虚拟仿真技术在“危险物品管理”课程实训教学中的应用

杨亚罗

(云南警官学院，云南·昆明 650233)

一、引言

虚拟仿真技术，又称为虚拟现实技术，本质上是通过一个虚拟的系统去模仿另一个现实真实系统的技术，实现多维立体交互，达到身临其境的真实感受。随着虚拟仿真技术迅猛发展，以虚拟现实、人工智能、大数据技术和机器人为代表的新科技在教育行业正在得到广泛应用，并引起政府部门、学术界、产业界和各级各类学校的高度关注。从公安实践角度，运用虚拟仿真技术是进行公安科技手段教学、训练、实训的基础，是提高工作效率、案件分析研判的准确率和降低培训成本的有效手段。

治安工作关乎国家安全，关乎社会发展和人民安危，治安学人才培养决定治安工作质量和效果。新时代对治安学人才培养提出了许多新要求。如何为维护边疆稳定繁荣、构筑西南边境安全屏障提供人才保障和智力支持，是国家所需、行业急需。近年来，随着智慧公安建设工作的不断推进，公安机关对警务技术人才的需求显得更加迫切，这就要求公安院校在教学工作中充分运用虚拟仿真、人工智能和机器人等核心技术，进一步修订和完善公安人才培养方案，构建面向实战需求的智慧警务人才培养模式，打造符合“两性一度”要求的智慧警务一流课程，开展启发式、互动式、参与式、合作式学习等教学改革，进一步提升学生综合素质，培养符合实战需求的优秀警务技术人才。

随着课程教学改革的深入，治安学专业主要专业课程“危险物品管理”在实训教学中逐步面临越来越突出的问题，传统的实训教学模式受到实训设备、场地等因素限制，较大程度上影响了实训教学效率和效果。拓展现有实训教学模式，从实质上提高学生对课程的认识和实践能力，是“危险物品管理”课程面临的重要任务。

基于现代信息技术的虚拟仿真实训平台，可将教学内容、虚拟设备和实训对象有机融合在一起，使学生与虚拟仿真系统人机互动过程不受设备、场地和环境条件的限制，具有可重复、可设计、低成本、高效率的优势。利用虚拟现实技术模拟现实环境，可为学生实验过程提供身临其境的沉浸式体验，激发学生的学习兴趣，提升教学质量。

二、传统实训教学中存在的问题

(一)与实训要求存在差距

“危险物品管理”课程以学科体系进行教学，通过知识体系进行分类，便于学习及系统掌握相关知识；但在实战中遇到的问题和案件，则是过程性的、综合性的，是多学科，多课程的综合应用。当前，课程实训教学通过情景模拟，角色扮演、案例分析等方式进行。但由于搭建各种模拟的实战场景受到经费及实训条件限制，情景单一，情节简单，实战场景还原度低，严重影响和制约了实训教学的效果。

(二)系统性实训教学难以开展

“危险物品管理”课程涉及枪支、爆炸、剧毒、易燃等大量危险物品，实训内容不但涉及高危环境，危险物品具有易污染、 高危险等特殊性，还具有高成本、不可逆等特点，在传统课程实训中很难开展。而且，由于缺乏大量专业设施设备、实战化训练场地和平台，难以保证每个学生进行实际操作，从而达不到教学训练的目的。此外，公安机关危险物品管理和检查涉及的实际场景复杂，模拟现场难度大，成本高。还有，涉及危险物品的安全事件一旦发生，极易造成人员伤亡和财产损失，影响公共安全和社会秩序，给社会带来严重危害，因此实训课程难以进行现场模拟。

(三)缺少综合性实训项目

“危险物品管理”课程实训是根据治安学专业人才培养方案及教学大纲，结合理论课程教学及实战要求进行设计的。实战过程中遇到的问题具有综合性和复杂性，实践过程中要求学生进行综合知识运用。危险物品管理涉及面广，实训场景难以涵盖多个知识点、技能点，一般是以单个或少数几个知识点、技能点进行设计，缺少大型综合性实训项目。

(四)难以大规模开展实训

课程实训涉及的仪器设备价格昂贵，数量少，部分实训教学项目往往以教师示范、学生观摩为主，学生实际动手操作的机会少。由于场地等限制，参与实训的人数受到限制，无法大规模开展实训工作。虚拟仿真实训教学作为现代信息技术与传统教学理论相融合的产物，是危险物品管理实训的有益组成部分，有利于加强学生对执法规范、实验原理、实训设施仪器等方面的了解和认识，巩固学生所学理论知识，全面提高学生实际动手能力和科技创新能力，从而进一步推动治安学专业实训教学的改革与创新。

三、虚拟仿真技术应用到实训教学中的意义

虚拟仿真教学是实践国家教育信息化战略的重要方法之一，对于“危险物品管理”课程来说，真实的模拟出一个所有因素俱全的治安检查或事故处理场景难度较大。通过虚拟方式将各种情景、现场、环境等进行仿真，模拟出各种情景和典型案(事)件处置现场，让学生通过虚拟仿真环境掌握基本技能，进一步增强实战能力，意义重大。

(一)体现以学生为中心的实训理念

每个学生多人多点，独立参与虚拟仿真实训，实训过程中若出现错误，由虚拟仿真实训平台自动提示并给出修正路径，平台解决不了的问题再由教师介入指导，大大提升教学效率和实训效果，教学过程充分体现以学生为中心的实训教学理念。通过虚拟仿真技术模拟真实现场的各种场景，调动学生的学习积极性和主动性，提高教学效果。这种学习模式有利于学生获取与巩固危险物品管理基础知识，学生掌握知识的同时将所学的知识运用到治安管理实践中，促进理论和实践的有机统一。

(二)满足课程实训教学需要

利用虚拟现实技术、三维建模技术、MR、多媒体技术等对教学场景要素进行虚拟化、立体化、可视化呈现，通过虚拟仿真实训平台实现实情实景模拟，通过仿真、虚拟化、在线协同学习，实现虚拟仿真教学和沉浸式仿真训练，促进实训教学更加贴近实战。在虚拟仿真实训操作过程中，以实际应用为目的，强调操作规范和流程标准，促进理论与技能并重，为学生实际操作奠定良好基础。

(三)超越时空局限的空间拓展

传统的危险物品现场实训通常受到时间、场地、环境、人数等方面的限制，而采用虚拟仿真技术的实训项目彻底打破了时间、空间等限制。实训软件不再受时空局限，应用虚拟化技术使得学习者不再局限在物理环境的实验室机房内，也没有时间限制。学习者可以随时(例如课余时间)，在宿舍、图书馆等场所利用各种信息设备终端进入系统练习实验项目。学生可根据需要反复操作与训练，有利于提升碎片化时间的利用效率。

(四)安全环保且节约实训成本

实训项目数字化降低了传统教学过程中对硬件设备的依赖，减少了实验实训硬件的损耗，降低了场地及设备维护成本，提升了实训效率。实训平台及时更新教学资源和相关数据，灵活模拟不同场景提供给学生实训，克服了实训中成本高、资源消耗大的问题，符合建设低碳经济绿色校园的理念。同时，学生在参加实战训练前可以通过计算机进行虚拟实训，保障学生人身安全，减少教学安全事故的发生。

四、危险物品管理课程虚拟仿真实训平台构建

(一)基础工作准备

治安学是公安院校的基础专业之一。云南警官学院治安学专业2019年入选省级一流本科专业建设点，建设内容包括：一是形成特色鲜明的人才培养体系和公安院校与公安机关协同育人机制；二是专任教师的年龄、学历、职称结构合理；三是突出公安实战，形成“教、学、练、战”一体化治安学人才培养模式；四是教学方法多样。

2022年8月，治安学专业培养方案和专业课程教学大纲的修订工作，在教学大纲修订中进一步增加了实训课程学时比例，通过不断的探索和实训环节课程的加强，将“课程+虚拟+实训”的理念引入到专业课教学中。

(二)虚拟仿真平台构建

将理论知识融入虚拟的危险物品管理的案(事)件中，培养学生灵活应用所学知识的实战能力。将危险物品管理工作“预防为主”“事前、事中、事后”结合的全流程思想贯穿始终，增强学生“未雨绸缪”“应事而制”的系统思考能力，培养符合时代要求的应用型公安专门人才。

图1 设计原则

主要建设内容包括：危险物品安全检查虚拟仿真训练系统、危险物品现场处置VR仿真训练系统、虚拟仿真训练平台和MR学习模块。

1.危险物品安全检查虚拟仿真训练系统

该系统依据法律法规和国家(行业)标准，结合“危险物品管理”课程教学实训要求，采用虚拟现实技术、多媒体技术和三维建模技术等手段，构建虚拟化的应用场景。学生通过系统学习训练能够全面掌握危险物品安全检查的基本知识、基本技能和规范要求，以及检查准备、检查实施、检查结束等安全检查流程，具备从事安全检查必备的职业能力。全面掌握危险物品管理法律法规、审批、文书制作等知识和技能，增强课程教学和实训效果。

2.危险物品现场处置VR仿真训练系统

危险物品安全事故危险性高，关系到社会公共安全。对危险物品警情进行有效处置是基层公安民警必备的职业能力，也是公安院校人才培养的重要职业能力之一。该系统采用虚拟现实技术、多媒体技术和三维建模技术等手段对各类危险物品事故现场进行场景虚拟，实现3D可视效果，对处置过程进行仿真沉浸式模拟训练，使教学对象能够身临其境参与课程实训，全面掌握“安全检查、快速出警、划定警戒范围、控制现场、查明现场情况、警情处置”等整个流程的知识和技能。

3.虚拟仿真训练平台

虚拟仿真教学是学科专业建设与信息技术深度融合的产物，实训教学管理和共享是项目建设的主要内容。当前，虚拟仿真项目大多存在资源分散、难以统一规划使用、共享程度低等问题，直接影响了教学效果。虚拟仿真训练平台主要解决教学资源统一管理、实验数据统一管理、实验资源统一开放共享的问题。平台以满足危险物品管理课程虚拟仿真实训管理要求为基础，通过网络开放共享虚拟仿真教学资源，做到教育资源均衡及共享，主要包括思政教学、用户管理、教学管理、过程化评价、知识共享等。

4.MR学习模块

采用混合现实技术研发的危险物品混合现实学习平台可将危险物品实践训练内容搬进课堂，通过MR技术真实地展现危险物品的理论知识，包括危险物品检查、识别及注意事项等一系列内容，学生可以跨越时空回到混合的场景中进行危险物品管理的模拟训练。在危险物品认知环节，通过MR多媒体展示对应的认知内容，便于识别该危险物品并进行讲解。同时，还可以将危险物品的内在原理进行动画展示。

图2 MR技术

五、虚拟仿真实训平台使用成效分析

(一)丰富了教学手段和教学方法

虚拟仿真实训教学是培养治安学专业人才特别是应用型人才的重要环节。在建设过程中，通过细化和整理基于虚拟仿真平台的实训方案和模式，运用科技手段对已有优质教学资源和科学研究成果进行整合，促进了授课教师教学手段和教学方法的改革创新。

(二)完善了立体化实训教学体系

虚拟仿真实训平台围绕职业化、应用型、实战化治安学专业人才培养的需要，最大限度体现“厚基础、强能力、重实战”的人才培养理念。虚拟仿真实训平台按照“虚实结合、相互补充”的原则，构建分层次、模块化、开放式、立体型的实训教学体系，将先进的信息技术与虚拟现实技术结合运用于实训教学，增强了学生对抽象理论知识的直观学习和理解，缩短了理论知识转化为实践能力的过程。

(三)过程考核促进学习过程全覆盖

运用虚拟仿真实训平台智能化考核先进技术，能够更加全面、准确记录学生的实训操作过程，精准分析学生实训熟练程度，科学量化学习效果，准确评估学习质量。同时，更加有利于授课教师有针对性地改进课堂教学和实训教学，同步提升人才培养质量。

(四)开放式虚拟仿真实训环境

虚拟仿真实训教学环境，无论是操作界面、虚拟仿真实训界面，还是交互界面、管理界面都易于在智能手机及电脑上展示，便于学生随时操作实训，适时掌控学习进度。授课教师和学生共同参与讨论，有助于帮助学生解决问题。学生随时随地访问虚拟教学资源，可以体验无处不在的学习乐趣，真正实现虚拟教学资源的开放共享。

综上，治安学专业人才培养通过虚拟仿真技术的应用，在实训教学过程中贯穿数字化的教学方法，有助于激发学生内驱力，提升人才培养质量。学生在实训过程中更加贴合实战场景，有助于加快学生从简单掌握单一技能向娴熟运用综合技能转变。