虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

夏水秀，顧芝亞，李永生

（1.蘇州大學(xué)法醫(yī)學(xué)系，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州市公安局吳中分局，江蘇 蘇州 215000）

法醫(yī)物證學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)是法醫(yī)物證學(xué)教學(xué)的重要組成部分。通過該課程的學(xué)習(xí)，專業(yè)學(xué)生應(yīng)達(dá)到能夠獨(dú)立完成犯罪現(xiàn)場(chǎng)的勘驗(yàn)，生物物證樣本的發(fā)現(xiàn)、提取、送檢、檢驗(yàn)、保存，以及正確、有效地評(píng)價(jià)和利用鑒定結(jié)果，為案件提供科學(xué)客觀的線索，為法庭審判提供科學(xué)證據(jù)。虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)，又稱虛擬仿真技術(shù)，是一種多源信息融合的三維動(dòng)態(tài)視景的仿真系統(tǒng)，用戶通過人機(jī)交互模式借助視覺、觸覺、聽覺與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互、實(shí)時(shí)感知并操作虛擬世界中的各種對(duì)象，從而達(dá)到身臨其境的效果[1]。本文從VR技術(shù)應(yīng)用于法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性、可行性、研究?jī)?nèi)容、意義等方面進(jìn)行論述，闡明VR技術(shù)有望成為法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新方向，成為一種重要的法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助手段。

1 VR技術(shù)在法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的必要性

《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函[2013]94號(hào)）指出：“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。”于是，國(guó)內(nèi)各大高校對(duì)VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生了極大的興趣，國(guó)外有些學(xué)院也已經(jīng)開始使用VR教育系統(tǒng)[2]。因此，VR技術(shù)在法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物。

隨著智能終端特別是智能手機(jī)的廣泛普及，建設(shè)智慧校園勢(shì)在必行[3]?！皵?shù)字校園”是高等教育信息化進(jìn)入智慧校園高級(jí)階段的表現(xiàn)形式。對(duì)于建設(shè)更高層次、更高水平、更能直觀體驗(yàn)的“數(shù)字校園”，VR虛擬教學(xué)資源必不可少。因而，基于VR技術(shù)的虛擬法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)及應(yīng)用能為高校從數(shù)字校園變成智慧虛擬現(xiàn)實(shí)校園提供支撐。

目前法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在以下幾個(gè)突出問題：（1）常規(guī)物證檢驗(yàn)結(jié)合DNA分型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性及培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力有一定的局限性；（2）根據(jù)教學(xué)日程安排的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要在規(guī)定的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行，嚴(yán)重制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的廣度與深度；（3）法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)所用檢材多為模擬檢材，不能給學(xué)生提供實(shí)際辦案的體驗(yàn)，無法激發(fā)學(xué)生的積極性；（4）很多犯罪現(xiàn)場(chǎng)如恐怖襲擊、兇殺、強(qiáng)奸、交通肇事、災(zāi)難性事件等案件的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景難以模擬，致使生物性檢材的現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)和提取等實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不生動(dòng)、不形象；（5）DNA鑒定儀器設(shè)備成本高昂、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，教學(xué)過程中不能拆裝其組件，學(xué)生難以了解其真實(shí)構(gòu)造與工作原理，對(duì)于儀器的日常維護(hù)和故障檢修無法獲得直觀體驗(yàn)；（6）STR-PCR復(fù)合擴(kuò)增試劑及耗材價(jià)格成本高，難以安排學(xué)生反復(fù)多次操作；（7）DNA分型實(shí)驗(yàn)操作（如DNA提取、PCR擴(kuò)增、電泳及染色等）步驟等待時(shí)間長(zhǎng)，學(xué)生在等待中無所事事；（8）DNA實(shí)驗(yàn)室極易污染，難以滿足全班學(xué)生同時(shí)實(shí)驗(yàn)的需要；（9）在犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建領(lǐng)域，法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏將現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)、檢驗(yàn)鑒定、調(diào)查訪問、視頻監(jiān)控等所獲得的案件相關(guān)信息進(jìn)行有效整合、分析及研判的平臺(tái)。VR技術(shù)可以從根本上解決上述傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法避免的難題。

2 VR技術(shù)在法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的可行性

目前VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于法醫(yī)犯罪現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查[4]、刑事科學(xué)技術(shù)[5]、法醫(yī)臨床及法醫(yī)病理鑒定[6-7]、法醫(yī)病理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[8]及毒物分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)[9]等多個(gè)領(lǐng)域。這些實(shí)踐過程中積累的資料可為法醫(yī)物證學(xué)VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供借鑒。鑒于數(shù)碼設(shè)備在具體案件偵查實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，從現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)、生物學(xué)檢材的發(fā)現(xiàn)和提取、樣本的檢驗(yàn)，到鑒定文書的制作以及相關(guān)證據(jù)在法庭的使用等整個(gè)過程都以數(shù)據(jù)形式被詳盡地記錄保存，我們可以將這些辦案過程中獲取的相關(guān)信息匯集并創(chuàng)建成3D模型，這為法醫(yī)物證VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了大量的素材。我國(guó)專業(yè)的VR教育軟件研發(fā)機(jī)構(gòu)可以為法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供VR教育應(yīng)用整體解決方案。因此VR技術(shù)應(yīng)用于法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)是切實(shí)可行的。

3 VR技術(shù)應(yīng)用于法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的基本研究?jī)?nèi)容

3.1 建立仿真DNA分型系統(tǒng)

學(xué)生進(jìn)入虛擬空間，借助傳感頭盔、數(shù)據(jù)手套等專業(yè)設(shè)備，可實(shí)時(shí)選取不同類型的物證檢材，選擇最優(yōu)的DNA提取方法，進(jìn)行不同試劑盒的選擇與熒光標(biāo)記STR復(fù)合擴(kuò)增，毛細(xì)管電泳分離擴(kuò)增產(chǎn)物，判讀基因分型結(jié)果。此外，學(xué)生還可以在虛擬系統(tǒng)中反復(fù)練習(xí)毛細(xì)管的更換、Matrix文件的構(gòu)建、DNA片段相對(duì)分子質(zhì)量的計(jì)算、off-ladder（OL）峰判讀及stutter峰識(shí)別等難度較大的實(shí)驗(yàn)操作和技能，從而更深入地了解基因分析儀的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法，掌握DNA分型結(jié)果的判讀。

3.2 建立仿真現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)系統(tǒng)

通過輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，設(shè)計(jì)不同場(chǎng)景、不同條件下的虛擬仿真案件現(xiàn)場(chǎng)，使學(xué)生完成對(duì)各種類型案件的現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)，體會(huì)真實(shí)案件中的實(shí)戰(zhàn)感覺。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同環(huán)境溫度、濕度及不同照明條件，針對(duì)附著于不同載體上的生物物證，學(xué)生可通過虛擬操作選擇不同的提取方法以把握現(xiàn)場(chǎng)檢材的正確勘驗(yàn)方法。VR模式打造的不同類型刑事案件虛擬仿真勘查系統(tǒng)具有貼近實(shí)戰(zhàn)、高度還原、深度參與的特點(diǎn)。通過VR操作訓(xùn)練，學(xué)生能更規(guī)范、更全面地收集、處理生物物證，以利于刑事案件的偵破。

3.3 重建案件現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)

利用VR技術(shù)可重建各種類型案件（如暴力犯罪、強(qiáng)奸猥褻、盜竊及交通肇事逃逸等接觸性DNA犯罪案件）的虛擬仿真現(xiàn)場(chǎng)，通過對(duì)虛擬現(xiàn)場(chǎng)物證斑痕的形態(tài)、顏色、分布范圍等信息綜合分析并再現(xiàn)犯罪嫌疑人實(shí)施犯罪的過程。學(xué)生利用智能終端進(jìn)入犯罪現(xiàn)場(chǎng)三維空間，通過輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)自由主動(dòng)式的全景空間漫游，對(duì)犯罪現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察與思考，對(duì)生物性物證遺留的重點(diǎn)部位進(jìn)行綜合研判，因而法醫(yī)物證虛擬現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)可以為學(xué)生提供一個(gè)直觀、全方位、多角度分析研究案情的平臺(tái)，為制訂現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)方案提供思路。

3.4 建立VR物證分析檢案系統(tǒng)

物證分析鑒定的意見可為案件定性提供科學(xué)證據(jù)，而各種物證的分析需要在一定的實(shí)驗(yàn)條件下經(jīng)過測(cè)定和運(yùn)算來完成。通過物證鑒定VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，讓學(xué)生熟悉案件受理過程（學(xué)會(huì)正確判斷可以受理或不予受理案件的情形）；通過選取虛擬現(xiàn)實(shí)案件，了解案情，根據(jù)不同虛擬現(xiàn)場(chǎng)物證保存狀況的不同而選擇不同的現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)、檢材提取方法；根據(jù)不同類型的生物檢材選用不同的包裝、保存方式及送檢流程；根據(jù)虛擬案情制定虛擬檢驗(yàn)方案，進(jìn)而選取合適的方法進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)、確證實(shí)驗(yàn)及種屬實(shí)驗(yàn)；選擇最優(yōu)的方法提取樣本檢材的DNA；對(duì)模板DNA進(jìn)行定量檢測(cè)并計(jì)算和配置PCR復(fù)合擴(kuò)增體系；通過虛擬基因分析儀對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行毛細(xì)管電泳檢測(cè)；對(duì)結(jié)果進(jìn)行正確分型以及圖譜分析；根據(jù)圖譜對(duì)基因分型結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并出具司法鑒定文書；在法庭對(duì)檢測(cè)結(jié)果、鑒定文書進(jìn)行合理解釋，從而熟悉整個(gè)案件鑒定流程。在虛擬仿真物證分析鑒定系統(tǒng)中，學(xué)生可以多次、反復(fù)模擬學(xué)習(xí)各種常見物證的分析鑒定技術(shù)，從而理解各種常見物證分析鑒定方法的要點(diǎn)，掌握分析鑒定基本技能。

4 VR技術(shù)應(yīng)用于法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義

VR技術(shù)應(yīng)用于法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有如下特點(diǎn)：（1）法醫(yī)物證虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備不磨損、不損壞且能反復(fù)使用，因而實(shí)驗(yàn)成本低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性高；虛擬基因分析儀設(shè)備可以拆裝，以便學(xué)生更快掌握儀器結(jié)構(gòu)和工作原理。（2）法醫(yī)物證虛擬實(shí)驗(yàn)可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作，不受時(shí)間和空間限制，支持遠(yuǎn)程應(yīng)用及管理，具有開放靈活性。（3）通過虛擬仿真軟件進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，就如同在真實(shí)儀器上一樣，同樣能達(dá)到掌握儀器操作的目的。（4）法醫(yī)物證虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芊乐箤W(xué)生接觸到有毒物質(zhì)如聯(lián)苯胺等，增加了實(shí)驗(yàn)的安全性。（5）法醫(yī)物證虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軡M足多人同時(shí)操作的需求，并能有效防止DNA實(shí)驗(yàn)室的污染。（6）虛擬實(shí)驗(yàn)更直觀、快捷，學(xué)生可通過自身與信息、環(huán)境的相互作用來獲得相關(guān)知識(shí)和技能。（7）法醫(yī)物證虛擬實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生身臨其境，即VR實(shí)驗(yàn)具有沉浸性。（8）虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象以實(shí)時(shí)反應(yīng)反饋給學(xué)生，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)操作過程中如遇到問題可以通過選擇虛擬教師及時(shí)得到指導(dǎo)，因此法醫(yī)物證虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有交互性。（9）法醫(yī)物證虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)茱@現(xiàn)日常不易觀察到的場(chǎng)景，因而具有構(gòu)想性（即豐富的想象空間）。（10）在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以扮演不同的角色，從不同的角度觀察犯罪現(xiàn)場(chǎng)，這對(duì)于激發(fā)學(xué)生想象力、提升現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)技能具有重要意義。因此，VR實(shí)驗(yàn)不僅能加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟的理解，還可節(jié)省大量時(shí)間進(jìn)行綜合性、設(shè)計(jì)性、探究性的實(shí)驗(yàn)，不僅高效、安全、經(jīng)濟(jì)，還為學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了保障。VR實(shí)驗(yàn)不僅可以開拓法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，還可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本并實(shí)現(xiàn)資源共享。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中使用虛擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作實(shí)驗(yàn)，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)體系的缺陷，增加教學(xué)案例多樣性、提高師生互動(dòng)性、增強(qiáng)學(xué)生的操控性，繼而提高教學(xué)效果[10]。

5 VR技術(shù)在法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的展望與前景

VR技術(shù)運(yùn)用于法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要借助計(jì)算機(jī)及傳感器技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中使用虛擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作實(shí)驗(yàn)，不僅可以拓展實(shí)驗(yàn)范圍，豐富教學(xué)內(nèi)容，破解傳統(tǒng)法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)室受時(shí)間、空間限制的難題，還可以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣并提高其實(shí)驗(yàn)技能，對(duì)提升教學(xué)效率、擴(kuò)展教學(xué)手段、加強(qiáng)教學(xué)改革意義重大。因此，VR技術(shù)應(yīng)用于法醫(yī)的教學(xué)改革符合當(dāng)今法醫(yī)學(xué)專業(yè)發(fā)展的方向，有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景[11]，有望成為法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新方向。VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖然解決了傳統(tǒng)教學(xué)方式難以解決的問題，但只是起到輔助教學(xué)的作用，并不能完全取代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，如果想讓學(xué)生真正掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)與技能，還需要在真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，在法醫(yī)物證實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)以“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛”為原則，注意“虛實(shí)”結(jié)合，既要讓VR實(shí)驗(yàn)?zāi)艹蔀閭鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，又要避免對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生依賴性，不盲目開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。此外，VR技術(shù)作為一種新型技術(shù)應(yīng)用于法庭科學(xué)和教育領(lǐng)域尚處于初級(jí)階段，還需要加強(qiáng)對(duì)其相關(guān)的裝備、終端、應(yīng)用系統(tǒng)、平臺(tái)以及內(nèi)容的研發(fā)。