虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在警械武器教學(xué)中的應(yīng)用探索

高振峰

（中國刑事警察學(xué)院 遼寧·沈陽 110845）

1 公安院校警械武器教學(xué)面臨的主要問題

多年來，公安院校警械武器課程改革與教學(xué)創(chuàng)新一直備受關(guān)注，主要原因來自兩個(gè)方面，一是警務(wù)實(shí)戰(zhàn)反饋的問題與教學(xué)訓(xùn)練效果形成反差，通常是練得較好，實(shí)戰(zhàn)評價(jià)不高；二是課程改革與教學(xué)創(chuàng)新的內(nèi)在動(dòng)力不足，尤其是教學(xué)與現(xiàn)代科技的融合度不高。二者累積反映出當(dāng)前的警械武器教學(xué)缺乏創(chuàng)新性實(shí)踐探索和技術(shù)性革新，同時(shí)也是困擾教、學(xué)、練、戰(zhàn)一體化模式突破發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵問題。

首先，警械武器教學(xué)訓(xùn)練設(shè)施的建設(shè)經(jīng)費(fèi)高，場地維護(hù)經(jīng)費(fèi)高，教學(xué)耗材投入高等“三高”問題一直是困擾教學(xué)單位致力于提高教學(xué)質(zhì)量的瓶頸。其次，即使部分公安院校、培訓(xùn)基地等教學(xué)單位改善了教學(xué)場地條件，但是，在完成基礎(chǔ)教學(xué)的情況下，再想結(jié)合警務(wù)實(shí)戰(zhàn)拓展教學(xué)，還是會(huì)受制于基礎(chǔ)設(shè)施不完善的影響，模擬教學(xué)的真實(shí)性、感官素材的互動(dòng)性、主客體之間的對抗性等方面很難在教學(xué)活動(dòng)中得以體現(xiàn)。再次，在固有場景進(jìn)行學(xué)練，出于安全考慮，學(xué)生、教師和教輔人員無法脫離繁雜的安全操作程序，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，學(xué)練效率大打折扣，同時(shí)也無法依據(jù)警務(wù)實(shí)戰(zhàn)開展多類型警械武器的綜合練習(xí)與演練，教學(xué)練戰(zhàn)脫節(jié)問題仍然存在，學(xué)生對警務(wù)實(shí)戰(zhàn)的真實(shí)感知力得不到鍛煉。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為警械武器教學(xué)改革提供了有利條件

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)在技術(shù)上的進(jìn)步與逐步成熟，VR創(chuàng)新應(yīng)用在近幾年發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)由過去的軍事、航天、飛機(jī)制造等重點(diǎn)領(lǐng)域，延伸到娛樂、藝術(shù)、影視、醫(yī)療、教育、體育、房地產(chǎn)、旅游、制造、消費(fèi)等各領(lǐng)域和行業(yè)。特別是近年來，關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在公安專業(yè)教育教學(xué)領(lǐng)域的研究不斷增加，比如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在法醫(yī)病理學(xué)中的應(yīng)用；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在公安實(shí)踐教學(xué)和培訓(xùn)工作中的應(yīng)用研究；公安院校消防虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)；等等。相對于公安專業(yè)教學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被應(yīng)用在警械武器教學(xué)領(lǐng)域更早也更普遍，這方面從國內(nèi)外早期生產(chǎn)銷售的警械武器訓(xùn)練設(shè)施設(shè)備就能得到很好的了解。但是，可能因?qū)W科專業(yè)內(nèi)容與教學(xué)訓(xùn)練目標(biāo)的差異，警械武器虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更注重視聽感覺，根據(jù)人類的視覺、聽覺的生理心理特點(diǎn)，借助計(jì)算機(jī)、傳感器和圖像生成系統(tǒng)來虛擬真實(shí)環(huán)境，通過多媒體技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合生成逼真的視覺聽覺一體化的虛擬環(huán)境，從而讓參與者產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。很大程度上解決體驗(yàn)不方便、場景限制、實(shí)效差、不真實(shí)等問題。相比較當(dāng)前警械武器教學(xué)方法存在的問題，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了方式方法革新的可能，對解決因時(shí)間、地點(diǎn)、場地限制和教學(xué)內(nèi)容拓展不利等久而未決的問題提供了選擇。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)警械武器教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以學(xué)生警械武器使用技能訓(xùn)練內(nèi)容為核心，通過虛擬場景的建立、虛擬元素設(shè)置、學(xué)練內(nèi)容設(shè)定、交互設(shè)備應(yīng)用，完成體驗(yàn)式警械武器訓(xùn)練模型的構(gòu)建，使學(xué)生在學(xué)練中獲得真實(shí)、直觀的感受，有助于增強(qiáng)學(xué)生技能學(xué)習(xí)的體驗(yàn)度和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的積累。系統(tǒng)化教學(xué)內(nèi)容開發(fā)與設(shè)計(jì)、學(xué)生自主化學(xué)練和教學(xué)樣態(tài)的變化可能會(huì)徹底革新警察警械武器實(shí)訓(xùn)方式。例如，以虛擬場景真實(shí)模擬出警現(xiàn)場情景，設(shè)計(jì)突發(fā)事件、典型案件、標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)等模塊，完成虛擬場景下的交互環(huán)節(jié)和學(xué)練內(nèi)容，提高警察使用警械武器的合法性和合理性，從而提高學(xué)生應(yīng)用警械武器、應(yīng)對襲擊、妥善處置現(xiàn)場偶發(fā)事件等方面的綜合能力，增強(qiáng)安全防護(hù)意識，降低因遇襲等因素導(dǎo)致的傷亡概率。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對傳統(tǒng)教學(xué)模式的顛覆性改造，將在實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)練戰(zhàn)對接以及提高教學(xué)質(zhì)量等方面產(chǎn)生劃時(shí)代的意義。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)警械武器教學(xué)設(shè)計(jì)的基本思路

4.1 警械武器學(xué)練虛擬場景的設(shè)計(jì)

使用三維建模方式建立虛擬仿真的訓(xùn)練場地場景，關(guān)鍵是三個(gè)方面的設(shè)計(jì)，首先以訓(xùn)練場景的實(shí)景為基礎(chǔ)，進(jìn)行三維場景繪圖，其中應(yīng)包括警械武器練習(xí)場景和警務(wù)實(shí)戰(zhàn)場景。其次，建立場景內(nèi)的物品物理模型，例如警械武器模型包括各類槍支、警械等，犯罪嫌疑人及犯罪兇器如刀、斧等。再次，在繪圖基礎(chǔ)上對三維模型進(jìn)行技術(shù)處理，以便形成高清圖像和動(dòng)畫設(shè)計(jì)。最后，虛擬場景內(nèi)容不僅能在電腦上運(yùn)行，更需要串聯(lián)VR頭盔式眼鏡，使學(xué)生能夠利用便捷設(shè)備在場景中進(jìn)行瀏覽和操作。虛擬現(xiàn)實(shí)警械武器的學(xué)練過程中，可根據(jù)不同技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)水平的學(xué)生或警員，設(shè)置相應(yīng)的虛擬實(shí)戰(zhàn)場景和虛擬情節(jié)，隨機(jī)設(shè)置物品元素和虛擬人員，以增加學(xué)練的難度。

4.2 警械武器教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)警械武器教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)是教學(xué)創(chuàng)新的核心，需要軟件工程技術(shù)人員根據(jù)教學(xué)大綱和教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)。首先需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)虛擬場景中呈現(xiàn)的操作內(nèi)容和步驟，例如設(shè)計(jì)警械武器使用規(guī)范、動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)及流程、糾錯(cuò)提醒等等，更重要的是設(shè)計(jì)由警械武器學(xué)練分解動(dòng)作過度到完整動(dòng)作的步驟，并根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)作規(guī)格設(shè)計(jì)技術(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。其次，在虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)練場景中學(xué)生可以直觀看到自己的動(dòng)作細(xì)節(jié)，并依據(jù)糾錯(cuò)提醒自覺矯正技術(shù)動(dòng)作。比如在邏輯關(guān)聯(lián)的技術(shù)動(dòng)作前后加入觸發(fā)式交互控制，由學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)練場景中選擇訓(xùn)練項(xiàng)目，根據(jù)學(xué)練項(xiàng)目設(shè)計(jì)的操作內(nèi)容，對照完成相應(yīng)的動(dòng)作操作，無需教師干預(yù)，自動(dòng)進(jìn)行操作。再次，學(xué)生在學(xué)練技術(shù)內(nèi)容過程中可以采用定時(shí)方式，一方面鼓勵(lì)學(xué)生不斷地提高技術(shù)熟練程度，另一方面由于設(shè)置了交互內(nèi)容，當(dāng)學(xué)生在虛擬場景中與設(shè)置的虛擬犯罪嫌疑人進(jìn)行對抗時(shí)，通過虛擬人或物體的動(dòng)作襲擊，測試學(xué)生應(yīng)激反應(yīng)與合理使用警械武器的能力。在主客體交互操作過程中體會(huì)自身的判斷力及掌握技術(shù)的熟練程度，增強(qiáng)對警務(wù)實(shí)戰(zhàn)的感知力和經(jīng)驗(yàn)積累。最后，在升級難度的教學(xué)內(nèi)容中，通過虛擬現(xiàn)實(shí)和機(jī)械反饋技術(shù)的雙加持，增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的真實(shí)性與主體感知力。

4.3 虛擬警械武器感知設(shè)備的設(shè)計(jì)

虛擬警械武器感知設(shè)備必須根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和警務(wù)實(shí)戰(zhàn)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)擬定的學(xué)習(xí)訓(xùn)練規(guī)程，設(shè)計(jì)技術(shù)動(dòng)作跟蹤模型。在技能動(dòng)作學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生穿戴搭載運(yùn)動(dòng)捕捉傳感器的數(shù)據(jù)衣，由數(shù)據(jù)衣探測身體動(dòng)作并跟蹤，包括膝蓋、手臂、軀干和腳等部位，進(jìn)行學(xué)員身體動(dòng)作軌跡記錄。以虛擬現(xiàn)實(shí)方式，建立學(xué)員技術(shù)動(dòng)作軌跡，通過與正確的動(dòng)作軌跡進(jìn)行對比，找出技能動(dòng)作不規(guī)范的部位，有針對性改進(jìn)技術(shù)動(dòng)作。每次訓(xùn)練的動(dòng)作捕捉反饋數(shù)據(jù)，對學(xué)員自身的強(qiáng)弱項(xiàng)和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行客觀的評析，為下一次訓(xùn)練的提升和改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。例如，在制作射擊訓(xùn)練模型時(shí)，虛擬展現(xiàn)裝彈、上堂、射擊的全過程。并對射擊訓(xùn)練的動(dòng)作姿勢進(jìn)行跟蹤記錄，通過模擬對比，找出動(dòng)作中存在的缺點(diǎn)，使練習(xí)者可以及時(shí)準(zhǔn)確更正射擊動(dòng)作，進(jìn)一步提高武器使用的技術(shù)水平。

其次，根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成壓力刺激的基本工作原理，基于傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)制作感知交互式設(shè)備。該設(shè)備為穿戴式觸感交互裝置，固定在練習(xí)者身體各主要關(guān)節(jié)部位；振動(dòng)傳感器固定在裝置外套上，振動(dòng)傳感器通過數(shù)據(jù)電源線與感覺控制器連接，接收工作電源和動(dòng)作指令信號，振動(dòng)傳感器的振動(dòng)幅度和頻率，由感覺控制器發(fā)送指令控制完成；裝置背面用于固定觸感控制器，數(shù)據(jù)電源線與感覺控制器連接，向振動(dòng)傳感器傳輸電源和指令；感覺控制器為嵌入式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由核心處理器、存儲(chǔ)芯片、集成電路、無線通信模塊、充電電池連接構(gòu)成；為觸感控制器與振動(dòng)傳感器提供電源。在虛擬突發(fā)事件訓(xùn)練中，設(shè)定虛擬犯罪嫌疑人，并設(shè)定突發(fā)攻擊行為，使練習(xí)者真實(shí)感受虛擬犯罪嫌疑人的攻擊。練習(xí)者可移動(dòng)身體躲避攻擊，并通過手柄使用警械武器進(jìn)行對抗。突發(fā)事件交互過程中，反應(yīng)不及時(shí)的練習(xí)者很可能遭受攻擊并觸發(fā)觸感傳感器，增強(qiáng)對傷害行為的感知力，相反，反應(yīng)及時(shí)并處置得當(dāng)，練習(xí)者將得到合格以上的評價(jià)。

5 虛擬現(xiàn)實(shí)警械武器教學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)保障

（1）堅(jiān)持多方參與的原則。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將從虛擬場景建模、元素建立、行為設(shè)定、觸覺傳感器、動(dòng)作捕捉器等方面進(jìn)行原創(chuàng)性開發(fā)與設(shè)計(jì)，因此需要軟件設(shè)計(jì)工程技術(shù)人員、教師團(tuán)隊(duì)、教輔人員及學(xué)生等多方參與，整合技術(shù)創(chuàng)新、教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)力量，以確保教學(xué)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對接完整和運(yùn)行平穩(wěn)。

（2）堅(jiān)持多學(xué)科技術(shù)融合促進(jìn)技術(shù)攻關(guān)。觸覺感應(yīng)傳感器是虛擬現(xiàn)實(shí)警械武器教學(xué)系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)，也是最難攻克的技術(shù)難點(diǎn)，需要借助人體學(xué)、工程學(xué)、系統(tǒng)學(xué)等多學(xué)科技術(shù)資源整合，以確保技術(shù)研發(fā)與運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

基于虛擬現(xiàn)實(shí)方式的警察警械武器教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，很可能顛覆原來的教學(xué)訓(xùn)練模式，新教學(xué)訓(xùn)練樣態(tài)的形成將緩解公安院校學(xué)警在教學(xué)練戰(zhàn)脫節(jié)、實(shí)戰(zhàn)感知力弱、經(jīng)驗(yàn)積累少等方面的問題，對提高學(xué)警執(zhí)法流程意識、警械武器使用能力、安全意識和心理素質(zhì)具有積極影響。