公安院校法醫三維虛擬仿真實驗教學的建設與應用

陳瑤清 李劍波 歐陽常青 吳婷 朱密

摘要法醫學是公安院校學生必修的通識課程，是培養學生現場勘查能力的重要環節。文章分析了當前公安院校法醫學實驗教學的現狀與不足，介紹了三維虛擬仿真技術在公安院校法醫學實驗教學中的建設與應用，提出了三維虛擬仿真技術在法醫學實驗教學中的應用前景與不足。

關鍵詞 法醫學；三維虛擬技術；實驗教學

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.02.041

虛擬仿真技術，又稱虛擬現實技術，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，通過計算機、仿真、人工智能等多種技術，給使用者創造一個三維虛擬世界，并可通過頭盔顯示器、數據手套等輔助傳感設備，讓使用者沉浸于一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，可直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，達到身臨其境的效果。三維虛擬仿真技術在教育、工業、醫學等多個領域都得到了廣泛的運用，教育部《關于開展國家級虛擬現實實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函〔2013〕94號）提出：虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。近年來，全國各個高校根據本學科及本專業特色，建設了貼合專業的虛擬仿真實驗中心，法醫學是公安院校刑事技術專業的主干課，是一門對專業與實踐要求都很高的學科，學生的動手操作能力與專業知識在培養目標中都非常重要，公安院校重點培養專業的應用型人才，為此，我們利用虛擬仿真技術，建立了法醫三維虛擬仿真實驗教學平臺，本文將從三維虛擬仿真技術在法醫學教學中的必要性、建設內容與應用、建設前景等幾個方面進行闡述。

1虛擬仿真技術在法醫實驗教學中應用的必要性

目前，公安院校傳統的教學模式與實訓方法在培養學生的動手能力，尤其是現場勘驗能力方面有著明顯缺陷，既往的教學方法主要通過教師課堂講授知識，檢驗學生學習效果也是以試卷考試方式為主，側重學生專業理論知識的掌握情況，雖然也開設一定的實驗操作課，但因實驗場地、設備等條件的限制，實驗內容簡單、過時，無法與公安實戰緊密結合，且一般情況下，實驗教學要求在規定場所規定時間內完成，制約了實驗教學的深度與廣度；法醫學專業課的學習場地局限于校園，而如命案、強奸殺人、交通事故、災難事件等真實犯罪現場的實驗實訓場景難以模擬，學生在實訓中不能體驗真實現場的現場勘驗和尸體檢驗過程，實訓教學缺乏生動性；再加上任課教師自身常年從事單純的教學工作，并非實戰部門的法醫，缺乏實戰經驗，實訓教學效果不太理想；在實習階段，因為公安實踐中案件的突發性以及現場勘查的及時性等特殊要求，學生所能獲得的實踐鍛煉機會也十分有限。因此，學生畢業走上工作崗位后面對真實案件時，難以迅速擔任現場勘查等專業任務，一般需要經過較長時間的學習、摸索才能勝任。三維虛擬仿真實驗突破傳統實驗教學模式的限制，將傳統的學習變成直觀展示、動態可變的虛擬仿真的沉浸式體驗學習，使學生可以沉浸于虛擬的案件現場，模擬勘查員或者法醫進行現場勘查與尸體檢驗，提高學生學習的積極性和主動性，也給教師的教學提供了方便，大大提高了教學質量。同時，搭載智慧教學系統的三維虛擬仿真實訓平臺也可打破時間與空間的限制，最大限度地利用碎片化時間反復進行模擬操作，從而達到熟練掌握操作步驟的目的，虛擬仿真實驗教學建設順應了教育信息化的發展趨勢和現實需要，更符合公安院校學生學習法醫學的需求。

2法醫三維虛擬仿真實驗教學系統的建設內容

2.1虛擬仿真實驗教學管理平臺的建設

在學院智慧校園的基礎上建設三維虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺，通過此平臺可以進行實驗教學開課、選課管理、實驗教學過程化管理（課前預習、課中考勤、實驗過程考核、線上實驗報告、實驗成績評分）、在線學習（視頻課件學習、在線練習、在線考核、在線答疑、虛擬仿真實驗、課程導讀）、實驗教學資源開放共享、實驗室儀器設備管理、開放實驗管理等，同時可根據學院的需要對接云平臺上第三方虛擬實驗課程資源或自建課程資源，為學院虛擬實驗教學環境提供應用平臺。另外，此平臺可以與學校已經建設完成的校級實驗室開放管理平臺、遠程視頻管理系統無縫對接，實現虛擬仿真實驗教學管理與共享管理平臺的智能管控，實現實驗教學的“虛實結合”，“智能、智慧型”管理。如圖1。

2.2三維虛擬仿真命案現場勘查系統的建設

通過虛擬仿真引擎工具為技術開發平臺，結合3D建模、計算機網絡、動畫模擬、人機交互等手段，結合二維和三維多種方式，仿真模擬一個現代小區場景，提供一整套三維場景，包含犯罪現場場景（外景、中心現場場景）、指揮中心場景、法醫解剖室、訊問室場景、痕跡實驗室場景、聲像實驗室場景、專案組場景、物證技術室內場景等場景，虛擬仿真還原真實案件的全過程，包括接報案、立案、現場勘查、尸體檢驗、現場走訪、案情分析、物證技術檢驗、偵查措施與偵查技術的應用、抓捕、訊問、結案等環節的案件偵查綜合實驗。通過三維仿真技術，以第一人稱的形式模擬現場勘查的整個過程，包括現場外圍巡視、拍照、獲取現場視頻資料、尋找案發中心現場，在現場勘查時，對現場勘查箱里的常見工具、設備、試劑進行三維建模，通過對這些工具、試劑和設備仿真模擬操作，模擬在現場勘查中的發現、固定、提取、包裝并記錄現場生物物證以及足跡、手印等痕跡物證，通過虛擬命案現場的仿真操作，選擇不同的提取方法來實現物證的發現提取方法，從而掌握現場檢材的正確勘驗方法，系統根據學生的操作流程及規范，對操作錯誤的地方進行啟發性指導，并在后臺進行記錄、扣分等處理方式，加強學生對易錯環節的記憶。打造不同性質不同類別的案件虛擬仿真勘查操作系統，具有緊貼公安實戰、案件現場高度還原、操作深度參與的特點。通過對虛擬物證的反復操作訓練，讓學生對各類物證的發現、固定、提取及包裝能更規范、更全面，進而掌握案件現場勘查的基本技能與勘查思維。如圖2。

2.3建設三維虛擬仿真尸體檢驗系統

通過三維虛擬仿真技術，操作者以第一人稱的形式，進入現場內，完成案發現場的初步尸體檢驗，模擬辦案的常規步驟，進入虛擬仿真的法醫病理解剖實驗室（如圖3），并通過對解剖工具進行三維建模，模擬法醫分別對尸體進行衣著檢驗、尸表檢驗及尸體解剖，模擬檢驗、記錄衣著情況，衣服損傷情況等，尸表檢驗則對建模的尸體進行常規尸體外表檢驗、創傷檢驗、尸體現象等的模擬檢驗，尸體解剖則模擬選用不同解剖工具對人體體腔、器官進行解剖檢驗，模擬檢驗還需記錄各種陽性發現和陰性結果，并盡可能全面提取組織、體液、毛發、指甲等生物檢材以備檢。通過虛擬操作尸體解剖檢驗了解人體的基本結構以及損傷特征，三維虛擬仿真的尸體檢驗系統能將抽象的人體結構與損傷逼真地呈現出來，通過虛擬操作，加深了無醫學基礎知識的公安院校學生對法醫學知識的理解，提高學生規范保護、處理尸體以及物證的能力。

上述的現場勘查系統與尸體檢驗系統在虛擬操作時分為教學模式和考核模式。在教學模式下，讓學生重復實驗操作練習，并提供實驗操作流程的詳細指導，學生能夠根據操作提示一步一步進行練習，如果學生操作錯誤，系統會根據學生的操作流程及規范，對操作錯誤的地方進行啟發性指導，并在后臺進行記錄、扣分等處理。考核模式下則不提供指導，系統統計學生錯誤點自行扣分，老師可導出成績到指定的虛擬實驗管理平臺，在操作實驗的過程中，對帶有攝像頭的電腦，可間斷性的采集正在做實驗的同學頭像并進行存檔，用以監控學生的整個實驗過程。虛擬勘驗結束之后學生可進入現場調查訪問、實驗室物證檢驗、辦案人員案情分析等場景，物證檢驗環節則將學生在現場勘查、尸體檢驗過程中提取的物證進行檢驗分析，包含手印分析、足跡檢驗、生物物證的DNA檢驗等，學生需根據檢驗結果、調查訪問情況等對案情進行綜合分析與研判，對案件性質、死者死亡原因、致傷物等作出判斷。最后，系統根據學生的操作和答題情況給出得分和成績分析，實現整個虛擬實驗過程性評價。

3虛擬仿真技術在法醫學實驗教學中的應用前景與不足

三維虛擬仿真技術在法醫學實驗教學中的應用主要借助于計算機、傳感器等設備構建的虛擬案件場景與角色，讓學生在虛擬仿真的場景中進行實驗操作，不僅可以突破現實實驗時間與空間條件的限制，開設一些在現實實驗室中無法進行的實驗操作，大大拓展實驗內容，還可以通過沉浸體驗式的操作練習，激發學生的學習興趣，提升學生實驗操作技能。學生還可以依托網絡教學平臺，不限時間與場地，從而實現學生無邊界的學習，對提升教學效率，加大實驗教學改革具有重大意義。因此，三維虛擬仿真技術應用于法醫學的實踐教學中，對于法醫學專業發展有較大的影響，發展潛力巨大，同時應用前景也較廣闊。近年來，全國各地公安院校在實驗教學中逐步引入了三維虛擬仿真技術，已成為實驗教學改革的新趨勢，在提高公安專業學生現勘能力和培養合格的公安實戰型人才等方面，虛擬仿真技術的重要性將越來越凸顯。我們將在今后的工作中，不斷完善我校的法醫學虛擬仿真實驗教學新模式，逐漸實現法醫病理、法醫物證、法醫毒物、痕跡檢驗等多門刑事技術學科的融合，為該技術在公安教育中推廣普及提供支持。

三維虛擬仿真實驗教學雖然解決了傳統教學方式中的場地與部分內容無法實現等問題，但仍只是在法醫學實驗教學中起到一定作用，并不能完全代替真實的實驗操作，尤其是一些精細的動手操作的實驗步驟，三維虛擬仿真實驗尚不能完全達到效果，還需要在真實的實際操作中進行訓練，盡量做到“虛實結合，能實不虛”，讓三維虛擬仿真技術既能有效補充實體實驗的不足，同時又做到不依賴，不盲從。三維虛擬仿真技術的真實性尚不能滿足實際運用的要求，要模擬真實性達到與真實人體接近，不僅要升級硬件，更需優化軟件，將實驗設計能力要求降低，讓教師能根據課程及教學的實際需要，實現設計自主化、智能化。另外，虛擬圖像易使使用者眼睛疲勞，導致頭暈惡心，尤其是在使用VR頭盔時，易失去平衡和方向感，容易出現摔跌現象，因此三維虛擬技術的人機界面也需持續改進，提升畫面質量。

基金項目：2019年教育部第二批產學合作協同育人項目“法醫病理物證三維虛擬仿真實訓建設”（項目編號：201902044055）；湖南省教育廳普通高等學校教學改革一般研究項目“三維虛擬仿真技術在刑事科學技術專業教學中的應用研究”。

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