前實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)中的難題，同時，也將為當(dāng)前的實踐實驗教學(xué)技術(shù)手段的創(chuàng)新和改革帶來新的思路。

［關(guān)鍵詞］數(shù)字化；虛擬仿真；實驗系統(tǒng)；開發(fā)設(shè)計與應(yīng)用

［中圖分類號］ G640 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）01-0069-03

一、數(shù)字化虛擬仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計與建設(shè)

傳統(tǒng)的公安院校犯罪現(xiàn)場勘查教學(xué)的實踐實訓(xùn)場地基本上是以實物為主的模擬犯罪現(xiàn)場，在教學(xué)和實訓(xùn)中，利用有限的場地資源最大限度地還原最常見的犯罪現(xiàn)場。但傳統(tǒng)的模擬犯罪現(xiàn)場存在一些問題，例如受限于場地，涵蓋的犯罪現(xiàn)場類型有限，模擬犯罪現(xiàn)場的更新比較煩瑣，更新的周期長且投入大，無法緊跟犯罪形勢的變化。這些問題對于犯罪現(xiàn)場勘查教學(xué)的設(shè)計更新有一定的影響，如教師無法與時俱進(jìn)地更新模擬現(xiàn)場以開展相關(guān)的教學(xué)實訓(xùn)，實驗室也沒有足夠的場地供教師去布置更多、更新的模擬現(xiàn)場。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR），課題組構(gòu)建了數(shù)字化虛擬犯罪現(xiàn)場實驗中心，內(nèi)設(shè)常見犯罪現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫、常見物證數(shù)據(jù)庫，其中包括一些經(jīng)典案件的現(xiàn)場和物證。這能夠在一定程度上解決實訓(xùn)場地不足、模擬犯罪現(xiàn)場更新不及時的問題，對傳統(tǒng)實物模擬犯罪現(xiàn)場進(jìn)行了很好的補(bǔ)充。使用者可以直接將實戰(zhàn)部門采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，然后加入犯罪現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫中，從而豐富數(shù)字化虛擬犯罪現(xiàn)場實驗中心的資源。各式各樣的經(jīng)典犯罪現(xiàn)場將會極大地豐富犯罪現(xiàn)場勘查教學(xué)和實訓(xùn)項目設(shè)計形式，將數(shù)字化虛擬犯罪現(xiàn)場實驗中心與傳統(tǒng)模擬犯罪現(xiàn)場有機(jī)結(jié)合，能有效地提升學(xué)生的現(xiàn)場勘查能力。

VR是通過多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合而生成的，集視覺、聽覺、觸覺于一體的虛擬環(huán)境技術(shù)，使用戶通過體驗產(chǎn)生身臨其境之感。VR可以令操作者通過人的自然動作與虛擬環(huán)境發(fā)生交互，可以及時地、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。VR實驗室可以在一個有限的真實空間內(nèi)模擬不同的虛擬空間，這個虛擬空間可以是交通事故現(xiàn)場，也可以是人體解剖尸檢現(xiàn)場，抑或是刑事案件現(xiàn)場勘驗檢查現(xiàn)場等[1]。在這個虛擬空間中，使用者可以是一名，也可以是通過聯(lián)機(jī)的多名；可以進(jìn)行交通事故現(xiàn)場勘查、人體解剖、尸體檢驗，也可以進(jìn)行刑事案件現(xiàn)場勘查、痕跡物證提??；可以是一人工作，也可以是多人合作。VR實驗室能使參與者置身于虛擬環(huán)境中，有身臨其境之感，從而達(dá)到教學(xué)實訓(xùn)的要求，并能無限接近實際工作。VR實驗室建設(shè)將包括以下幾個部分[2]：一是VR頭戴設(shè)備，該設(shè)備用于體驗VR教學(xué)軟件，使用者佩戴后可與外部環(huán)境隔絕；二是VR操作手柄，用于在體驗VR軟件時進(jìn)行內(nèi)容操控，可以使使用者在虛擬環(huán)境中完成伸手、移動、提舉、放下、推、拉、擰、抓、握等動作；三是電腦主機(jī)，用來承載VR教學(xué)軟件。目前，以VR技術(shù)構(gòu)建的仿真實驗系統(tǒng)已經(jīng)在一些高校得到應(yīng)用，VR技術(shù)已走進(jìn)學(xué)校課堂，給傳統(tǒng)的教學(xué)模式帶來了巨大沖擊，教師和學(xué)生都體驗到了VR帶來的驚艷、刺激以及完美的教學(xué)效果?？梢哉f，VR是繼多媒體之后在教育領(lǐng)域內(nèi)最具有應(yīng)用前景的一項技術(shù)[3]。

二、數(shù)字化虛擬仿真實驗系統(tǒng)在實踐教學(xué)中的具體應(yīng)用

（一）建立虛擬仿真實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)平臺并推動實驗教學(xué)共享平臺改革

建立虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，包括平臺信息管理系統(tǒng)、應(yīng)用設(shè)置管理子系統(tǒng)、實驗資源管理子系統(tǒng)、虛擬仿真實驗教學(xué)子系統(tǒng)、3D虛擬仿真實驗系統(tǒng)等，是開展刑事科學(xué)技術(shù)虛擬仿真實訓(xùn)的基礎(chǔ)。依托該平臺，可以進(jìn)行刑事科學(xué)技術(shù)相關(guān)資源的查閱與下載、實驗實訓(xùn)課程的安排與執(zhí)行、師生間的互動，并對學(xué)生的實訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行科學(xué)評價與考核。虛擬仿真實驗教學(xué)模式的應(yīng)用，一方面增強(qiáng)了實踐教學(xué)的趣味性和可觀性；另一方面利用互聯(lián)網(wǎng)資源，搭建微課、虛擬遠(yuǎn)程教學(xué)平臺，創(chuàng)建在線網(wǎng)絡(luò)課程，打破了實踐教學(xué)在時間和空間上的限制，加強(qiáng)了實驗教學(xué)資源的橫向共享和交流。互聯(lián)網(wǎng)5G時代的到來，其高速度、泛在網(wǎng)、低延時等特點，必將使得在線網(wǎng)絡(luò)視頻實驗教學(xué)的應(yīng)用迎來廣闊前景；網(wǎng)上實驗微課、實驗仿真系統(tǒng)的開通，也會為學(xué)生提供實驗室全天候開放的教學(xué)環(huán)境。因此，虛擬仿真實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)平臺的建設(shè)和應(yīng)用，也必將會加快實踐教學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育資源共享平臺建設(shè)及改革的步伐。

（二）開發(fā)虛擬仿真實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)資源并改革基礎(chǔ)實驗教學(xué)舊有模式

根據(jù)實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)的需要建立合適的模型，這是一項復(fù)雜而關(guān)鍵的工作。對公安院校刑事科學(xué)技術(shù)專業(yè)教學(xué)而言，涉及痕跡檢驗、文件檢驗、刑事影像、理化檢驗、法醫(yī)檢驗等多門學(xué)科，實驗實訓(xùn)的種類繁多，需要根據(jù)不同的實訓(xùn)內(nèi)容構(gòu)建不同的實訓(xùn)場景模塊，或者將真實的案例利用VR進(jìn)行虛擬再現(xiàn)，開發(fā)虛擬實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)資源[4]。此外，可以根據(jù)課程的需要，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化流程的開發(fā)，豐富實訓(xùn)內(nèi)容，拓展實訓(xùn)空間。

舊有的實踐實訓(xùn)教學(xué)模式受實驗環(huán)節(jié)、儀器數(shù)量、實驗時間等客觀因素的制約，導(dǎo)致學(xué)生的動手能力缺少足夠的時間和空間來錘煉。建立VR實驗教學(xué)模式，可借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，將基礎(chǔ)實驗儀器的實驗原理、基本操作步驟、實驗效果展示、儀器使用注意事項、基礎(chǔ)實驗項目等錄制成“微課”視頻，上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，讓有興趣的學(xué)生可通過視頻了解刑事技術(shù)的基本實驗，讓低年級學(xué)生可作為預(yù)習(xí)實驗、其他專業(yè)學(xué)生可作為開放性實驗進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過虛擬仿真實驗，使學(xué)生掌握基本的操作技能，為日后的專業(yè)實驗實踐操作打下扎實的基礎(chǔ)，以便學(xué)生在大三后可直接進(jìn)行綜合、創(chuàng)新實驗，既節(jié)省了時間，又拓展了實驗項目。

（三）開展并創(chuàng)新專業(yè)實驗課虛擬仿真實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)

數(shù)字化虛擬仿真實踐實訓(xùn)教學(xué)的重點是其可應(yīng)用于傳統(tǒng)實訓(xùn)模式失真或者難以模擬的項目，如尸體解剖、爆炸案件現(xiàn)場勘查實訓(xùn)等。通過構(gòu)建虛擬的環(huán)境，可以讓學(xué)生在虛擬時空中與實訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行交互，開展技能訓(xùn)練。以模擬現(xiàn)場勘查為例，教師通過平臺構(gòu)建虛擬的刑事案件現(xiàn)場，讓學(xué)生通過鍵盤、鼠標(biāo)、VR頭盔等變成一個身臨其境的體驗者和參與者，模擬現(xiàn)場勘查，尋找、發(fā)現(xiàn)、提取與犯罪有關(guān)的痕跡物證，以實現(xiàn)現(xiàn)場勘查流程以及物證發(fā)現(xiàn)與提取的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和考核。

目前，微型課程、微型網(wǎng)站等網(wǎng)絡(luò)資源不斷普及，學(xué)生的學(xué)習(xí)渠道已不再僅限于老師講課，也不會受到時間和場所的局限。學(xué)生可以利用網(wǎng)絡(luò)終端隨時隨地學(xué)習(xí)，并且在虛擬環(huán)境中真實模擬昂貴的實驗設(shè)備和實驗場景開展實驗，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效果。利用VR構(gòu)建虛擬仿真實驗，真實模擬實驗設(shè)備和實驗場景，實現(xiàn)了在現(xiàn)有條件下開展危險性大或者無法開展的實驗教學(xué)工作，最大限度地促進(jìn)了學(xué)生實驗操作技能和創(chuàng)新能力的提升，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗的少項目、少儀器的不足，同時提升了實驗室安全和環(huán)保指數(shù)，也節(jié)省了實驗耗材、污染物處理等的經(jīng)費(fèi)。雖然基于VR開展實踐實訓(xùn)的優(yōu)勢顯而易見，但我們也不能因此而忽略了傳統(tǒng)的實訓(xùn)方式?；赩R開展的實訓(xùn)項目的重點應(yīng)該是采用傳統(tǒng)方式難以取得較好訓(xùn)練效果的項目或者是無法開展的項目。在實訓(xùn)教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)“虛”與“實”相結(jié)合，從而豐富和完善實訓(xùn)內(nèi)容，提高實訓(xùn)效果。

（四）進(jìn)一步注重并強(qiáng)化師資隊伍教學(xué)團(tuán)隊的建設(shè)

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，以及國家“卓越2.0”計劃的實施，使得高等教育教學(xué)資源、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)形式等隨之發(fā)生巨大變化。高校教師必須掌握互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識技能，具備網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計制作能力、運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能力、信息檢索和處理能力，不斷提升自身的信息素養(yǎng)，努力使自己成為優(yōu)秀的信息化教學(xué)者。實驗中心要制訂詳盡的教師培養(yǎng)計劃，首先，應(yīng)考慮引進(jìn)高學(xué)歷人才及信息技術(shù)專業(yè)人才，以提高實驗教師隊伍信息化質(zhì)量。其次，應(yīng)制訂實驗教師學(xué)習(xí)培訓(xùn)教育計劃實施辦法。在職教師應(yīng)根據(jù)自己的專業(yè)特點，加強(qiáng)與國內(nèi)外同行之間的交流與合作，不斷對自身的知識體系與能力結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新，學(xué)習(xí)新的教育教學(xué)理論，開闊學(xué)術(shù)視野，完善知識儲備與職業(yè)能力；定期參加信息化技術(shù)培訓(xùn)，以提高制作和運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)化課件的技能。

要想將VR更好地應(yīng)用于刑事科學(xué)技術(shù)實訓(xùn)實戰(zhàn)化教學(xué)中，教學(xué)團(tuán)隊的建設(shè)至關(guān)重要。教學(xué)團(tuán)隊中既要有專業(yè)能力較強(qiáng)的教師，也要有信息技術(shù)水平較高的教師，這將有助于虛擬仿真實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)平臺得到更好的應(yīng)用，以及實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)資源的開發(fā)與完善。教學(xué)團(tuán)隊中的教師要圍繞“教、學(xué)、練、戰(zhàn)”的一體化人才培養(yǎng)模式，轉(zhuǎn)變觀念，創(chuàng)新實戰(zhàn)實訓(xùn)模式，注重多種實戰(zhàn)實訓(xùn)方法的綜合運(yùn)用。

（五）構(gòu)建數(shù)字化虛擬仿真實踐實訓(xùn)校局合作新模式

在VR虛擬仿真實踐實訓(xùn)教學(xué)模式中引入真實案發(fā)現(xiàn)場的案例，或者將真實案件的偵破過程以虛擬形式呈現(xiàn)，讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)場中以現(xiàn)場的檢材為藍(lán)本，結(jié)合理論教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)環(huán)節(jié)實踐，同時與現(xiàn)場的分析過程進(jìn)行印證。我們可以直接將校局合作的實戰(zhàn)部門采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，然后將其加入已建立的數(shù)據(jù)庫中，從而豐富數(shù)字化虛擬仿真實驗案例。各式各樣的經(jīng)典犯罪現(xiàn)場將會給現(xiàn)場勘查教學(xué)和實訓(xùn)實戰(zhàn)項目設(shè)計帶來巨大的幫助，真正做到依托校局合作模式，實戰(zhàn)促進(jìn)教學(xué)，教學(xué)助力實戰(zhàn)。在模擬現(xiàn)場勘查教學(xué)過程中，可以考慮引入現(xiàn)場分析教官，教官通過遠(yuǎn)程教育、網(wǎng)上互動平臺等方式指導(dǎo)學(xué)生，隨時隨地參與實踐實驗教學(xué)的全過程，并對實踐實驗教學(xué)效果進(jìn)行監(jiān)督，實現(xiàn)虛擬仿真實踐實訓(xùn)校局合作新模式，推進(jìn)實踐教學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育資源共享，有效提高實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)效果。

三、數(shù)字化虛擬仿真實驗系統(tǒng)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用效果

（一）有助于學(xué)生根據(jù)自身需求進(jìn)行學(xué)習(xí)

公安院校刑事科學(xué)技術(shù)專業(yè)的實踐性比較強(qiáng)，實驗課占比50%，但儀器設(shè)備居多，大型精密儀器數(shù)量有限。VR+微課可以將儀器操作過程、注意事項、具體實驗操作步驟等以視頻的形式展現(xiàn)，其中既有基礎(chǔ)實驗儀器（如各類顯微鏡、翻拍儀、文檢儀等）的操作步驟展示，又有精密儀器（如拉曼光譜儀、氣質(zhì)聯(lián)用等）的操作演示，學(xué)生可根據(jù)自身需求或興趣愛好隨時隨地播放視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)。這種形象直觀的教學(xué)方式代替了傳統(tǒng)面對面授課的枯燥形式，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（二）有助于拓展實踐實驗教學(xué)內(nèi)容

由于受各種因素的影響，且涉及實驗室安全與環(huán)保問題，有些實驗項目無法開設(shè)，虛擬現(xiàn)實及微課技術(shù)的應(yīng)用可將以往無法實現(xiàn)的實驗（如理化檢驗中的化學(xué)實驗、拉曼光譜檢驗實驗、爆破案件現(xiàn)場勘驗等）進(jìn)行虛擬操作，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

（三）有助于改進(jìn)現(xiàn)有教學(xué)模式

VR+微課模式的運(yùn)用，使得授課教師在具體的實踐教學(xué)過程中，采用實驗、微課、虛實相結(jié)合的多種互動式教學(xué)方式，同時引入現(xiàn)場視頻，依托微信群等軟件建立互動平臺，對實踐教學(xué)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行積極引導(dǎo)，改進(jìn)了現(xiàn)有教學(xué)模式，極大地提高了教學(xué)效果。

（四）有助于實驗室實行開放式教學(xué)

VR+微課模式以視頻的方式利用互聯(lián)網(wǎng)形式傳播，不僅使刑事科學(xué)技術(shù)專業(yè)的學(xué)生有隨時隨地學(xué)習(xí)的機(jī)會，而且為其他專業(yè)對刑事科學(xué)技術(shù)感興趣的師生提供了學(xué)習(xí)的平臺，從而使刑事科學(xué)技術(shù)實驗室對全校師生開放。

（五）有助于解決當(dāng)前實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)中的難題

在某些項目的實際實施過程中，如在刑事科學(xué)技術(shù)綜合實訓(xùn)中模擬現(xiàn)場勘驗和模擬物證的發(fā)現(xiàn)提取等，受場地、現(xiàn)場環(huán)境、布局、成痕條件等客觀條件的限制，模擬案件現(xiàn)場與真實案件現(xiàn)場之間存在一定差異。例如，在模擬現(xiàn)實工作中發(fā)案率較高的殺人案件現(xiàn)場勘查時，尸體的位置、姿勢、狀態(tài)、傷口等仿真性差，對尸體的模擬勘驗達(dá)不到預(yù)期的效果。VR則能很好地解決這一問題。VR對刑事科學(xué)技術(shù)實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)所產(chǎn)生的裂變，不僅顛覆了傳統(tǒng)的實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)模式，還為實訓(xùn)實戰(zhàn)教學(xué)中的難點問題提供了極佳的解決方案[5]。

數(shù)字化虛擬仿真實驗系統(tǒng)教學(xué)模式的應(yīng)用，不僅可以解決實驗設(shè)備緊張、真實實驗所帶來的安全隱患以及環(huán)境污染等現(xiàn)實問題，而且在拓展學(xué)生思路、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力等方面取得了很好的效果。學(xué)生在VR實驗室中利用各種虛擬儀器，依照自己的設(shè)想自行設(shè)計各種實驗流程，驗證自己的各種假設(shè)與猜想，而無須因考慮安全問題而退縮。VR實驗教學(xué)模式能更好地解決實驗師資力量不足及實驗空間有限等問題，同時學(xué)生也可以自主選擇教學(xué)內(nèi)容，及時與老師溝通及互動，極大地提升了專業(yè)實驗教學(xué)效果。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：劉鳳華］