虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在公安實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用淺析

李 雄 韓岞宏 陶秋辰

在信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)適應(yīng)公安實(shí)訓(xùn)信息化發(fā)展新趨勢(shì)，形成了“虛實(shí)結(jié)合，以實(shí)為主”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的建設(shè)新方向，這對(duì)新時(shí)代公安隊(duì)伍培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型、創(chuàng)新型公安人才具有重要意義。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)概述

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)概念

什么是虛擬仿真？有關(guān)學(xué)者把“虛擬仿真（Virtual Reality）”稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”或“模擬技術(shù)”，就是用虛擬系統(tǒng)模仿真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。從狹義上講，虛擬仿真是指從20世紀(jì)40年代伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一類實(shí)驗(yàn)研究的新技術(shù)；從廣義上講，虛擬仿真則是在人類認(rèn)識(shí)自然界客觀規(guī)律的歷程中一直被有效地使用著。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真技術(shù)逐步自成體系，成為繼數(shù)學(xué)推理、科學(xué)實(shí)驗(yàn)之后人類認(rèn)識(shí)自然界客觀規(guī)律的第三類基本方法，而且正發(fā)展成為人類認(rèn)識(shí)、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項(xiàng)通用性、戰(zhàn)略性技術(shù)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，包括計(jì)算機(jī)視覺(jué)、視覺(jué)生理學(xué)、視覺(jué)心理學(xué)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、軟件工程、語(yǔ)音識(shí)別與合成技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種高新技術(shù)集成之結(jié)晶，即利用計(jì)算機(jī)技術(shù)呈現(xiàn)的虛擬的環(huán)境、人、事、物等，通過(guò)虛擬操作完成實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容。

國(guó)內(nèi)較早清晰完整定義“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的是我國(guó)學(xué)者王娟，她認(rèn)為“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”是指借助仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的、蘊(yùn)涵大量信息、可以被利用的各種顯現(xiàn)的或潛隱的條件和要素，主要涉及基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料（素材、案例、影視、動(dòng)畫(huà)、圖片、課件、教具等）、實(shí)驗(yàn)軟件、支持系統(tǒng)等，通常包括仿真模型、仿真數(shù)據(jù)、仿真軟件和仿真平臺(tái)。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的原理

虛擬仿真實(shí)際上是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界（Virtual World）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。此種虛擬世界由計(jì)算機(jī)生成，可以是現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)，亦可以是構(gòu)想中的世界，用戶可借助視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等多種傳感通道與虛擬世界進(jìn)行自然的交互。它是以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維虛擬世界,并通過(guò)頭盔顯示器（HMD）等輔助傳感設(shè)備，提供用戶一個(gè)觀測(cè)與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

1.沉浸性。在虛擬仿真系統(tǒng)中，使用者可獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)感覺(jué)等多種感知，從而獲得身臨其境的感受。理想的虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)該具有能夠給人所有感知信息的功能。

2.交互性。在虛擬仿真系統(tǒng)中，環(huán)境能夠作用于人，人也可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制，而且人是以近乎自然的行為（自身的語(yǔ)言、肢體的動(dòng)作等）進(jìn)行控制的。虛擬環(huán)境還能夠?qū)θ说牟僮饔枰詫?shí)時(shí)的反應(yīng)。當(dāng)飛行員按“導(dǎo)彈”發(fā)射按鈕時(shí)，會(huì)看見(jiàn)虛擬的“導(dǎo)彈”發(fā)射出去并跟蹤虛擬的目標(biāo)，當(dāng)“導(dǎo)彈”碰到目標(biāo)時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，能夠看到“爆炸”的碎片和火光。

3.虛幻性。該系統(tǒng)呈現(xiàn)的環(huán)境是虛幻的，是由人利用計(jì)算機(jī)等工具模擬出來(lái)的。既可以模擬客觀世界中以前存在過(guò)的或現(xiàn)在真實(shí)存在的環(huán)境，也可模擬出客觀世界中當(dāng)前并不存在的但將來(lái)可能出現(xiàn)的環(huán)境，還可模擬客觀世界中并不會(huì)存在的、僅僅屬于人們幻想的環(huán)境。

4.逼真性。虛擬仿真系統(tǒng)的逼真性表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，虛擬環(huán)境給人的各種感覺(jué)與所模擬的客觀世界非常相似，如同在真實(shí)世界一樣；另一方面，當(dāng)人以自然的行為作用于虛擬環(huán)境時(shí)，環(huán)境做出的反應(yīng)也符合客觀世界的有關(guān)規(guī)律，如當(dāng)給虛幻物體一個(gè)作用力，該物體的運(yùn)動(dòng)就會(huì)符合力學(xué)定律，會(huì)沿著力的方向產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，當(dāng)它遇到障礙物時(shí)將會(huì)被阻擋。

(四）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用現(xiàn)狀

利用先進(jìn)的信息技術(shù)來(lái)推動(dòng)教育教學(xué)的發(fā)展越來(lái)越受到我國(guó)教育界的重視。2008年教育部頒發(fā)文件，明確指出職業(yè)教育要“大力推動(dòng)仿真、多媒體課件等數(shù)字化教學(xué)資源開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)解決常規(guī)的教學(xué)手段、技術(shù)、設(shè)施設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)問(wèn)題，重點(diǎn)滿足教學(xué)需求急迫且覆蓋面較大的模擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需要”。2012年，教育部在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中強(qiáng)調(diào)要充分發(fā)揮信息技術(shù)在職業(yè)教育各環(huán)節(jié)中的支撐作用，建設(shè)優(yōu)質(zhì)的職業(yè)教育數(shù)字化資源，并明確提出要完成1500套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)。

在虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展中，國(guó)內(nèi)外大部分學(xué)者對(duì)虛擬仿真資源的界定是相對(duì)模糊的，但他們?cè)谝庾R(shí)上卻很默契地達(dá)成了共識(shí)，即認(rèn)為虛擬仿真主要是依靠虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真技術(shù)進(jìn)行的。而仿真技術(shù)的發(fā)展較虛擬技術(shù)應(yīng)用更早，在20世紀(jì)初仿真技術(shù)就已經(jīng)包含仿真硬件、仿真模型、仿真數(shù)據(jù)和仿真軟件等。

隨著技術(shù)手段的不斷成熟，虛擬仿真已經(jīng)成為一種趨勢(shì)、一種科技的象征。2018年，平昌冬奧會(huì)北京文藝表演正是借助虛擬仿真系統(tǒng)，讓該系統(tǒng)充當(dāng)導(dǎo)演的“眼睛”和“指揮棒”。在2020年新型冠狀病毒疫情的影響下，線上教學(xué)模式發(fā)展迅速，很多高校利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)展線上實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。一些普通高校已經(jīng)建立有較為成熟的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，如山東農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家級(jí)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心構(gòu)建了較為完善的平臺(tái)建設(shè)及管理體系，建立了“現(xiàn)代農(nóng)場(chǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”等4個(gè)虛擬仿真教學(xué)模塊。

二、公安實(shí)訓(xùn)應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要涵蓋8大類，集中在醫(yī)學(xué)，工業(yè)設(shè)計(jì)等方面。虛擬仿真解決了世界性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)的難題，也有效彌補(bǔ)了動(dòng)手能力不足的短板。如果在公安實(shí)訓(xùn)中重視并加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，這將對(duì)民警素質(zhì)的提高起到推動(dòng)作用，在卓越拔尖人才的培養(yǎng)方面具有重要意義。

（一）公安實(shí)戰(zhàn)化發(fā)展的必然趨勢(shì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用推廣是公安實(shí)戰(zhàn)化的必然趨勢(shì)，是公安實(shí)訓(xùn)體系建設(shè)不可或缺的部分。公安隊(duì)伍作為特殊執(zhí)法隊(duì)伍建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是必然選擇。目前，我國(guó)公安隊(duì)伍實(shí)訓(xùn)教學(xué)面臨實(shí)訓(xùn)內(nèi)容危險(xiǎn)性高、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大、實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源限制、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容滯后等問(wèn)題，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用為解決這些問(wèn)題提供了思路。建設(shè)具有公安特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，這將是公安實(shí)訓(xùn)教學(xué)的突破，以“虛實(shí)結(jié)合，以實(shí)為主”為中心建設(shè)實(shí)訓(xùn)課程體系，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合將成為未來(lái)公安隊(duì)伍實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系建設(shè)發(fā)展的方向，也是公安實(shí)訓(xùn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

（二）公安隊(duì)伍人才培養(yǎng)的需要

隨著教育信息化的不斷發(fā)展，公安隊(duì)伍應(yīng)以培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型、創(chuàng)新型公安人才為人才培養(yǎng)方向和目標(biāo)。公安隊(duì)伍人才培養(yǎng)過(guò)程既要充分保證公安實(shí)戰(zhàn)技能的掌握，又要兼顧創(chuàng)新思維能力的引導(dǎo)。傳統(tǒng)的公安實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往側(cè)重于公安實(shí)戰(zhàn)技能的培養(yǎng)，而將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到公安實(shí)驗(yàn)教學(xué)，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充，則可在提高民警公安實(shí)戰(zhàn)技能的同時(shí)，有效提升民警的創(chuàng)新思維能力，這對(duì)新時(shí)代高素質(zhì)公安人才的培養(yǎng)大有裨益。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在公安實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（一）降低實(shí)訓(xùn)的危險(xiǎn)性

公安實(shí)訓(xùn)內(nèi)容存在一定的不可控制性和未知性，比如射擊實(shí)訓(xùn)、爆破實(shí)訓(xùn)、特種駕駛技能、危險(xiǎn)性現(xiàn)場(chǎng)重建以及刑事化驗(yàn)等實(shí)訓(xùn)中可能接觸到的毒物毒品，都具有一定的危險(xiǎn)性。鑒于公安實(shí)訓(xùn)的特殊性，公安民警在學(xué)習(xí)掌握理論知識(shí)的同時(shí)更要將理論知識(shí)實(shí)戰(zhàn)化，并在實(shí)踐教學(xué)的過(guò)程中積累辦案經(jīng)驗(yàn)或提高專業(yè)技能，因此公安實(shí)訓(xùn)課往往需兼顧理論知識(shí)和實(shí)戰(zhàn)價(jià)值。如何最大限度模擬實(shí)戰(zhàn)情況同時(shí)又確保安全性，是公安實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注的核心問(wèn)題，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以將實(shí)訓(xùn)的危險(xiǎn)性大大減低。

（二）降低實(shí)訓(xùn)成本

由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)近乎零損耗且對(duì)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地需求很低的特點(diǎn)，可以減少實(shí)訓(xùn)設(shè)備和耗材的購(gòu)置費(fèi)用，降低實(shí)訓(xùn)室基本建設(shè)、維護(hù)費(fèi)用，從而有效降低實(shí)訓(xùn)成本。同時(shí)，由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以循環(huán)使用且便于管理，這大大提高了實(shí)訓(xùn)設(shè)備的使用壽命，降低了實(shí)訓(xùn)教學(xué)投入的人力成本，減少了實(shí)訓(xùn)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用及實(shí)訓(xùn)室的管理成本。

（三）豐富公安實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

實(shí)訓(xùn)課程往往受實(shí)訓(xùn)種類所限，形式較為單調(diào)，一些較為復(fù)雜或反應(yīng)周期較長(zhǎng)的實(shí)訓(xùn)在日常訓(xùn)練中往往無(wú)法開(kāi)展。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驖M足絕大多數(shù)公安實(shí)訓(xùn)課程的需要，這可以有效豐富民警實(shí)訓(xùn)種類。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，實(shí)訓(xùn)教學(xué)形式也不再拘泥于傳統(tǒng)。

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入實(shí)訓(xùn)鍛煉亦可大大豐富理論教學(xué)形式，運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂演示可有效避免理論課程的乏味和枯燥感。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也為遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了更為豐富的教學(xué)思路和強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

采取虛擬仿真和傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的方式，形成以實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練為中心的實(shí)訓(xùn)教學(xué)新模式，使得教學(xué)模式更加科學(xué)，組織設(shè)計(jì)更加合理，實(shí)踐教學(xué)效果更加顯著。

（四）提高培訓(xùn)質(zhì)量和效率

由于公安實(shí)訓(xùn)具有其特殊性，部分專業(yè)實(shí)訓(xùn)室或?qū)I(yè)設(shè)備僅在實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)可以開(kāi)放使用，平時(shí)訓(xùn)練存在很大的問(wèn)題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以從根本上解決平時(shí)實(shí)訓(xùn)鍛煉少的問(wèn)題，有效提升實(shí)訓(xùn)質(zhì)量，同時(shí)提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)效率。同時(shí)，由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)本身的優(yōu)勢(shì)，教學(xué)時(shí)可充分激發(fā)民警積極性，引導(dǎo)民警自主開(kāi)展實(shí)訓(xùn)，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)線上線下相結(jié)合的模式，既可以減輕培訓(xùn)專家的教學(xué)任務(wù)，又可以提升民警的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，還可以提高培訓(xùn)質(zhì)量和效率。

（五）培養(yǎng)民警創(chuàng)新實(shí)踐能力

公安實(shí)訓(xùn)教學(xué)以民警基礎(chǔ)技能、實(shí)操水平的訓(xùn)練、創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)為目的，形成“基礎(chǔ)能力—綜合能力—?jiǎng)?chuàng)新能力”逐漸上升的能力培養(yǎng)層次，形成“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—?jiǎng)?chuàng)設(shè)問(wèn)題—掌握知識(shí)技能—解決問(wèn)題”的綜合能力培養(yǎng)體系。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為公安隊(duì)伍的實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了更大的發(fā)展空間。這不僅大大提升了實(shí)訓(xùn)效率，而且還有效地提升了民警的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)復(fù)合型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型的高素質(zhì)公安人才提供助力。

四、結(jié)語(yǔ)

在信息化快速發(fā)展的當(dāng)下，公安工作亟需高素質(zhì)的復(fù)合型人才。公安培訓(xùn)要本著服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略需求，以提高人才素質(zhì)為核心，培養(yǎng)高質(zhì)量的公安人才為目的，注重實(shí)訓(xùn)教學(xué)，激發(fā)民警創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)綜合能力，為公安隊(duì)伍輸入適應(yīng)性強(qiáng)、綜合水平高、創(chuàng)新能力強(qiáng)的公安人員。公安培訓(xùn)應(yīng)積極建設(shè)信息化的實(shí)訓(xùn)課程體系，虛擬仿真作為一種手段，是傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)的補(bǔ)充。公安實(shí)訓(xùn)課程的建設(shè)應(yīng)充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的輔助作用。但鑒于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)缺乏真實(shí)性、還原度不高等缺點(diǎn)，實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持虛實(shí)結(jié)合、以實(shí)為主的建設(shè)主線，不斷提升實(shí)訓(xùn)課程開(kāi)展的廣度、深度。