实践教学与基地建设
基于虚拟现实技术的现场勘查实训教学系统研究
——以刑事科学技术专业为例
熊晓波1，裴 煜2
(1.湖北警官学院刑事技术与情报系，湖北武汉，430034；2.湖北警官学院侦查系，湖北武汉，430034)
[摘 要] 公安院校刑事科学技术专业现场勘查综合实训教学主要采用模拟现场形式进行实践教学，但模拟现场教学存在训练内容不全面、模拟失真、实训过程和效果难以准确评价等局限性。将虚拟现实技术引入刑事科学技术综合实训教学，充分发挥其在案例设计、场景构建、动态加载和人机交互等方面的优势，有助于解决传统实践教学模式的弊端，为培养高质量的应用型公安技术人才提供有效的新模式和新方法。
[关键词] 虚拟现实技术；刑事科学技术；现场勘查；实训教学
受多种因素影响，我国刑事犯罪高发期的基本状况没有改变，刑事发案率仍较高。懂技术、会侦查、会研判的复合型人才短缺，特别是现场勘查人员严重不足，导致勘查质量难以保证，发案多、破案少的矛盾比较突出。2018年公安部下发的《关于加强公安院校公安专业人才现场勘查能力建设的意见》《公安院校公安专业人才现场勘查能力标准》等要求公安院校“坚持面向实战、融入实战、服务实战、引领实战、立足公安实战与公安队伍建设需求，培养懂侦查、会研判、能办案的高素质专业人才”，对刑事科学技术、侦查学等其他公安专业人才现场勘查能力考核采取分级考核，其中，刑事科学技术专业人才应具备较高的现场勘查理论素养和较强的刑事案件现场勘查能力、犯罪现场分析能力和犯罪现场重建能力。综合模拟实训是公安院校培养应用型人才的一种主要的实践性教学方法，对培养学生的实践能力、思考能力、团队合作精神发挥了重要作用。传统的综合模拟实训教学模式局限性日益凸显，如何快速有效地培养高质量的刑事技术人才是当务之急。当前，虚拟现实技术在医学、军事、工业设计、教育等领域得到了广泛的应用，尤其是在教育培训方面的应用发挥了革命性作用，极大地推动了教育教学理念、模式及方法的变革与创新。将虚拟现实技术引入刑事科学技术专业综合实训教学，有助于解决传统模拟现场教学训练不够系统全面、模拟失真、训练时间不足、受场地条件限制等问题。应用虚拟现实技术，研究开发虚拟现场勘查、物证分析、犯罪现场重建等系统，是对刑事科学技术专业学生和在职民警进行训练和提高实践教学效率、质量的有效途径。
一、虚拟现实技术概述
虚拟现实技术(Virtual Reality Technology，简称VRT)起源于20世纪60年代，并在90年代逐步应用于军事、医学、汽车制造、房产、游戏娱乐、教育培训等多个领域。虚拟现实技术综合运用了计算机图像、传感、3D漫游、人机交互、高分辨显示等多种技术，可以生成逼真的虚拟现实环境。使用者借助头盔显示器、数据手套等传感设备，或者利用鼠标、键盘等输入设备进入虚拟空间，成为虚拟现实环境中的一员，通过视觉、听觉、触觉等反应，与虚拟场景中的对象进行实时交互，从而获得如同现实环境的感受和体验。
目前，虚拟现实技术应用于教育培训领域具有以下特征：一是沉浸性，虚拟现实技术根据人的视觉、听觉、触觉以及心理特点，通过计算机创建高度仿真的虚拟空间，使用者穿戴头盔显示器和数据手套等交互设备进入虚拟现实环境中，利用系统场景漫游功能，可以实现从任意角度观察虚拟空间场景，也可以对虚拟现实环境的中具体对象从不同角度观察，实现放大、缩小、旋转、移动等操作，以便更好地观察对象的细节特征，并且可以与虚拟现实环境中的各种对象进行实时交互，使自己完全沉浸其中。二是交互性，使用者在虚拟现实空间中通过鼠标、键盘，或者是立体头盔、数据手套等传感设备与虚拟现实环境中的各种对象进行实时交互。这种交互作用是双向的：一方面，使用者以自身语言、身体运动和动作等自然技能通过传感设备主动对虚拟环境中的对象施加作用和影响，比如通过数据手套在虚拟空间生成的虚拟的“手”去抓取物体，并且还会感受到物体力的反馈，使用者会体验到物体的重量感；另一方面，虚拟环境中的各种对象也可以通过事先设计的程序对进入虚拟场景的使用者主动施加作用和影响，使用者可以随即做出应变反应。因此，使用者与虚拟现实空间对象的交互作用和影响是双向的，高度接近与自然真实环境的交互，增强了使用者的体验感。三是在虚拟现实场景中，使用者通过传感及反应装置，除了产生视觉和听觉的感知外，还会获得虚拟现实环境施加的触觉、嗅觉、运动觉等多重感知体验，以及虚拟现实环境氛围对使用者的心理影响，从而产生全方位的情感体验。
二、虚拟现实技术应用于现场 勘查能力实训教学的理论基础
建构主义学习理论认为学习是从原有经验出发，生长(建构)起新的经验。[1]该理论强调学习本身是一个动态的过程，个体学习者所进行的相关活动是对环境的反映，需要与社会环境结合才能完成学习，当学习者的情感、社会生活以及学习材料发生作用时，才能完成对知识的理解和掌握。[2]虚拟现实技术在教育领域的应用带来了教育教学方式的变革，它解构了传统的“满堂灌”“填鸭式”教学模式。学习者在逼真的虚拟现实环境中通过视觉、听觉、触觉等反应，借助传感装置与虚拟现实环境中的对象进行实时交互，获得如同现实环境中的体验。在虚拟现实环境氛围中，学习者通过自己的多感官、心理和情感体验，极大地增强了自身学习的主动性和积极性，在与各种对象的交互过程中获得了新的知识和经验，同时整个学习过程也激发了学习者的创造性思维，有助于提高学习者的创新能力，充分体现了“自主、合作、探究”的教学理念。因此，在教学中应用虚拟现实技术很好地契合了建构主义学习理论。
三、虚拟现实技术在现场 勘查能力实训教学中的作用
(一)提高了现场勘查实训的仿真性
传统的现场勘查能力实训教学存在许多模拟失真的问题，例如杀人案件模拟现场的尸体常使用塑料模具代替，这样不能反映案件中尸体的真实状态，如伤口的形态特征、刮擦痕迹以及尸斑颜色，不利于受训学员对受害人身体损伤特征以及嫌疑人作案过程进行分析。而虚拟现实技术通过SketchUp、Open GL、3D Max等建模程序构建虚拟现实环境，并应用计算机图形学中的纹理贴图技术模拟场景，再通过动态加载和人机交互技术使学员在接近真实现场的虚拟现实环境中实现场景漫游，获得身临其境的体验感，提高了实训教学的仿真性。
根据《公安院校公安专业人才现场勘查能力标准》要求，刑事科学技术专业学生毕业前须具备熟练开展十四类刑事案件的现场勘验、检查工作的能力。因此，虚拟现场勘验检查实训模块是整个系统设计的关键。第一，要针对不同类型案件，建立完整的案例数据库，这就需要将真实案件现场及物证图片统一格式导入数据库，以备随时调用建模。第二，要对不同类型刑事案件现场场景进行虚拟设计，对现场中常见的物体，如匕首、枪支、木棍以及室内常见的一些设备大多可以采用3D Max进行建模，对于不常见物体，或需要对常见物体细节特征进行说明时，则采用Open GL纹理贴图技术进行建模。[4]传统的几何造型只能展示物体的形状，而对物体表面的细节特征无法描述，采用纹理贴图技术可以模拟物体表面丰富的纹理细节特征，使虚拟现场场景更接近于真实现场。第三，要建立丰富的案例物证库，在真实现场物证图片导入数据库的基础上，还要将物证细节的各种参数及说明导入数据库，同时根据实训教学的需要，还可以对物证库不断进行扩展。第四，要采用场景漫游软件实现对虚拟现场场景的三维浏览，实训学员可以在虚拟场景中借助传感设备与各种对象进行实时交互，获得接近于真实现场的体验。
(二)有利于资源共享，提高现场勘查实训效率，降低成本
《公安院校公安专业人才现场勘查能力标准》要求刑事科学技术专业的毕业学员具备杀人、爆炸、枪击、抢劫、涉火、暴力恐怖等十四类刑事案件的现场勘查能力，并具有较强的系统思维能力、综合分析研判能力、犯罪现场分析能力、犯罪现场重建能力。不同类型的刑事案件现场勘验、检查的要点不同。现场勘查工作由现场保护、临场处置、现场访问、现场勘验、现场技术和现场分析等内容构成。[3]传统的现场勘查模拟实训教学设计的案例大多来源于一些常见的刑事案件，如杀人、盗窃、抢劫等案件，这几类案件的现场相对比较简单，易于勘查操作，而爆炸、涉火、暴力恐怖、投毒等危险性较大的案件一般未让学员进行勘验实训，并且每一起案件的现场勘查实训都由团队成员分工协作完成，每名学员分配的角色不同，不能对现场勘查所有组成内容进行实训。在虚拟现实环境中，学员通过传感设备可与各种对象进行实时交互，不会受限于传统的现场勘查实训内容，能够独立完成不同类型案件现场所有勘查实训内容。
(三)现场勘查能力实训的内容更全面
一套虚拟现场勘查实训教学系统可以供多名学员使用，并可以根据实训效果有针对性地反复训练，使学员最终完成实训目标，极大地提升了仪器设备的利用率，实现了资源共享。虽然系统软硬件初始投入成本较高，但实训和后期维护成本较低，综合来看有效降低了长期使用成本。
我在院子里发现了一只小蚂蚁。这只蚂蚁，差不多有一粒米那么长，全身乌黑发亮。只见它这边走走，那边逛逛，既像是在认真地寻找食物，又像是在那里独自快乐地玩耍。看着小蚂蚁如此悠闲，我莫名冒出了一个奇怪的念头：蚂蚁怕水吗？它会游泳吗？
(四)打破了传统现场勘查实训时空条件的限制
传统的现场勘查能力实训通常受到时间、场地、环境的限制，实训人数也受到限制。而虚拟现实技术的应用彻底打破了时间、空间的限制，学员可以根据实际情况，通过网络账号登录进入虚拟现实案件现场进行勘查实训。同一实训项目学员可以反复进行，直至完全掌握。教师也可以在虚拟现实场景中进行实时指导，与学员互动，并通过系统网络平台对学员实训内容进行考核评价、答疑，提高实训的质量。
致编者——Parker等（2011）在对中国四川2008年汶川地震后发生的滑坡细致分析中指出，地震滑坡物质估计方量是同震地壳抬升方量的约2～6倍。基于滑坡内的物质会很快被运移出龙门山地区的合理逻辑，他们利用这种差异证明侵蚀看来对物质的移除比地球动力学对龙门山生长作用的过程更快。我赞赏他们的分析，但是我认为他们忽视了一个方面，从而使这一推论变得至多仅仅为似乎合理的，甚至非常可能是虚假的。这一方面就是地壳均衡，即应用于地球的阿基米德原理。该原理当推广到包括弹性表层时，要求在弹性层下面地幔的任何深度压力均相等（Gunn and Frankl，1943）。
(五)有利于学员创造性思维和创新能力的培养
学员在虚拟现实环境中积极主动地融入场景，通过与各种对象的交互过程掌握了知识与技能，同时整个学习过程也激发了学习者的创造性思维，有助于提高学习者的创新能力，对提高公安专业人才现场勘查能力具有重要的意义。
四、基于虚拟现实技术的现场 勘查能力实训教学系统设计
(一)现场勘查实训模块设计
当代艺术强调的是强烈的视觉性，当代公共艺术更是将这种视觉形式强化成与地域、人文、场域、环境等因素相适应的具有在地性的公共文化消费。它主张的是面向公众的艺术展示和具有前沿艺术观念的呈现方式，是一种与当代社会普遍价值相联系的艺术存在。所以，对于这次具有特殊意义的艺术行动，我们打破常规，在文化上强调以沙漠人文为依托；在方式上主张以景观性、互动性为主导；在艺术上选择以抽象与具象性相结合。为了与沙漠的人文地理相呼应，我们在作品的体量、高度、材质以及空间布局上面制定出一个选择标准。为此，为了体现公正、公平的竞争原则，选拔出适合于本次活动的优秀作品，艺委会向全球征稿。
油箱表面增加0.64 m2的肋板，同时将油箱体积增加100 L、200 L(图9)，油液最终温度为94.7 ℃，92.4 ℃。结果表明同时增加肋板和油箱体积也无法将油液温度降低到80 ℃(图10)。
(二)现场分析模块设计
《公安院校公安专业人才现场勘查能力标准》要求刑事科学技术专业毕业学员须具有“较强的犯罪现场分析、犯罪现场重建能力，能够较好地开展案件情况总结汇报工作，并能遵循相关公安行业标准和技术规范，综合运用多种侦查措施(含技侦、网侦、图侦等)开展协同侦查”。因此，在虚拟现场分析模块设计时，教师要根据不同案例，合理设计多种侦查措施的虚拟仿真实训教学，以增强学员的犯罪现场分析能力。
(三)现场重建模块设计
真实的犯罪现场是三维立体的，传统的现场勘查一般以2D相机、录像机来记录现场和物证搜寻工作的信息，而这些信息都是二维平面的，将三维信息转变为二维信息，不可避免地会造成一些重要信息的丢失，对现场重建造成困难。同时，现场勘查报告是检察官和法院了解案情的主要依据，若报告文笔不佳，语意不明，有的甚至是错误的，就会影响检察官和法官对案情的理解。[5]近年来，虚拟现实技术越来越成熟，美国和欧洲一些国家的研究人员和司法部门对虚拟现实技术应用于司法审判进行了探索，[6-8]VR技术可以使侦查人员、检察官、法官更好地体验、了解现场真实的情境，有助于厘清案情，发现事实真相。2018年3月1日，北京市第一中级人民法院在国内首次将VR技术应用于一起故意杀人案的审理，让目击证人戴上VR眼镜，“身临其境”地还原了杀人现场情景。刑事科学技术学员现场勘查能力实训的现场重建模块设计主要是通过虚拟现场重建还原罪犯的犯罪过程，同时可以对现场勘查和现场分析获得的信息进行验证，对这两项工作存在的问题及时反馈并进行完善。
五、结语
《公安院校公安专业人才现场勘查能力标准》对刑事科学技术专业学员现场勘查能力提出了很高的要求，如何快速培养高质量的公安专业技术人才是全国公安院校都需要解决的难题。虚拟现实技术在军事、医学、娱乐、教育等领域的广泛应用，尤其是近年来在刑事司法领域的应用价值被激发出来，将这一技术应用于刑事科学技术专业学员的现场勘查、现场分析、现场重建等模块设计，有利于激发学员兴趣，可以极大地增强学员自主学习能力，提高公安专业技术人才的培养效率和质量。
参考文献：
[1] 张建伟，陈琦．从认知主义到建构主义[J]．北京师范大学学报(社会科学版)，1996(4)：75-82.
[2] 况扬，汪欣.虚拟现实技术在教育教学中的应用[J].中国成人教育，2016(10)：110-112.
[3] 裴煜.虚拟现实技术在现场勘查实训教学中的应用思考[J].湖北警官学院学报，2017(5)：116-121.
[4] 刘晶，查亚兵．基于虚拟现实技术的犯罪现场重建系统设计[J].微计算机信息，2009(21)：166-167.
[5] 李承龙，方圆.虚拟现实与3D动画应用于犯罪现场重建之初探[J].中国司法鉴定，2018(5)：80-87.
[6] Tung N D，Barr J，Sheppard D J，et al. Spherical Photography and Virtual Tours for Presenting Crime Scenes and Forensic Evidence in New Zealand Courtrooms[J].Journal of Forensic Sciences， 2015(3)：753-758.
[7] Schofield D. Animating and Interacting with Graphical Evidence： Bringing Courtrooms to Life with Virtual Reconstructions[J].In Computer Graphics，Imaging and Visualisation，2007：321-328.
[8] Ma M，Zheng H，Lallie H. Virtual Reality and 3D Animation in Forensic Visualization[J].Journal of Forensic Sciences，2010(5)：1227-1231.
[中图分类号] G642
[文献标志码] A
[文章编号] 2095-3712(2019)07-0105-03*
*[基金项目] 湖北省教育科学规划课题“刑事侦查实训教学虚拟仿真应用系统设计与开发”(2018GB040)。
[作者简介] 熊晓波(1977—)，男，湖北钟祥人，博士，湖北警官学院刑事技术与情报系讲师；裴煜(1972—)，湖北警官学院侦查系副教授。
[收稿日期] 2019-01-03
标签：虚拟现实技术论文; 刑事科学技术论文; 现场勘查论文; 实训教学论文; 湖北警官学院刑事技术与情报系论文; 湖北警官学院侦查系论文;