虚拟仿真技术在射击教学中的应用

纪毓琴，黄新宇，王宁

(中国人民公安大学警务指挥与战术系，北京 100038)

虚拟仿真技术在射击教学中的应用

纪毓琴，黄新宇，王宁

(中国人民公安大学警务指挥与战术系，北京 100038)

采用虚拟仿真模拟技术进行教学既能丰富教师的课堂教学手段，也能让学生更加深入地认识和理解所学内容，提高学生学习的互动性、参与性及操作性。虚拟仿真技术具有很强的空间立体化表现优势，还拥有不受场地、器材的限制，可降低教学风险等优点，其多样的应用形式既可为理论课的教学服务，又能作为模拟实战的重要辅助手段融入体验式教学场景中。它在射击教学中的应用也体现了传统课堂教学模式与先进数字化技术的成功结合。

虚拟仿真;射击教学;教学软件;射击技术

0 引言

警用射击技术是人民警察行动执法和处置危机事件必须掌握的技能之一，既是公安院校的精品课程，也是特色教学科目。随着科学技术的不断进步和发展，数字体育的快速传播，如何使射击教学向现代化和数字化的方向发展，是广大警察体育教育工作者面临的新问题和新挑战。目前，传统射击教学的多媒体课件多是以图片和文字的表现形式记录下来的，保存形式较为单一。此外，现有教学模式和方法中亦存在着一些不足。首先，教学中还以言传身教的传统方式传授技能，教法单一、枯燥，长时间的空枪练习使得学生缺乏学习兴趣。其次，教学中受场地、器材等客观因素的影响，学生实战机会较少，难以通过反复练习掌握正确动作要领。最后，学生只能掌握技术动作，对其原理、特性等深层次知识无法进行深刻认识和理解。

多年以来，警用射击教学训练虽然进行了不同程度的改革，但基本上仍以固定的距离和目标，以及复杂的真枪实弹射击作为主要的教学方式和手段。这种教学训练方式和手段在训练中存在占有场地面积大，射击内容枯燥，难以转换训练方式与创造实战环境等问题。此外，教师在组织实施实弹训练时还存在保障安全上的难度等问题。这就需要有一种新的射击教学模式既能满足新形势下教学训练和实战需要，又能有效避免现有的各种客观不利因素。近年来，随着虚拟仿真技术的发展和广泛应用，一些学者也开始讨论研究如何将这一技术引入射击教学中来。采用虚拟仿真射击模式，旨在以新的教学手段和方法，改善教学环境，提高教学质量，达到贴近实战教学的目的。亦有利于学生射击技、战术以及执法意识的培养。虚拟仿真教学可以将模拟设备建立在室内，占用场地面积较小，且不受到气候变化的影响。虚拟仿真环境下的射击教学，训练目标对象是由计算机软件来实现的，自动化程度高，可以减少训练保障人员的数量，根据教学需求随时更新和补充教学内容，具有较大的灵活性，有助于学生理解与掌握复杂的射击技术，训练内容丰富且灵活多变，不需要人工来布置训练场景，创造训练环境，既有教育意义也具有娱乐性，尤其是避免了实弹射击的危险性。

警用手枪射击利用3ds Max三维动画软件以及Unity 3D游戏引擎，对射击教学进行数字模拟仿真情景创设，不但可以真实地模拟整个运动的过程，还能够虚拟制作出多角度的动态场面，生动形象地展现枪械的构造、使用技术和技巧。在教学中可以便于学生认识和理解，更好地丰富教学手段，提高学生学习的互动性、参与性及操作性。同时，三维动画具有很强的空间立体化表现优势，可以创建出接近真实事物的学习场景。游戏引擎可以对三维动画进行程序控制，制作出交互界面与视角切换等更多功能。由此学生会更快的掌握正确的射击动作，提高射击理论知识和技能。此外，教学不受场地、器材的限制，更具独特的优点，既可以作为理论课的教学，又能作为模拟实战的体验教学，还可以放在校园网上作为网络课程使学生自学。把射击教学与数字化技术相结合，以虚拟现实的形式展现在教学场面，使射击教学真正走向现代化和数字化。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

作为虚拟现实技术的发源地，美国已在该领域积累了数十年的研究经验，取得了众多的以优质的虚拟现实的硬件设备和软件为代表的丰硕研究成果，与其他国家相比，具有明显地领先优势。美国对虚拟现实技术的应用最初主要针对飞行员和宇航员所进行的专业训练。近年来，随着军事行动的明显减少，虚拟现实技术的应用也开始逐渐从军用转为民用。

从20世纪末到21世纪初，经过短短的十余年的发展，美国的虚拟人研究项目已经取得了重大进展，其研究成果主要包括可视化虚拟人计划、模拟仿真人类计划、生理性虚拟人计划、欧洲虚拟人计划，人类大脑计划等。尤其是行为建模方面的研究发展迅速，吸引了大量的优秀科学家和研究人员加入虚拟仿真的研究行列。科研人员经过多年的努力，在致力于技术创新的同时也积累了大量丰富的研究经验，取得了一系列丰硕成果。例如，由中央佛罗里达大学模拟训练研究所开发的CGF系统，由奥兰多的资产组研制的CGF系统，由马萨诸塞州BBN公司制作的AIRNET SAF系统，美国投资项目的发展机构研发的OpenSAF系统等。此外，还有一些科研究机构也取得了许多重要的研究成果:

美国宾夕法尼亚大学设计研制出了以SGI图形工作站平台为基础进行运作的人体模型“杰克”。“杰克”共有17个节和88个关节点，并包含关节柔韧性系数，疲劳系数，视力等相关医学参数。

英国诺丁汉大学创建的“回潮”系统包括97段关节点，可以完成范围测试、干扰、姿态、视觉检测、评估和平衡计算等工作。此后，诺大研究团队还陆续为其添加了生理和心理特点，使其能够更好地为相关科学研究服务。

1.2 国内研究现状

随着虚拟仿真技术在国内的广泛应用和发展，虚拟现实技术已经得到业界的广泛重视。

国内众多高等院校，科研机构和公司纷纷投入大量时间和财力物力进行虚拟现实技术的应用研究，并取得了一定的成果。作为国内虚拟现实研究的先行者，北京航空航天大学由于最早开始进行相关研究，已取得了多项研究成果，在本领域中具有较高的权威性。在他们研制开发的飞行员训练虚拟仿真系统中设计了虚拟场景的模型，提供了三维的动态数据，并且能够进行实时更新。浙江大学和中国科学院等科研院所在虚拟仿真技术研究领域也处于较为领先的地位，其所研究的内容主要包括人机交互、人体建模、虚拟人面部行为、虚拟人实时运动控制等四个方面。此外，还有一些科学家针对人体动画技术方向、人体行为交互方向和虚拟人合成技术等领域做出了大量的科学研究工作。由此可见，虽然我国在虚拟仿真领域的研究和欧美国家相比尚处于起步阶段，但在广大科研工作者的共同努力下，已取得了一些重要的研究成果，建立了一系列完整实用的系统。但是与相关研究起步较早的欧美发达国家相比，国内的虚拟现实技术研究相对于世界先进水平仍然存在着一定的差距，还需开展更深层次的科学研究。

2 警用手枪射击教学的现状

手枪是一种能够有效制止暴力违法犯罪行为，保护公民和警察自身安全的重要武器。射击技术既是公安民警所必须掌握的一项重要的基本执法技能，也是警务技能教学的一个重要组成部分。一方面，随着科学技术的不断发展，现代化的高科技技术已在各行各业得到广泛应用。这些先进技术也逐渐被运用到教育教学的改革中。另一方面，社会上的各类高科技、高性能和高智能化的犯罪案件也呈现出上升趋势。如何改革射击教学，使之适应当前社会治安形势的需要，就成为了我国广大公安教育工作者所不得不面对的一个全新课题。

目前，在我国公安院校的手枪射击教学中，仍然存在诸如教学内容陈旧，教学模式和手段落后，难以适应一线公安工作的需要等一系列问题。随着现代教育技术在教育教学领域的不断扩展与深入，以及现代教育技术在素质教育中所彰显出的独特性与优越性，国家教育部门对高等院校的课程建设提出了新的要求和标准。为了应对这些新的变化，包括射击课程在内的我国公安院校警务技战术课程结构、教学内容和授课方法等也应随之进行调整。在传统教学模式中被广泛推崇和使用的“师傅带徒弟”的模式在新形势下已显得落伍。传统教学模式仅凭借书面教材、课堂示范和板书，再加上实物模型辅助的“精讲多练”教学的方式已不能满足警察实战的需要。此外，通过笔者前期在北方地区几所警察院校开展的调研发现，这些院校所使用的大多数射击教材在学生学习实践的过程中很难起到有效的指导作用。在其中一所警察院校，受访学生向笔者反映，他们所使用的射击教材对子弹在膛内的运动原理及过程这一重要问题只是通过文字来表述，并未辅以相关图表进行解释说明，使得他们学习起来感到非常困难。供职于另一所警察院校的射击教师向笔者反映，子弹在膛外的运动轨迹与弹道高的关系这一知识点，单凭教师在课堂上用语言进行解释很难让学生完全理解。但由于所用教材对这一知识点并未进行深入讲解，使得他在教授这一部分时不得不重新收集整理资料制作讲义，备课任务量大，效果也差强人意。此外，规章制度，场地环境和安全等客观条件也是制约射击教学改革发展的瓶颈。由于射击教学受到枪支管理条例的限制，学生接触枪支的时间十分有限，只能通过课堂练习熟悉技术动作。由于时间限制，学生能够熟练掌握用枪技巧的过程十分漫长，这也给射击教师合理安排日常授课内容和教学进度带来了很大的困难。基于上述客观因素的影响，在警用射击教学的授课过程中，教师难以开展贴近实战需要的教学。

由此可见，警用射击教学的发展方向必将是通过融入先进的教学手段，对教学体系加以改进，并吸收和借鉴先进的教育理念并辅以数字化的教学方式，从而逐步实现提高教学质量的目标，将射击教学引入一条符合实际需求的，可持续发展的轨道。虽然当前多媒体数字化教学已在中小学和大专院校的课堂教学中得到了广泛应用，但它在警务射击教学中的应用依然存在着一定的问题。传统教学观念过分强调技战术层面的问题，以致忽略了警务射击教学不仅可以帮助学生锻炼身体，学习技能技巧，还能传授给学生必要的理论知识、过硬的执法技能和灵活多变的战术应用技巧等能力的这一客观事实。新世纪的警务射击教学，要求教师能够将现代化信息技术作为一种重要的教学手段和辅助工具，贯穿于教学始终。

3 虚拟仿真在警用手枪射击教学中的应用

警用手枪射击仿真模拟教学软件是纸质教材、视频教材、多媒体教学课件等3种教学材料的综合体。它不但可以囊括上述3类教材的所有优点，同时还在射击动作的表现形式上有着明显的优势。软件可以将文字、视频、动画等内容一并收录，内容上可以做到丰富而全面。另外，软件中还能加入更多的交互设计环节，方便教师和学生同时使用。作为一种新的学习方式，学生既可以在机房中进行练习，还可以回到家中自行复习，甚至可以在训练场，一边练习射击，一边通过软件对比、纠正射击动作。作为一种新的教学方式，仿真模拟教学软件使得教师不用再耗费时间搜集整理备课资料，而是从软件中直接提取所需教学内容，并在课堂上向学生直观地讲解示范。仿真教学给射击教师的课堂教学增加了生动的元素，借助软件，教师可以帮助学生更好更系统地理解手枪射击这门学科。

3.1 警用射击教学的特点

与其他学科相比，公安院校警用手枪射击教学具有其自身独特的特点和规律。它是以学生身体练习为主，理论教学为辅，以实现增强学生智力、体力，提高学生健康水平为目标，并以能够掌握执法技术技能和灵活多变的战术应用能力为目的，兼具培养学生良好心理素质和忠诚可靠为民服务的意识为指导思想的学科。在射击教学中，教师要严格遵循技能形成的规律，做到循序渐进、周而复始、学而致用地开展教学活动。射击教学的重点是要培养学生的学习能力和操作能力，因此，教师在运用虚拟仿真技术进行警用手枪射击教学时，要提高认识，转变观念，抓住教学的核心和关键，学会灵活运用教学软件，所选教学内容和使用的教学手段要能够满足一线民警工作的需要，使课堂教学与公安业务实践能够紧密的结合。

3.2 开拓思路，转变理念

近几年，随着警务技能教学改革的不断深入以及受创新教育的影响，射击教学改革的步伐也在加快，但仍有一部分射击教师深受传统教学方法的影响，思想观念还停留在传统的教学方法上，制约了教学质量的提升。要解决教学方法陈旧，教学理念落后这一问题，对教师来说，一方面只有在日常的工作学习中不断学习专业知识，掌握相关领域的前沿科研动态，在教学中能够根据教学大纲和教学要求去选择教材，并能及时根据学科发展适时调整授课材料，才能被称为一名合格的教师。另一方面，教师还应具备随着形式的发展及时变革其教学思想，能够熟练运用现代化教学手段，时刻丰富自身知识，不断提高认识，积极主动转变教学训练理念。只有这样，广大教育工作者才能自觉地把先进的教学理念和教学手段融入教学之中，更好地促进教学内容、方式的改革，通过使用现代化的教学辅助手段，取得优质高效的教学效果。

3.3教学内容和手段的选择要科学实用

对警察院校射击教师来说，在运用虚拟仿真进行教学时应注意教学内容选择的科学性与教育性;教学手段的实用性与趣味性;以及练习设计的巩固性与互动性等方面的实效问题。从具体操作层面来说，教师首先要能够依据教学大纲内容，从学生实际情况出发，选择好的教学素材，并能在理解大纲、吃透教材的基础上做到广泛而细致地收集、整理和筛选材料，最后编纂成文，用于课堂教学。其次，教师在选择教学素材时要注意挑选能够满足教学内容和教学任务需要的材料，切不可因一时找不到合适的素材而选择一些不太适宜的素材对付使用。否则教学的效果将会事倍功半，甚至适得其反。最后，教学软件的设计还应具有科学实用性。教师在选择或制作虚拟仿真软件时，应从学生的角度出发，力求重难点突出，文字简洁，操作简单，动作画面清晰明了，图形图片生动形象，能够让学生在最短的时间内掌握技术要领，从而达到提高学习效率与兴趣的最终目的。

3.4 虚拟仿真教学中要突出教师的主导作用和互动性

课堂教学是一种双向互动活动，它要求在教学过程中，既要有教师输出式的教授，也要有学生输入式的学习。一方面，虽有虚拟仿真技术作为辅助教学手段，但仍需要射击教师在实际应用过程中构建一个以教师为中心的授课模式。即在授课过程中，课堂主导权仍需掌控在教师手中。只有这样，教师才能够随时掌握学生的学习情况，及时辅导学生技术上存在的问题，调动学生学习的积极主动性，增强教与学的互动性。

另一方面，教师还要学会如何让虚拟仿真这项辅助教学技术在实际应用中发挥出最大效力。在虚拟仿真教学中，教师不仅要熟练掌握系统操作的技术，而且还要学会创建系统内容与相关教学内容的链接，充分了解教学系统的功能和作用，使之在教学环境中得到合理的应用，把传统与现代的教学有机地相结合。此外，教师还要特别注意在使用过程中不可将系统软件代替教师的主体地位，以师生互动为基础的课堂交流应始终占据课堂教学的中心地位，从而达到提高教学质量的目的。

4 结语

综上所述，虚拟仿真技术应用于警用射击教学，是符合警用射击教学的改革和发展的大趋势的。一方面，它能够满足公安工作的需要，实现计算机技术与射击教学的有效结合，达到了人机互动的教学手段;另一方面，它还可以很好地提高学员的射击技术，提升学员掌握射击技能的兴趣。当今社会，教育现代化的脚步越来越快，现代信息技术早已进入课堂并不断发展进步。作为一名优秀的教师，既要通过不断吸取现代化科学知识来丰富和充实自己，也要学会利用现代化技术，为学生创造一个能够多种途径和方式来学习知识的开放式学习环境。因此，要培养全面发展的警务实用型人才，对教师来说，首先应当变革其教学思想，通过运用现代化的教学手段去取得最优化的教学效果。只有明确先进的现代信息技术与传统的课堂教学模式的关系，才能将数字化教学手段应用于警务射击教学中，使之起到良好的辅助作用，让警察院校射击教学真正迈入数字化时代。此外，随着校园数字化系统的日趋完善以及在线学习的日渐流行，教师也可另辟思路，利用学生对网络的兴趣，将警用手枪射击仿真模拟教学软件放在校园网移动终端上，通过线上交互功能，为学生提供更好的学习体验，使学习的过程更加便捷，高效。作为一种新的教学模式，虚拟仿真技术在射击教学中应用的时间尚短，相关研究也处于起步阶段，一些理论和操作仍需得到进一步完善。但作为一项先进的技术，相信虚拟仿真技术在射击教学领域的未来发展必将拥有更大的发展空间。

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(责任编辑 陈小明)

D035.319

纪毓琴(1958—)，女，山东青岛人，教授。研究方向为警用射击与警务战术教学训练。