虚拟仿真实验在公安实训中的应用浅析

李 雄 韩岞宏 陶秋辰

在信息技术高速发展的时代背景下，虚拟仿真实验适应公安实训信息化发展新趋势，形成了“虚实结合，以实为主”的虚拟仿真实验与传统实训相结合的建设新方向，这对新时代公安队伍培养高素质的应用型、创新型公安人才具有重要意义。

一、虚拟仿真实验概述

（一）虚拟仿真实验的相关概念

什么是虚拟仿真？有关学者把“虚拟仿真（Virtual Reality）”称为“虚拟现实技术”或“模拟技术”，就是用虚拟系统模仿真实系统的技术。从狭义上讲，虚拟仿真是指从20世纪40年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类实验研究的新技术；从广义上讲，虚拟仿真则是在人类认识自然界客观规律的历程中一直被有效地使用着。由于计算机技术的不断发展，仿真技术逐步自成体系，成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法，而且正发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。

虚拟仿真实验是以计算机技术为核心，包括计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶，即利用计算机技术呈现的虚拟的环境、人、事、物等，通过虚拟操作完成实验相关内容。

国内较早清晰完整定义“虚拟仿真实验”的是我国学者王娟，她认为“虚拟仿真实验”是指借助仿真技术和虚拟现实技术开发的、蕴涵大量信息、可以被利用的各种显现的或潜隐的条件和要素，主要涉及基础设施和设备、实验材料（素材、案例、影视、动画、图片、课件、教具等）、实验软件、支持系统等，通常包括仿真模型、仿真数据、仿真软件和仿真平台。

（二）虚拟仿真实验的原理

虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界（Virtual World）的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界,并通过头盔显示器（HMD）等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。

（三）虚拟仿真实验的特点

1.沉浸性。在虚拟仿真系统中，使用者可获得视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种感知，从而获得身临其境的感受。理想的虚拟仿真系统应该具有能够给人所有感知信息的功能。

2.交互性。在虚拟仿真系统中，环境能够作用于人，人也可以对环境进行控制，而且人是以近乎自然的行为（自身的语言、肢体的动作等）进行控制的。虚拟环境还能够对人的操作予以实时的反应。当飞行员按“导弹”发射按钮时，会看见虚拟的“导弹”发射出去并跟踪虚拟的目标，当“导弹”碰到目标时会发生爆炸，能够看到“爆炸”的碎片和火光。

3.虚幻性。该系统呈现的环境是虚幻的，是由人利用计算机等工具模拟出来的。既可以模拟客观世界中以前存在过的或现在真实存在的环境，也可模拟出客观世界中当前并不存在的但将来可能出现的环境，还可模拟客观世界中并不会存在的、仅仅属于人们幻想的环境。

4.逼真性。虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面：一方面，虚拟环境给人的各种感觉与所模拟的客观世界非常相似，如同在真实世界一样；另一方面，当人以自然的行为作用于虚拟环境时，环境做出的反应也符合客观世界的有关规律，如当给虚幻物体一个作用力，该物体的运动就会符合力学定律，会沿着力的方向产生相应的加速度，当它遇到障碍物时将会被阻挡。

(四）虚拟仿真实验的应用现状

利用先进的信息技术来推动教育教学的发展越来越受到我国教育界的重视。2008年教育部颁发文件，明确指出职业教育要“大力推动仿真、多媒体课件等数字化教学资源开发，重点解决常规的教学手段、技术、设施设备难以实现的实习实训问题，重点满足教学需求急迫且覆盖面较大的模拟仿真实训教学的需要”。2012年，教育部在《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》中强调要充分发挥信息技术在职业教育各环节中的支撑作用，建设优质的职业教育数字化资源，并明确提出要完成1500套虚拟仿真实验系统建设目标。

在虚拟仿真技术的发展中，国内外大部分学者对虚拟仿真资源的界定是相对模糊的，但他们在意识上却很默契地达成了共识，即认为虚拟仿真主要是依靠虚拟现实技术和仿真技术进行的。而仿真技术的发展较虚拟技术应用更早，在20世纪初仿真技术就已经包含仿真硬件、仿真模型、仿真数据和仿真软件等。

随着技术手段的不断成熟，虚拟仿真已经成为一种趋势、一种科技的象征。2018年，平昌冬奥会北京文艺表演正是借助虚拟仿真系统，让该系统充当导演的“眼睛”和“指挥棒”。在2020年新型冠状病毒疫情的影响下，线上教学模式发展迅速，很多高校利用虚拟仿真实验开展线上实验课程教学。一些普通高校已经建立有较为成熟的虚拟仿真实验室，如山东农业大学国家级农业机械化及其自动化虚拟仿真实验教学中心构建了较为完善的平台建设及管理体系，建立了“现代农场虚拟仿真实验教学系统”等4个虚拟仿真教学模块。

二、公安实训应用虚拟仿真实验的必要性

目前虚拟仿真实验项目主要涵盖8大类，集中在医学，工业设计等方面。虚拟仿真解决了世界性的实验教学、实践教学、实训教学的难题，也有效弥补了动手能力不足的短板。如果在公安实训中重视并加强虚拟仿真实验，这将对民警素质的提高起到推动作用，在卓越拔尖人才的培养方面具有重要意义。

（一）公安实战化发展的必然趋势

虚拟仿真实验的应用推广是公安实战化的必然趋势，是公安实训体系建设不可或缺的部分。公安队伍作为特殊执法队伍建设虚拟仿真实验室是必然选择。目前，我国公安队伍实训教学面临实训内容危险性高、风险系数大、实训教学资源限制、实训内容滞后等问题，而虚拟仿真实验的应用为解决这些问题提供了思路。建设具有公安特色的虚拟仿真实验室，这将是公安实训教学的突破，以“虚实结合，以实为主”为中心建设实训课程体系，传统实验与虚拟仿真实验相结合将成为未来公安队伍实训教学体系建设发展的方向，也是公安实训教学发展的必然趋势。

（二）公安队伍人才培养的需要

随着教育信息化的不断发展，公安队伍应以培养高素质的应用型、创新型公安人才为人才培养方向和目标。公安队伍人才培养过程既要充分保证公安实战技能的掌握，又要兼顾创新思维能力的引导。传统的公安实验教学往往侧重于公安实战技能的培养，而将虚拟仿真实验应用到公安实验教学，与传统实验相互补充，则可在提高民警公安实战技能的同时，有效提升民警的创新思维能力，这对新时代高素质公安人才的培养大有裨益。

三、虚拟仿真实验在公安实训教学中的应用优势

（一）降低实训的危险性

公安实训内容存在一定的不可控制性和未知性，比如射击实训、爆破实训、特种驾驶技能、危险性现场重建以及刑事化验等实训中可能接触到的毒物毒品，都具有一定的危险性。鉴于公安实训的特殊性，公安民警在学习掌握理论知识的同时更要将理论知识实战化，并在实践教学的过程中积累办案经验或提高专业技能，因此公安实训课往往需兼顾理论知识和实战价值。如何最大限度模拟实战情况同时又确保安全性，是公安实训教学设计时关注的核心问题，虚拟仿真实验可以将实训的危险性大大减低。

（二）降低实训成本

由于虚拟仿真实验近乎零损耗且对实训场地需求很低的特点，可以减少实训设备和耗材的购置费用，降低实训室基本建设、维护费用，从而有效降低实训成本。同时，由于虚拟仿真实验可以循环使用且便于管理，这大大提高了实训设备的使用寿命，降低了实训教学投入的人力成本，减少了实训设备的维护保养费用及实训室的管理成本。

（三）丰富公安实训内容

实训课程往往受实训种类所限，形式较为单调，一些较为复杂或反应周期较长的实训在日常训练中往往无法开展。而虚拟仿真实验能够满足绝大多数公安实训课程的需要，这可以有效丰富民警实训种类。通过虚拟仿真实验的开展，实训教学形式也不再拘泥于传统。

将虚拟仿真实验引入实训锻炼亦可大大丰富理论教学形式，运用虚拟仿真实验进行课堂演示可有效避免理论课程的乏味和枯燥感。虚拟仿真实验也为远程实训教学提供了更为丰富的教学思路和强有力的技术支撑。

采取虚拟仿真和传统实训相结合的方式，形成以实战化训练为中心的实训教学新模式，使得教学模式更加科学，组织设计更加合理，实践教学效果更加显著。

（四）提高培训质量和效率

由于公安实训具有其特殊性，部分专业实训室或专业设备仅在实训教学时可以开放使用，平时训练存在很大的问题。虚拟仿真实验可以从根本上解决平时实训锻炼少的问题，有效提升实训质量，同时提升实训教学效率。同时，由于虚拟仿真实验本身的优势，教学时可充分激发民警积极性，引导民警自主开展实训，培养其自主学习能力。通过虚拟仿真实验和传统实训线上线下相结合的模式，既可以减轻培训专家的教学任务，又可以提升民警的学习主动性，还可以提高培训质量和效率。

（五）培养民警创新实践能力

公安实训教学以民警基础技能、实操水平的训练、创新实践能力的培养为目的，形成“基础能力—综合能力—创新能力”逐渐上升的能力培养层次，形成“发现问题—创设问题—掌握知识技能—解决问题”的综合能力培养体系。虚拟仿真实验为公安队伍的实训教学提供了更大的发展空间。这不仅大大提升了实训效率，而且还有效地提升了民警的实践动手能力和创新能力，为培养复合型、应用型、创新型的高素质公安人才提供助力。

四、结语

在信息化快速发展的当下，公安工作亟需高素质的复合型人才。公安培训要本着服务国家战略需求，以提高人才素质为核心，培养高质量的公安人才为目的，注重实训教学，激发民警创新意识，培养综合能力，为公安队伍输入适应性强、综合水平高、创新能力强的公安人员。公安培训应积极建设信息化的实训课程体系，虚拟仿真作为一种手段，是传统实训的补充。公安实训课程的建设应充分发挥虚拟仿真实验的辅助作用。但鉴于虚拟仿真实验缺乏真实性、还原度不高等缺点，实训课程建设应坚持虚实结合、以实为主的建设主线，不断提升实训课程开展的广度、深度。