数字化虚拟仿真实验系统的开发设计与应用研究

张颜华

［摘 要］实践实验教学的主体是学生，高校最大限度地突破单一验证、简单综合的传统实验教学模式的局限，充分利用现代模拟技术和网络技术，构建数字化虚拟现实技术实验教学模式，已经成为培养学生能力的有效手段。通过建立虚拟仿真实训实战教学平台、开发虚拟仿真实训实战教学资源、开展虚拟仿真实训实战教学、强化师资队伍及教学团队建设、构建虚拟仿真实践实训校局合作新模式等多种手段，将有助于实现数字化虚拟仿真实验系统的开发设计及其在实践实验教学中的深度应用。数字化虚拟仿真实验系统在实践实验教学中的应用，将有助于学生根据自身需求进行学习、有助于拓展实验教学内容、有助于改进现有教学模式、有助于实验室实行开放式教学、有助于解决当前实训实战教学中的难题，同时，也将为当前的实践实验教学技术手段的创新和改革带来新的思路。

［关键词］数字化；虚拟仿真；实验系统；开发设计与应用

［中图分类号］ G640 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）01-0069-03

一、数字化虚拟仿真实验系统的开发设计与建设

传统的公安院校犯罪现场勘查教学的实践实训场地基本上是以实物为主的模拟犯罪现场，在教学和实训中，利用有限的场地资源最大限度地还原最常见的犯罪现场。但传统的模拟犯罪现场存在一些问题，例如受限于场地，涵盖的犯罪现场类型有限，模拟犯罪现场的更新比较烦琐，更新的周期长且投入大，无法紧跟犯罪形势的变化。这些问题对于犯罪现场勘查教学的设计更新有一定的影响，如教师无法与时俱进地更新模拟现场以开展相关的教学实训，实验室也没有足够的场地供教师去布置更多、更新的模拟现场。

基于虚拟现实技术（VR），课题组构建了数字化虚拟犯罪现场实验中心，内设常见犯罪现场数据库、常见物证数据库，其中包括一些经典案件的现场和物证。这能够在一定程度上解决实训场地不足、模拟犯罪现场更新不及时的问题，对传统实物模拟犯罪现场进行了很好的补充。使用者可以直接将实战部门采集到的数据进行加工处理，然后加入犯罪现场数据库中，从而丰富数字化虚拟犯罪现场实验中心的资源。各式各样的经典犯罪现场将会极大地丰富犯罪现场勘查教学和实训项目设计形式，将数字化虚拟犯罪现场实验中心与传统模拟犯罪现场有机结合，能有效地提升学生的现场勘查能力。

VR是通过多媒体技术与仿真技术相结合而生成的，集视觉、听觉、触觉于一体的虚拟环境技术，使用户通过体验产生身临其境之感。VR可以令操作者通过人的自然动作与虚拟环境发生交互，可以及时地、没有限制地观察三度空间内的事物。VR实验室可以在一个有限的真实空间内模拟不同的虚拟空间，这个虚拟空间可以是交通事故现场，也可以是人体解剖尸检现场，抑或是刑事案件现场勘验检查现场等[1]。在这个虚拟空间中，使用者可以是一名，也可以是通过联机的多名；可以进行交通事故现场勘查、人体解剖、尸体检验，也可以进行刑事案件现场勘查、痕迹物证提取；可以是一人工作，也可以是多人合作。VR实验室能使参与者置身于虚拟环境中，有身临其境之感，从而达到教学实训的要求，并能无限接近实际工作。VR实验室建设将包括以下几个部分[2]：一是VR头戴设备，该设备用于体验VR教学软件，使用者佩戴后可与外部环境隔绝；二是VR操作手柄，用于在体验VR软件时进行内容操控，可以使使用者在虚拟环境中完成伸手、移动、提举、放下、推、拉、拧、抓、握等动作；三是电脑主机，用来承载VR教学软件。目前，以VR技术构建的仿真实验系统已经在一些高校得到应用，VR技术已走进学校课堂，给传统的教学模式带来了巨大冲击，教师和学生都体验到了VR带来的惊艳、刺激以及完美的教学效果。可以说，VR是继多媒体之后在教育领域内最具有应用前景的一项技术[3]。

二、数字化虚拟仿真实验系统在实践教学中的具体应用

（一）建立虚拟仿真实训实战教学平台并推动实验教学共享平台改革

建立虚拟仿真实验教学平台，包括平台信息管理系统、应用设置管理子系统、实验资源管理子系统、虚拟仿真实验教学子系统、3D虚拟仿真实验系统等，是开展刑事科学技术虚拟仿真实训的基础。依托该平台，可以进行刑事科学技术相关资源的查阅与下载、实验实训课程的安排与执行、师生间的互动，并对学生的实训教学进行科学评价与考核。虚拟仿真实验教学模式的应用，一方面增强了实践教学的趣味性和可观性；另一方面利用互联网资源，搭建微课、虚拟远程教学平台，创建在线网络课程，打破了实践教学在时间和空间上的限制，加强了实验教学资源的横向共享和交流。互联网5G时代的到来，其高速度、泛在网、低延时等特点，必将使得在线网络视频实验教学的应用迎来广阔前景；网上实验微课、实验仿真系统的开通，也會为学生提供实验室全天候开放的教学环境。因此，虚拟仿真实训实战教学平台的建设和应用，也必将会加快实践教学网络教育资源共享平台建设及改革的步伐。

（二）开发虚拟仿真实训实战教学资源并改革基础实验教学旧有模式

根据实训实战教学的需要建立合适的模型，这是一项复杂而关键的工作。对公安院校刑事科学技术专业教学而言，涉及痕迹检验、文件检验、刑事影像、理化检验、法医检验等多门学科，实验实训的种类繁多，需要根据不同的实训内容构建不同的实训场景模块，或者将真实的案例利用VR进行虚拟再现，开发虚拟实训实战教学资源[4]。此外，可以根据课程的需要，进行标准化流程的开发，丰富实训内容，拓展实训空间。

旧有的实践实训教学模式受实验环节、仪器数量、实验时间等客观因素的制约，导致学生的动手能力缺少足够的时间和空间来锤炼。建立VR实验教学模式，可借助网络教学平台，将基础实验仪器的实验原理、基本操作步骤、实验效果展示、仪器使用注意事项、基础实验项目等录制成“微课”视频，上传到网络教学平台，让有兴趣的学生可通过视频了解刑事技术的基本实验，让低年级学生可作为预习实验、其他专业学生可作为开放性实验进行学习。通过虚拟仿真实验，使学生掌握基本的操作技能，为日后的专业实验实践操作打下扎实的基础，以便学生在大三后可直接进行综合、创新实验，既节省了时间，又拓展了实验项目。

（三）开展并创新专业实验课虚拟仿真实训实战教学

数字化虚拟仿真实践实训教学的重点是其可应用于传统实训模式失真或者难以模拟的项目，如尸体解剖、爆炸案件现场勘查实训等。通过构建虚拟的环境，可以让学生在虚拟时空中与实训内容进行交互，开展技能训练。以模拟现场勘查为例，教师通过平台构建虚拟的刑事案件现场，让学生通过键盘、鼠标、VR头盔等变成一个身临其境的体验者和参与者，模拟现场勘查，寻找、发现、提取与犯罪有关的痕迹物证，以实现现场勘查流程以及物证发现与提取的学习、训练和考核。

目前，微型课程、微型网站等网络资源不断普及，学生的学习渠道已不再仅限于老师讲课，也不会受到时间和场所的局限。学生可以利用网络终端随时随地学习，并且在虚拟环境中真实模拟昂贵的实验设备和实验场景开展实验，极大地激发了学生的学习兴趣，提高了学习效果。利用VR构建虚拟仿真实验，真实模拟实验设备和实验场景，实现了在现有条件下开展危险性大或者无法开展的实验教学工作，最大限度地促进了学生实验操作技能和创新能力的提升，弥补了传统实验的少项目、少仪器的不足，同时提升了实验室安全和环保指数，也节省了实验耗材、污染物处理等的经费。虽然基于VR开展实践实训的优势显而易见，但我们也不能因此而忽略了传统的实训方式。基于VR开展的实训项目的重点应该是采用传统方式难以取得较好训练效果的项目或者是无法开展的项目。在实训教学中，应当“虚”与“实”相结合，从而丰富和完善实训内容，提高实训效果。

（四）进一步注重并强化师资队伍教学团队的建设

“互联网+”时代的到来，以及国家“卓越2.0”计划的实施，使得高等教育教学资源、教学环境、教学形式等随之发生巨大变化。高校教师必须掌握互联网相关知识技能，具备网络课程设计制作能力、运用虚拟现实技术能力、信息检索和处理能力，不断提升自身的信息素养，努力使自己成为优秀的信息化教学者。实验中心要制订详尽的教师培养计划，首先，应考虑引进高学历人才及信息技术专业人才，以提高实验教师队伍信息化质量。其次，应制订实验教师学习培训教育计划实施办法。在职教师应根据自己的专业特点，加强与国内外同行之间的交流与合作，不断对自身的知识体系与能力结构进行更新，学习新的教育教学理论，开阔学术视野，完善知识储备与职业能力；定期参加信息化技术培训，以提高制作和运用网络化课件的技能。

要想将VR更好地应用于刑事科学技术实训实战化教学中，教学团队的建设至关重要。教学团队中既要有专业能力较强的教师，也要有信息技术水平较高的教师，这将有助于虚拟仿真实训实战教学平台得到更好的应用，以及实训实战教学资源的开发与完善。教学团队中的教师要围绕“教、学、练、战”的一体化人才培养模式，转变观念，创新实战实训模式，注重多种实战实训方法的综合运用。

（五）构建数字化虚拟仿真实践实训校局合作新模式

在VR虚拟仿真实践实训教学模式中引入真实案发现场的案例，或者将真实案件的侦破过程以虚拟形式呈现，让学生在虚拟现场中以现场的检材为蓝本，結合理论教学的内容进行相关环节实践，同时与现场的分析过程进行印证。我们可以直接将校局合作的实战部门采集到的数据进行加工处理，然后将其加入已建立的数据库中，从而丰富数字化虚拟仿真实验案例。各式各样的经典犯罪现场将会给现场勘查教学和实训实战项目设计带来巨大的帮助，真正做到依托校局合作模式，实战促进教学，教学助力实战。在模拟现场勘查教学过程中，可以考虑引入现场分析教官，教官通过远程教育、网上互动平台等方式指导学生，随时随地参与实践实验教学的全过程，并对实践实验教学效果进行监督，实现虚拟仿真实践实训校局合作新模式，推进实践教学网络教育资源共享，有效提高实训实战教学效果。

三、数字化虚拟仿真实验系统在实践教学中的应用效果

（一）有助于学生根据自身需求进行学习

公安院校刑事科学技术专业的实践性比较强，实验课占比50%，但仪器设备居多，大型精密仪器数量有限。VR+微课可以将仪器操作过程、注意事项、具体实验操作步骤等以视频的形式展现，其中既有基础实验仪器（如各类显微镜、翻拍仪、文检仪等）的操作步骤展示，又有精密仪器（如拉曼光谱仪、气质联用等）的操作演示，学生可根据自身需求或兴趣爱好随时随地播放视频进行学习。这种形象直观的教学方式代替了传统面对面授课的枯燥形式，能够有效激发学生的学习热情。

（二）有助于拓展实践实验教学内容

由于受各种因素的影响，且涉及实验室安全与环保问题，有些实验项目无法开设，虚拟现实及微课技术的应用可将以往无法实现的实验（如理化检验中的化学实验、拉曼光谱检验实验、爆破案件现场勘验等）进行虚拟操作，从而达到良好的教学效果。

（三）有助于改进现有教学模式

VR+微课模式的运用，使得授课教师在具体的实践教学过程中，采用实验、微课、虚实相结合的多种互动式教学方式，同时引入现场视频，依托微信群等软件建立互动平台，对实践教学中出现的问题进行积极引导，改进了现有教学模式，极大地提高了教学效果。

（四）有助于实验室实行开放式教学

VR+微课模式以视频的方式利用互联网形式传播，不仅使刑事科学技术专业的学生有随时随地学习的机会，而且为其他专业对刑事科学技术感兴趣的师生提供了学习的平台，从而使刑事科学技术实验室对全校师生开放。

（五）有助于解决当前实训实战教学中的难题

在某些项目的实际实施过程中，如在刑事科学技术综合实训中模拟现场勘验和模拟物证的发现提取等，受场地、现场环境、布局、成痕条件等客观条件的限制，模拟案件现场与真实案件现场之间存在一定差异。例如，在模拟现实工作中发案率较高的杀人案件现场勘查时，尸体的位置、姿势、状态、伤口等仿真性差，对尸体的模拟勘验达不到预期的效果。VR则能很好地解决这一问题。VR对刑事科学技术实训实战教学所产生的裂变，不仅颠覆了传统的实训实战教学模式，还为实训实战教学中的难点问题提供了极佳的解决方案[5]。

数字化虚拟仿真实验系统教学模式的应用，不仅可以解决实验设备紧张、真实实验所带来的安全隐患以及环境污染等现实问题，而且在拓展学生思路、培养学生创新能力等方面取得了很好的效果。学生在VR实验室中利用各种虚拟仪器，依照自己的设想自行设计各种实验流程，验证自己的各种假设与猜想，而无须因考虑安全问题而退缩。VR实验教学模式能更好地解决实验师资力量不足及实验空间有限等问题，同时学生也可以自主选择教学内容，及时与老师沟通及互动，极大地提升了专业实验教学效果。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 谢舒潇.智能教室建设的探索与实践[J] .实验室研究与探索，2016，33（6）： 221-224.

[2] 黄荣怀，郭荣.立体化教材的设计与开发[J] .现代教育技术，2008，18（10）： 105-109.

[3] 陈国辉.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J] .实验室研究与探索，2015 ，34（8）： 169-172.

[4] 王卫国.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J] .实验室研究与探索，2015，34 （5）： 214-219.

[5] 蔡苏.增强现实（AR）在教学中的应用案例评述[J] .中国电化教育，2017 （3）： 1-9.

［责任编辑：刘凤华］