3DMAX技术在枪弹痕迹教学中的应用
朱家成，贾楠
（河南警察学院 刑事科学技术系，河南 郑州 450046）
摘要： 传统枪弹痕迹教学存在教学内容抽象难懂，学生课堂参与度不高，学生动手操作能力和知识应用水平有待提升等不足。3DMAX建模技术具有操作智能简便，建模精确真实；输入输出功能强大，通用程度较高等特点。为改进教学的不足，河南警察学院创造性地将该技术用于枪弹痕迹教学，选择并建立合适的模型，动态展示枪支射击及痕迹形成过程，落实相应的保障措施。实际应用表明，3DMAX技术让教学过程变得直观形象，帮助学生突破重难点，有利于提高学生课堂参与度、团队精神与动手操作能力，培养应用型公安人才。
关键词： 枪弹痕迹教学；3DMAX技术；虚拟仿真模拟
近年来，我国反恐维稳形势日益严峻，涉枪案件时有发生。在枪击案件现场中，往往会留下犯罪分子射击后的弹头、弹壳及相应枪弹痕迹。对现场枪弹痕迹进行分析，确定射击枪支种类，是枪击案件的重点工作,枪弹痕迹是重要的现场物证。枪弹痕迹是刑事科学技术专业课程，学生需要通过学习，掌握不同枪支构造及相应的射击循环动作，正确理解和掌握弹头和弹壳在不同枪支内的运行轨迹及形痕特点，并对相应的痕迹物证进行分析应用，从而更好指导将来实际工作，促进工作效率提升。然而传统枪弹痕迹教学中，往往过分强调理论知识讲解，教学内容抽象难懂，学生实践训练不足，不利于提升教学效果。为改变这种情况，河南警察学院创造性地将3DMAX技术创造性地运用到枪弹痕迹教学，并取得良好效果。
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一、枪弹痕迹教学存在的难点
枪弹痕迹学又称验枪学，研究对象包括枪支枪弹、枪弹痕迹、弹道特性、检验技术和弹痕应用等。就是运用痕迹检验一般原理、技术方法以及枪支、枪弹、内外弹道等科学知识，对枪支发射后留在弹头、弹壳和目标物上的痕迹、射击残留物进行分析鉴定，进而判断发射枪种、枪支，从而去寻找持枪人。还可以确定射击距离，判明案件性质，从而达到揭露犯罪、证实犯罪的目的。[1]然而，由于部分任课老师思想观念陈旧，教学方法单一，传统枪弹痕迹教学中，主要存在以下问题。
水轮发电机组状态监测与诊断往往会涉及到机组运行状态信息数据的测量、采集、记录、处理、传递以及存储等。随着计算机技术的进步，为实现水轮发电机组状态在线监测与故障诊断创造了良好的条件。水轮发电机组在线监测与故障诊断系统往往需要满足以下特点：
（一）教学内容抽象难懂，增加学生学习难度
例如，枪支内部结构精密，射击循环动作复杂连贯，枪支不透明，导致学生在学习过程中感觉抽象难懂。而传统教学方法主要以理论讲解为主，难以直接形象展现子弹形痕过程，加大学生学习的难度。此外，枪支运动以及形痕过程复杂，弹头、弹壳作为承痕客体在运动过程中要受到多种造痕体、作用力的作用。仅靠传统的教学方法无法生动直观地展现子弹形痕过程，导致教师难教，学生难学，部分学生甚至存在畏难情绪，难以有效掌握这部分内容。
（二）可能存在安全隐患，难以提高学生课堂参与度
例如，枪支型号是不一样的，且种类多种多样。然而在实际教学中，实验室的枪支种类不齐全，没有数量足够的枪支提供给每个学生进行分解操作。而使用实物枪支为学生讲解并展示，不仅缺乏实际条件，还可能存在一定的安全隐患。因此，教学中往往只能依靠理论讲解，为学生进行实物展示的条件不具备，制约学生课堂参与度提升，在一定程度上也影响教学效果提升。
（三）理论与实践脱节，不利于提高学生动手操作能力和知识应用水平
综上所述，传统枪弹痕迹教学中，往往强调理论知识讲解和分析，难以为学生进行实物展示。学生很难将抽象的三维概念与实际相结合，也无法正确理解枪弹痕迹形成的原理，导致理论与实践相脱节，很难达到课程的预期目标，不利于提高学生动手操作能力和知识应用水平，也影响应用型人才培养。
二、3DMAX建模技术特点及应用现状
3D建模就是通过三维制作软件构建出立体感官的虚拟仿真模型，操作者通过操作与虚拟环境交叉反馈，达到仿真效果。3DMAX是由美国的AutoDesk公司基于PC系统开发的一种基于矢量的三维造型和动画设计软件，它可以制作出非常逼真的三维实体及动画特效[2]。
（一）3DMAX建模技术特点
3DMAX建模技具有以下显著特点。
1.操作智能简便，建模精确真实
我至今都搞不清楚，小六子这小家伙当时不知哪来那么大的力气。他还没有等我把东西放在炕上，他甚至没等我有任何条件反射的情况下，就抡起他父亲的那根镐柄……
3DMAX建模方式多样，功能强大，可操作性强，通过对实物1:1的精确测量后计算为模型坐标值，建立的模型能充分表现立体特征。同时与其他三维建模软件相比也具有较大优势，如与AutoCAD相比易用性、直观性较强，与Rihno相比最终渲染效果要好，与Maya相比对系统配置要求相对较低[3]；
在对64式手枪建模前，要详细测量其各个部位的尺寸，以保证模型精确性。64式手枪由四十多个零件组成，重点测量的是与子弹形成痕迹有关的主要部件，包括枪管、弹匣、枪击匣、击针、指示杆、弹底窝、拉壳钩、抛壳挺、套筒、复进簧等。3DMAX软件7.0中文版启动界面如图1所示。
复合对象建模可将两个或两个以上的三维几何体或二维几何体相加、相减或相交，从而创建出另外一个三维物体。其中运用最多的是图形合并和布尔运算。图形合并可将二维图形和三维物体结合，在三维物体表面描绘花纹等，例如创建枪柄U型护板上的五角星。而布尔运算可以灵活处理一些缺口或者凸体的模型，例如创建手枪准星缺口等。使用复合对象建模制作出的模型比较简单，复杂建模则需采用三维造型建模方法。
3.运用范围普遍广泛
普法内容与时俱进。随着不动产统一登记工作的深入与完善，群众对不动产统一登记工作的普法需求不断提升，依据新常态和新问题，普法工作反映及时、应对迅速，依托“国土讲师团”平台，主动深入基层送服务，不定期组织讲师对权限下延的镇（街道）村级组织开展不动产登记业务培训，延伸市不动产登记服务中心不动产申报辅导机制。
对于“女佛山后寺萧涧秋”寄来的信,个个奇怪,连阿荣和学生。看完信后,陶慕侃“怅怅”,“他失望地将信交给陶岚,陶岚发抖地读了一遍,默了一忽,眼含泪说:‘哥哥,请你到上海去找萧先生回来。’”
（二）3DMAX建模技术的应用现状
在不断推动教育现代化2.0进程的当今时代，由于3DMAX建模优越技术特点，也已被国内外各高校广泛运用于物理、化学、医学、建筑等实践教学领域。如利用3DMAX创建三维虚拟实验室，通过观察体验场景、设计规划并验证、模拟演练、数据处理等功能，来解决教学中的难点，尤其适用以下条件的实验或实训：高昂的物质或时间成本（如船舶动力）、高度危险或恶劣的环境（如核能技术）、不可直接接触或不可逆的操作（如人体解剖）等[4]。然而通过调查研究，在现今公安教育领域，3DMAX建模这项技术还未得到充分运用。
（三）本文的研究思路
针对传统枪弹痕迹教学存在的难点，本项目将3DMAX技术创新性运用到公安实践教学领域，打破传统以知识讲解为中心，教师为主体的教学模式。针对3DMAX软件优势和枪弹痕迹教学特点，将传统枪弹痕迹教学方法与3DMAX建模技术相结合，让学生在课上理论学习的基础上，课下选取54式手枪、64式手枪、77式手枪、56式步枪、81式步枪等常见制式枪支，通过对其结构的精确测量，运用3DMAX软件制作表现枪支的基本结构、子弹运行方式、痕迹形成过程等内容，并进行虚拟仿真模型。[5]通过以上实践应用，来解决传统枪弹痕迹教学中的问题与难点。
3DMAX建模通过运用计算机图形生成和图形处理功能模仿真实现象或理论模型，现已广泛应用于工业产品制造，艺术设计，建筑装饰，城市虚拟建设，医学仿真模拟，科学可视化，影视制作等诸多领域。
三、3DMAX技术在枪弹痕迹教学中的应用过程
为改进传统枪弹痕迹教学的不足，河南警察学院将3DMAX技术创造性地用于教学，并综合采取以下策略。
（一）选择并建立合适的模型
本次教学实践改革选取河南警察学院刑事技术系大三枪弹痕迹教学班级的同学，组建5-8人的若干学习小组。通过任务驱动方式，教师在课堂理论讲解基础上，课下给各小组分配枪支建模任务，引导各小组学生主动学习运用3DMAX软件并结合枪弹痕迹知识，对54式手枪、64式手枪、77式手枪、56式步枪、81式步枪等常见制式枪支进行三维建模应用研究，将对整个枪弹痕迹的学习过程贯穿始终。
因免费医学生未来就业等多方面因素，其心理健康及其与普通医学生是否存在差异已得到越来越多的研究者关注。有研究表明，免费医学生生命意义感在乐观和生活满意度之间起中介作用[13]；有研究认为，因毕业前途问题及学校、社会缺乏必要的幸福教育，免费医学生主观幸福感偏低[14]；也有研究者通过SCL-90测试免费医学生和普通医学生，发现免费医学生心理健康水平偏低[15]；也有研究发现，免费医学生在职业价值观等方面与普通医学生存在差异[16]。上述研究均表明，免费医学生的心理健康问题及有效干预值得关注。
1.枪支的选取与测量
在对64式手枪各部位尺寸进行测量记录后，开始建模。首先将各测量值计算转化为3DMAX中建模所需的具体坐标值，再使用3Dmax中的相关命令进行建模。建立模型的过程中，主要运用3Dmax中的复合对象建模、三维造型建模等方法。[6]
（1）以 AMPS、AA、AM为单体，APS 为引发剂，合成了一种共聚物缓凝剂CA，并通过正交试验和单因素实验优选了CA的最佳合成条件并进行了IR表征。
2.输入输出功能强大，通用程度较高
图1 3DMAX软件界面
2.枪支三维模型的建立
“威县是典型的农业大县，产业振兴是乡村全面振兴、全面建成小康社会的根本和出路。”商黎英告诉记者，近年来，威县围绕“农民富、农业强、农村美”的目标，特聘请中国农科院高标准编制了《威县现代农业示范区总体规划》，大力推进现代农业“三带三园”建设，绘就了一幅“十里荷塘、十里鸡鸣、百里菜廊、万亩果香”的现代农业新画卷。
64式手枪是我国自行研制的第一种警用手枪，具有体积小、重量轻、射击精度好、结构紧凑、操作方便、易于维修等特点。该枪使用国产64式7.62毫米手枪弹，采用自由枪机式自动方式，惯性闭锁装置，装有联动击发、空仓挂机、弹膛有弹指示等机构。64式手枪因其优越性能，是目前公安干警常配枪支，也常被犯罪分子仿造自制，是枪击案件现场中的常见枪支。因此，选取64式手枪射击痕迹进行动态建模具有代表性。接下来将以64式手枪射击痕迹的动态建模为例，对整个建模运用过程进行详细讲解。
现今能够进行模型设计的软件超过几十种，但几乎所有的软件都有其自身的特定格式后缀，如3DMAX的特定格式为.max格式文件，但是各个软件之间能够通用的却不多。而3DMAX的软件转换功能强大，可以直接导出20多种文件格式，基本上涵盖了当今主流设计软件的所有格式，这为后期的检测修改，输入输出提供了极大的便利；
三维造型建模比较常用方式是多边形建模和修改器建模。多边形建模首先在视图中创建标准几何体或扩展几何体，如长方体、圆柱体等。其次将创建好的基本几何体转换为可编辑多边形，在多边形的顶点层级、边层级、边界层级、多边形层级和元素层级进行编辑调整，最后通过挤出、倒角、连接、弯曲、扭曲等命令修改形状，塑造出需要的复杂几何模型。整个枪支、子弹三维模型的建立，运用最多的是多边形建模。
修改器建模可分为二维图形修改和三维模型修改两部分。二维图形修改可使二维图形变成三维效果，比如运用“挤出”修改功能，可使一些二维图形变成有高度有厚度的三维实体。[7]三维模型修改则可改变三维模型本身形态，例如，使用其中的“FFD”修改功能可放大或缩小模型的部分区域，用来建立一些截面非圆形的弹簧。使用“网格平滑”修改功能，可使枪支、子弹模型表面变得更加光滑。
通过以上各种方法灵活运用，建立64式手枪的三维模型。模型一旦建成，可以多方位、任意视角地进行观察和学习。枪管模型、枪击匣模型、弹匣模型、64式7.62mm手枪弹模型、枪支整体结构模型分别如图2、图3、图4、图5、图6所示。
图2 枪管模型
图3 枪击匣模型
图4 弹匣模型
图5 64式7.62mm手枪弹模型
图6 枪支整体结构模型
（二）动态展示枪支射击及痕迹形成过程
在对64式手枪进行3Dmax建模后，形成只是静态模型，接下来就要通过动画展现方式，将静态模型转变成动态模型，从而动态展现枪支和子弹运动情况及痕迹形成全过程，主要运用动力学（MassFX）和关键帧动画、摄影机等功能。[8]
创建动画过程中，可以通过设置动力学（MassFX）工具栏中的各项参数，如初速度、密度、摩擦力等，结合物理知识使枪支和子弹的状态与真实情况统一。然后运用关键帧动画（帧速率选取NTSC模式，30帧/秒），把握好连续的击发动作之间的时间间隔，在相应的时间段创建动画，使整个动画尽可能还原真实的枪支射击过程和子弹形成痕迹过程。[9]关键帧及预期效果如表1所示。
表1 关键帧与预期的动画效果
动画完成后，我们只能在一个视图中观看枪支和子弹运动情况，这时需使用摄影机这一功能。通过在时间轴和路径轴上的运动切换，将运动过程中的枪支和子弹以连贯、合理的视角展现出来，在不同时间点转换不同视图，达到全方位，多角度观察目的。
通过上述操作，就能实现对64式手枪射击及其痕迹形成过程的动态模拟，手枪射击的完整动作展示、装弹过程及痕迹形成展示、发射过程及痕迹形成展示、退壳过程及痕迹形成展示效果分别如图 7、图 8、图 9、图 10 所示。
图7 手枪射击的完整动作展示
图8 装弹过程及痕迹形成展示
图9 发射过程及痕迹形成展示
图10 退壳过程及痕迹形成展示
以上就是学生灵活运用3DMAX建模技术，建立的64式手枪射击痕迹动态模型全过程。54式手枪、77式手枪、56式步枪、81式步枪等其他枪支的射击痕迹动态模型建立方法与64式手枪一致，在此不赘述。
（三）落实相应的保障措施
例如，成立由系主任、副院长牵头的枪弹痕迹教学改革领导小组，进行整体规划与协调，组织任课老师召开教改研讨会，制定教学改革方案，推动3DMAX技术在枪弹痕迹教学中得到更好应用。合理安排资金支出，做好资金预算工作，满足硬件设备采购和3DMAX技术应用的资金需求，加强设备日常检测与维修，确保3DMAX技术满足教学需要。此外还注重对任课教师培训，转变他们的思想观念，注重创新教学方法，改变传统的“以老师讲解为主”的教学模式，注重发挥学生在课堂教学的主体作用，将理论教学与实践教学结合，认真组织学生参加实践锻炼，推动3DMAX技术在枪弹痕迹教学中得到有效应用。
四、3DMAX技术在枪弹痕迹教学中的应用效果
教师通过引导学生运用3DMAX技术建立枪支射击痕迹的动态模型，将3DMAX技术运用到枪弹痕迹教学，取得良好效果。
沙朗舞的腿部动作多与脚下的步法相互配合，脚下步法主要有连续踏步，前后跨步，侧向切步，左、右划圆绕步及侧身交叉步组成。伴随着歌唱的节奏，一般以右脚踏步作为开始动作，继而过渡到左脚，有规律地左右转换踏步，脚步动作随着上肢动作的改变而改变，并与之相协调。沙朗舞脚步动作的变换都是在小范围内完成的，很少有大幅度的跳跃和跨步，从而使得沙朗舞步十分灵活多变。
黄河是一条变迁无常的河流，有史以来曾经发生过多次大小规模不等的改道。据史料记载，黄河下游的决口共有1500余次，较大的改道26次，平均每三年就有2次决口，100年即有一次大的改道[1]。远古的黄河下游是一直在渤海湾西岸区和江苏北部平原之间游荡入海的，现在的黄河下游河道是在清代咸丰五年（1855年）改道后逐渐稳定下来的[2]在西起郑州、北至天津、南到淮河口的黄淮海大平原上到处都留下了变迁的轨迹。本文仅综合已有的研究资料，对黄河下游河道的改道情况作一下梳理，以期对这一问题有比较明确的认识。黄河的变迁主要指的是黄河下游河段的变动。
（一）让教学过程变得直观形象，帮助学生突破重难点
枪支内部结构精密，枪支无法透视，枪支运动以及痕迹形成过程复杂，传统教学方法无法生动直观展现子弹在枪支内的痕迹形成过程。通过3DMAX模型建立，突破三维空间限制，制作出立体真实的虚拟仿真模型。模型一旦建立，学生就可以从各方位，以任意视角对枪弹痕迹进行观察分析，从而让教学过程变得直观形象，突破教学的重点与难点。课后通过与学生的交流和访谈得知，1701班李同学表示“3DMAX技术能较为详细地展示子弹在枪支内的痕迹形成过程，让教学过程变得直观形象，能让我从不同角度观察和分析，有利于更好思考和学习。”1701班林同学则表示“以前枪弹痕迹这部分内容学习难度较大，而应用3DMAX技术让教学内容直观形象，模型的建立能帮助我突破学习中的重难点，激发我的学习兴趣”。
（二）消除安全隐患，提高学生课堂参与度
通过3DMAX技术应用，能构建出一些高度危险的故障枪支，或者实验室没有的其他枪支模型。这样不仅能消除安全隐患，而且让学生了解更多枪支类型。此外，枪支属于严格管控物品，学生平时很少有机会接触到枪支。传统枪弹痕迹教学中，教师作为课堂活动主体，在课上进行讲解和演示，学生无法亲身参与其中。而将3DMAX建模技术运用到枪弹痕迹教学，能改变传统教学模式，以学生为主体，进而提高学生的课堂参与度，让学生在实践操作中，主动学习、主动思考。
（三）构建良性互动模式，提高学生团队精神与动手操作能力，培养应用型公安人才
教学中将每5-8名学生分为一个学习小组，给每个小组分配不同枪支3DMAX建模任务。每个小组要定期进行学习进度汇报，教师进行讲解指导。在这一过程中，教师会引导学生去探究并解决学习中遇到的问题和难点，消除学生的不适性和畏难情绪，有效调动学生的学习兴趣。进而让学生在“学中做，做中学”，构建以教师为引导，学生自主学习的良性互动模式。此外，通过任务驱动方式，每个学习小组围绕学习任务，细化分工、相互配合，在具体问题的驱动下，学生不仅要不断学习运用课程所学的枪弹痕迹知识，还要主动探究学习其他学科的相关知识内容。在这一过程中，不仅会提高学生的独立思考能力和解决问题能力，还能提高学生团队合作精神与动手操作能力，让学生在实践操作中学习并掌握知识，真正成为高素质的应用型公安人才。
五、结语
实践证明，将3DMAX技术与枪弹痕迹教学相结合，不仅能优化教学内容，改进教学方法，突破教学难点，还能有效调动学生学习兴趣，提高学生综合能力，对服务于公安教学，培养高素质、应用型公安人才具有重要意义。
同时，在教学实践中，我们还发现本研究成果对服务公安一线实战也具有较强价值。枪击案件中，犯罪枪支多种多样，有军用、警用等制式枪支，也有犯罪分子自制的非制式枪支。无论是何种枪支，我们都可以通过3DMAX建模技术来模拟其射击和痕迹形成过程，从而为侦查破案、检验鉴定提供帮助。
下一步，我们不仅会继续对其他枪支进行建模研究，争取早日建立起常见枪支的痕迹模型库。还会将本方法与新兴3D打印技术和VR技术相结合，例如，利用3DMAX文件的格式转化功能，转化成STL格式，利用3D打印机进行输出打印，将虚拟的三维枪支、子弹模型打印成实实在在的物体，从而为枪弹痕迹检验提供一种新兴技术手段，使其更好地服务于课程教学和实践活动。
参考文献：
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Application of 3DMAX Technology in the Teaching of Bullet Traces
ZHU Jiacheng,JIA Nan
（Henan Police College,Zhengzhou 450046,China）
Abstract: The traditional teaching of bullet traces has some shortcomings,such as abstract and difficult teaching contents,low participation in class,and poor operational ability and knowledge application.3DMAX technology has the advantages of simple and intelligent operation,accurate modeling,powerful input and output,and high generality.In order to improve the deficiency of teaching,Henan Police College has creatively applied this technology to the teaching of bullet traces,selected and established appropriate models,dynamically displayed the process of gun shooting and mark formation,and implemented corresponding safeguard measures.The practical application shows that 3DMAX technology makes the teaching process intuitive,helps students break through difficulties,improves students'participation,cultivates team spirit and operational ability,and thus trains application-oriented police talents.
Keywords: Bullet traces teaching;3DMAX technology;Virtual simulation
中图分类号： D918.91
文献标识码： A
文章编号： 2095-2384（2019）05-0037-08
收稿日期： 2019-10-06
第一作者简介： 朱家成（1992-），男，河南郑州人，硕士，河南警察学院刑事科学技术系助教，主要从事痕迹检验方面的研究。
（责任编辑 穆 静）
标签：枪弹痕迹教学论文; 3DMAX技术论文; 虚拟仿真模拟论文; 河南警察学院刑事科学技术系论文;