數字化虛擬仿真實驗系統的開發設計與應用研究

張顏華

［摘 要］實踐實驗教學的主體是學生，高校最大限度地突破單一驗證、簡單綜合的傳統實驗教學模式的局限，充分利用現代模擬技術和網絡技術，構建數字化虛擬現實技術實驗教學模式，已經成為培養學生能力的有效手段。通過建立虛擬仿真實訓實戰教學平臺、開發虛擬仿真實訓實戰教學資源、開展虛擬仿真實訓實戰教學、強化師資隊伍及教學團隊建設、構建虛擬仿真實踐實訓校局合作新模式等多種手段，將有助于實現數字化虛擬仿真實驗系統的開發設計及其在實踐實驗教學中的深度應用。數字化虛擬仿真實驗系統在實踐實驗教學中的應用，將有助于學生根據自身需求進行學習、有助于拓展實驗教學內容、有助于改進現有教學模式、有助于實驗室實行開放式教學、有助于解決當前實訓實戰教學中的難題，同時，也將為當前的實踐實驗教學技術手段的創新和改革帶來新的思路。

［關鍵詞］數字化；虛擬仿真；實驗系統；開發設計與應用

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

一、數字化虛擬仿真實驗系統的開發設計與建設

傳統的公安院校犯罪現場勘查教學的實踐實訓場地基本上是以實物為主的模擬犯罪現場，在教學和實訓中，利用有限的場地資源最大限度地還原最常見的犯罪現場。但傳統的模擬犯罪現場存在一些問題，例如受限于場地，涵蓋的犯罪現場類型有限，模擬犯罪現場的更新比較煩瑣，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場勘查教學的設計更新有一定的影響，如教師無法與時俱進地更新模擬現場以開展相關的教學實訓，實驗室也沒有足夠的場地供教師去布置更多、更新的模擬現場。

基于虛擬現實技術（VR），課題組構建了數字化虛擬犯罪現場實驗中心，內設常見犯罪現場數據庫、常見物證數據庫，其中包括一些經典案件的現場和物證。這能夠在一定程度上解決實訓場地不足、模擬犯罪現場更新不及時的問題，對傳統實物模擬犯罪現場進行了很好的補充。使用者可以直接將實戰部門采集到的數據進行加工處理，然后加入犯罪現場數據庫中，從而豐富數字化虛擬犯罪現場實驗中心的資源。各式各樣的經典犯罪現場將會極大地豐富犯罪現場勘查教學和實訓項目設計形式，將數字化虛擬犯罪現場實驗中心與傳統模擬犯罪現場有機結合，能有效地提升學生的現場勘查能力。

VR是通過多媒體技術與仿真技術相結合而生成的，集視覺、聽覺、觸覺于一體的虛擬環境技術，使用戶通過體驗產生身臨其境之感。VR可以令操作者通過人的自然動作與虛擬環境發生交互，可以及時地、沒有限制地觀察三度空間內的事物。VR實驗室可以在一個有限的真實空間內模擬不同的虛擬空間，這個虛擬空間可以是交通事故現場，也可以是人體解剖尸檢現場，抑或是刑事案件現場勘驗檢查現場等[1]。在這個虛擬空間中，使用者可以是一名，也可以是通過聯機的多名；可以進行交通事故現場勘查、人體解剖、尸體檢驗，也可以進行刑事案件現場勘查、痕跡物證提取；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境中，有身臨其境之感，從而達到教學實訓的要求，并能無限接近實際工作。VR實驗室建設將包括以下幾個部分[2]：一是VR頭戴設備，該設備用于體驗VR教學軟件，使用者佩戴后可與外部環境隔絕；二是VR操作手柄，用于在體驗VR軟件時進行內容操控，可以使使用者在虛擬環境中完成伸手、移動、提舉、放下、推、拉、擰、抓、握等動作；三是電腦主機，用來承載VR教學軟件。目前，以VR技術構建的仿真實驗系統已經在一些高校得到應用，VR技術已走進學校課堂，給傳統的教學模式帶來了巨大沖擊，教師和學生都體驗到了VR帶來的驚艷、刺激以及完美的教學效果。可以說，VR是繼多媒體之后在教育領域內最具有應用前景的一項技術[3]。

二、數字化虛擬仿真實驗系統在實踐教學中的具體應用

（一）建立虛擬仿真實訓實戰教學平臺并推動實驗教學共享平臺改革

建立虛擬仿真實驗教學平臺，包括平臺信息管理系統、應用設置管理子系統、實驗資源管理子系統、虛擬仿真實驗教學子系統、3D虛擬仿真實驗系統等，是開展刑事科學技術虛擬仿真實訓的基礎。依托該平臺，可以進行刑事科學技術相關資源的查閱與下載、實驗實訓課程的安排與執行、師生間的互動，并對學生的實訓教學進行科學評價與考核。虛擬仿真實驗教學模式的應用，一方面增強了實踐教學的趣味性和可觀性；另一方面利用互聯網資源，搭建微課、虛擬遠程教學平臺，創建在線網絡課程，打破了實踐教學在時間和空間上的限制，加強了實驗教學資源的橫向共享和交流。互聯網5G時代的到來，其高速度、泛在網、低延時等特點，必將使得在線網絡視頻實驗教學的應用迎來廣闊前景；網上實驗微課、實驗仿真系統的開通，也會為學生提供實驗室全天候開放的教學環境。因此，虛擬仿真實訓實戰教學平臺的建設和應用，也必將會加快實踐教學網絡教育資源共享平臺建設及改革的步伐。

（二）開發虛擬仿真實訓實戰教學資源并改革基礎實驗教學舊有模式

根據實訓實戰教學的需要建立合適的模型，這是一項復雜而關鍵的工作。對公安院校刑事科學技術專業教學而言，涉及痕跡檢驗、文件檢驗、刑事影像、理化檢驗、法醫檢驗等多門學科，實驗實訓的種類繁多，需要根據不同的實訓內容構建不同的實訓場景模塊，或者將真實的案例利用VR進行虛擬再現，開發虛擬實訓實戰教學資源[4]。此外，可以根據課程的需要，進行標準化流程的開發，豐富實訓內容，拓展實訓空間。

舊有的實踐實訓教學模式受實驗環節、儀器數量、實驗時間等客觀因素的制約，導致學生的動手能力缺少足夠的時間和空間來錘煉。建立VR實驗教學模式，可借助網絡教學平臺，將基礎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、基礎實驗項目等錄制成“微課”視頻，上傳到網絡教學平臺，讓有興趣的學生可通過視頻了解刑事技術的基本實驗，讓低年級學生可作為預習實驗、其他專業學生可作為開放性實驗進行學習。通過虛擬仿真實驗，使學生掌握基本的操作技能，為日后的專業實驗實踐操作打下扎實的基礎，以便學生在大三后可直接進行綜合、創新實驗，既節省了時間，又拓展了實驗項目。

（三）開展并創新專業實驗課虛擬仿真實訓實戰教學

數字化虛擬仿真實踐實訓教學的重點是其可應用于傳統實訓模式失真或者難以模擬的項目，如尸體解剖、爆炸案件現場勘查實訓等。通過構建虛擬的環境，可以讓學生在虛擬時空中與實訓內容進行交互，開展技能訓練。以模擬現場勘查為例，教師通過平臺構建虛擬的刑事案件現場，讓學生通過鍵盤、鼠標、VR頭盔等變成一個身臨其境的體驗者和參與者，模擬現場勘查，尋找、發現、提取與犯罪有關的痕跡物證，以實現現場勘查流程以及物證發現與提取的學習、訓練和考核。

目前，微型課程、微型網站等網絡資源不斷普及，學生的學習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。學生可以利用網絡終端隨時隨地學習，并且在虛擬環境中真實模擬昂貴的實驗設備和實驗場景開展實驗，極大地激發了學生的學習興趣，提高了學習效果。利用VR構建虛擬仿真實驗，真實模擬實驗設備和實驗場景，實現了在現有條件下開展危險性大或者無法開展的實驗教學工作，最大限度地促進了學生實驗操作技能和創新能力的提升，彌補了傳統實驗的少項目、少儀器的不足，同時提升了實驗室安全和環保指數，也節省了實驗耗材、污染物處理等的經費。雖然基于VR開展實踐實訓的優勢顯而易見，但我們也不能因此而忽略了傳統的實訓方式。基于VR開展的實訓項目的重點應該是采用傳統方式難以取得較好訓練效果的項目或者是無法開展的項目。在實訓教學中，應當“虛”與“實”相結合，從而豐富和完善實訓內容，提高實訓效果。

（四）進一步注重并強化師資隊伍教學團隊的建設

“互聯網+”時代的到來，以及國家“卓越2.0”計劃的實施，使得高等教育教學資源、教學環境、教學形式等隨之發生巨大變化。高校教師必須掌握互聯網相關知識技能，具備網絡課程設計制作能力、運用虛擬現實技術能力、信息檢索和處理能力，不斷提升自身的信息素養，努力使自己成為優秀的信息化教學者。實驗中心要制訂詳盡的教師培養計劃，首先，應考慮引進高學歷人才及信息技術專業人才，以提高實驗教師隊伍信息化質量。其次，應制訂實驗教師學習培訓教育計劃實施辦法。在職教師應根據自己的專業特點，加強與國內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構進行更新，學習新的教育教學理論，開闊學術視野，完善知識儲備與職業能力；定期參加信息化技術培訓，以提高制作和運用網絡化課件的技能。

要想將VR更好地應用于刑事科學技術實訓實戰化教學中，教學團隊的建設至關重要。教學團隊中既要有專業能力較強的教師，也要有信息技術水平較高的教師，這將有助于虛擬仿真實訓實戰教學平臺得到更好的應用，以及實訓實戰教學資源的開發與完善。教學團隊中的教師要圍繞“教、學、練、戰”的一體化人才培養模式，轉變觀念，創新實戰實訓模式，注重多種實戰實訓方法的綜合運用。

（五）構建數字化虛擬仿真實踐實訓校局合作新模式

在VR虛擬仿真實踐實訓教學模式中引入真實案發現場的案例，或者將真實案件的偵破過程以虛擬形式呈現，讓學生在虛擬現場中以現場的檢材為藍本，結合理論教學的內容進行相關環節實踐，同時與現場的分析過程進行印證。我們可以直接將校局合作的實戰部門采集到的數據進行加工處理，然后將其加入已建立的數據庫中，從而豐富數字化虛擬仿真實驗案例。各式各樣的經典犯罪現場將會給現場勘查教學和實訓實戰項目設計帶來巨大的幫助，真正做到依托校局合作模式，實戰促進教學，教學助力實戰。在模擬現場勘查教學過程中，可以考慮引入現場分析教官，教官通過遠程教育、網上互動平臺等方式指導學生，隨時隨地參與實踐實驗教學的全過程，并對實踐實驗教學效果進行監督，實現虛擬仿真實踐實訓校局合作新模式，推進實踐教學網絡教育資源共享，有效提高實訓實戰教學效果。

三、數字化虛擬仿真實驗系統在實踐教學中的應用效果

（一）有助于學生根據自身需求進行學習

公安院校刑事科學技術專業的實踐性比較強，實驗課占比50%，但儀器設備居多，大型精密儀器數量有限。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，其中既有基礎實驗儀器（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、氣質聯用等）的操作演示，學生可根據自身需求或興趣愛好隨時隨地播放視頻進行學習。這種形象直觀的教學方式代替了傳統面對面授課的枯燥形式，能夠有效激發學生的學習熱情。

（二）有助于拓展實踐實驗教學內容

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

（三）有助于改進現有教學模式

VR+微課模式的運用，使得授課教師在具體的實踐教學過程中，采用實驗、微課、虛實相結合的多種互動式教學方式，同時引入現場視頻，依托微信群等軟件建立互動平臺，對實踐教學中出現的問題進行積極引導，改進了現有教學模式，極大地提高了教學效果。

（四）有助于實驗室實行開放式教學

VR+微課模式以視頻的方式利用互聯網形式傳播，不僅使刑事科學技術專業的學生有隨時隨地學習的機會，而且為其他專業對刑事科學技術感興趣的師生提供了學習的平臺，從而使刑事科學技術實驗室對全校師生開放。

（五）有助于解決當前實訓實戰教學中的難題

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

數字化虛擬仿真實驗系統教學模式的應用，不僅可以解決實驗設備緊張、真實實驗所帶來的安全隱患以及環境污染等現實問題，而且在拓展學生思路、培養學生創新能力等方面取得了很好的效果。學生在VR實驗室中利用各種虛擬儀器，依照自己的設想自行設計各種實驗流程，驗證自己的各種假設與猜想，而無須因考慮安全問題而退縮。VR實驗教學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，同時學生也可以自主選擇教學內容，及時與老師溝通及互動，極大地提升了專業實驗教學效果。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 謝舒瀟.智能教室建設的探索與實踐[J] .實驗室研究與探索，2016，33（6）： 221-224.

[2] 黃榮懷，郭榮.立體化教材的設計與開發[J] .現代教育技術，2008，18（10）： 105-109.

[3] 陳國輝.虛擬仿真實驗教學中心實驗教學體系建設[J] .實驗室研究與探索，2015 ，34（8）： 169-172.

[4] 王衛國.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J] .實驗室研究與探索，2015，34 （5）： 214-219.

[5] 蔡蘇.增強現實（AR）在教學中的應用案例評述[J] .中國電化教育，2017 （3）： 1-9.

［責任編輯：劉鳳華］