虚拟现实技术在法医物证实验教学中的应用

夏水秀，顾芝亚，李永生

（1.苏州大学法医学系，江苏 苏州 215000；2.苏州市公安局吴中分局，江苏 苏州 215000）

法医物证学是一门实践性很强的学科，法医物证实验教学是法医物证学教学的重要组成部分。通过该课程的学习，专业学生应达到能够独立完成犯罪现场的勘验，生物物证样本的发现、提取、送检、检验、保存，以及正确、有效地评价和利用鉴定结果，为案件提供科学客观的线索，为法庭审判提供科学证据。虚拟现实（virtual reality，VR）技术，又称虚拟仿真技术，是一种多源信息融合的三维动态视景的仿真系统，用户通过人机交互模式借助视觉、触觉、听觉与计算机进行实时交互、实时感知并操作虚拟世界中的各种对象，从而达到身临其境的效果[1]。本文从VR技术应用于法医物证实验教学的必要性、可行性、研究内容、意义等方面进行论述，阐明VR技术有望成为法医物证实验教学改革的新方向，成为一种重要的法医物证实验教学辅助手段。

1 VR技术在法医物证实验教学中应用的必要性

《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函[2013]94号）指出：“虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。”于是，国内各大高校对VR实验教学产生了极大的兴趣，国外有些学院也已经开始使用VR教育系统[2]。因此，VR技术在法医物证实验教学领域的应用是时代发展的产物。

随着智能终端特别是智能手机的广泛普及，建设智慧校园势在必行[3]。“数字校园”是高等教育信息化进入智慧校园高级阶段的表现形式。对于建设更高层次、更高水平、更能直观体验的“数字校园”，VR虚拟教学资源必不可少。因而，基于VR技术的虚拟法医物证实验教学资源的开发及应用能为高校从数字校园变成智慧虚拟现实校园提供支撑。

目前法医物证实验教学中存在以下几个突出问题：（1）常规物证检验结合DNA分型的验证性实验教学模式对发挥学生的主动性、积极性及培养学生的独立思考能力有一定的局限性；（2）根据教学日程安排的实验教学需要在规定的时间和地点进行，严重制约了实验教学开展的广度与深度；（3）法医物证实验教学所用检材多为模拟检材，不能给学生提供实际办案的体验，无法激发学生的积极性；（4）很多犯罪现场如恐怖袭击、凶杀、强奸、交通肇事、灾难性事件等案件的现场实验教学场景难以模拟，致使生物性检材的现场勘验和提取等实验教学效果不生动、不形象；（5）DNA鉴定仪器设备成本高昂、结构复杂，教学过程中不能拆装其组件，学生难以了解其真实构造与工作原理，对于仪器的日常维护和故障检修无法获得直观体验；（6）STR-PCR复合扩增试剂及耗材价格成本高，难以安排学生反复多次操作；（7）DNA分型实验操作（如DNA提取、PCR扩增、电泳及染色等）步骤等待时间长，学生在等待中无所事事；（8）DNA实验室极易污染，难以满足全班学生同时实验的需要；（9）在犯罪现场重建领域，法医物证实验教学缺乏将现场勘验、检验鉴定、调查访问、视频监控等所获得的案件相关信息进行有效整合、分析及研判的平台。VR技术可以从根本上解决上述传统实验教学无法避免的难题。

2 VR技术在法医物证实验教学中应用的可行性

目前VR技术已广泛应用于法医犯罪现场调查[4]、刑事科学技术[5]、法医临床及法医病理鉴定[6-7]、法医病理学实验教学[8]及毒物分析实验教学[9]等多个领域。这些实践过程中积累的资料可为法医物证学VR实验教学提供借鉴。鉴于数码设备在具体案件侦查实践中的广泛应用，从现场勘验、生物学检材的发现和提取、样本的检验，到鉴定文书的制作以及相关证据在法庭的使用等整个过程都以数据形式被详尽地记录保存，我们可以将这些办案过程中获取的相关信息汇集并创建成3D模型，这为法医物证VR实验教学提供了大量的素材。我国专业的VR教育软件研发机构可以为法医物证实验教学提供VR教育应用整体解决方案。因此VR技术应用于法医物证实验教学是切实可行的。

3 VR技术应用于法医物证实验教学系统的基本研究内容

3.1 建立仿真DNA分型系统

学生进入虚拟空间，借助传感头盔、数据手套等专业设备，可实时选取不同类型的物证检材，选择最优的DNA提取方法，进行不同试剂盒的选择与荧光标记STR复合扩增，毛细管电泳分离扩增产物，判读基因分型结果。此外，学生还可以在虚拟系统中反复练习毛细管的更换、Matrix文件的构建、DNA片段相对分子质量的计算、off-ladder（OL）峰判读及stutter峰识别等难度较大的实验操作和技能，从而更深入地了解基因分析仪的结构、工作原理和使用方法，掌握DNA分型结果的判读。

3.2 建立仿真现场勘验系统

通过输入设备实现人机对话，设计不同场景、不同条件下的虚拟仿真案件现场，使学生完成对各种类型案件的现场勘验，体会真实案件中的实战感觉。根据现场不同环境温度、湿度及不同照明条件，针对附着于不同载体上的生物物证，学生可通过虚拟操作选择不同的提取方法以把握现场检材的正确勘验方法。VR模式打造的不同类型刑事案件虚拟仿真勘查系统具有贴近实战、高度还原、深度参与的特点。通过VR操作训练，学生能更规范、更全面地收集、处理生物物证，以利于刑事案件的侦破。

3.3 重建案件现场系统

利用VR技术可重建各种类型案件（如暴力犯罪、强奸猥亵、盗窃及交通肇事逃逸等接触性DNA犯罪案件）的虚拟仿真现场，通过对虚拟现场物证斑痕的形态、颜色、分布范围等信息综合分析并再现犯罪嫌疑人实施犯罪的过程。学生利用智能终端进入犯罪现场三维空间，通过输入设备实现自由主动式的全景空间漫游，对犯罪现场进行观察与思考，对生物性物证遗留的重点部位进行综合研判，因而法医物证虚拟现场系统可以为学生提供一个直观、全方位、多角度分析研究案情的平台，为制订现场勘验方案提供思路。

3.4 建立VR物证分析检案系统

物证分析鉴定的意见可为案件定性提供科学证据，而各种物证的分析需要在一定的实验条件下经过测定和运算来完成。通过物证鉴定VR实验教学软件，让学生熟悉案件受理过程（学会正确判断可以受理或不予受理案件的情形）；通过选取虚拟现实案件，了解案情，根据不同虚拟现场物证保存状况的不同而选择不同的现场勘验、检材提取方法；根据不同类型的生物检材选用不同的包装、保存方式及送检流程；根据虚拟案情制定虚拟检验方案，进而选取合适的方法进行预实验、确证实验及种属实验；选择最优的方法提取样本检材的DNA；对模板DNA进行定量检测并计算和配置PCR复合扩增体系；通过虚拟基因分析仪对扩增产物进行毛细管电泳检测；对结果进行正确分型以及图谱分析；根据图谱对基因分型结果进行数据处理并出具司法鉴定文书；在法庭对检测结果、鉴定文书进行合理解释，从而熟悉整个案件鉴定流程。在虚拟仿真物证分析鉴定系统中，学生可以多次、反复模拟学习各种常见物证的分析鉴定技术，从而理解各种常见物证分析鉴定方法的要点，掌握分析鉴定基本技能。

4 VR技术应用于法医物证实验教学的意义

VR技术应用于法医物证实验教学具有如下特点：（1）法医物证虚拟实验设备不磨损、不损坏且能反复使用，因而实验成本低，经济实用性高；虚拟基因分析仪设备可以拆装，以便学生更快掌握仪器结构和工作原理。（2）法医物证虚拟实验可通过网络进行操作，不受时间和空间限制，支持远程应用及管理，具有开放灵活性。（3）通过虚拟仿真软件进行相关实验，就如同在真实仪器上一样，同样能达到掌握仪器操作的目的。（4）法医物证虚拟实验能防止学生接触到有毒物质如联苯胺等，增加了实验的安全性。（5）法医物证虚拟实验能满足多人同时操作的需求，并能有效防止DNA实验室的污染。（6）虚拟实验更直观、快捷，学生可通过自身与信息、环境的相互作用来获得相关知识和技能。（7）法医物证虚拟实验可使学生身临其境，即VR实验具有沉浸性。（8）虚拟实验对象以实时反应反馈给学生，学生在虚拟实验操作过程中如遇到问题可以通过选择虚拟教师及时得到指导，因此法医物证虚拟实验教学具有交互性。（9）法医物证虚拟实验能显现日常不易观察到的场景，因而具有构想性（即丰富的想象空间）。（10）在虚拟环境中，学生可以扮演不同的角色，从不同的角度观察犯罪现场，这对于激发学生想象力、提升现场勘验技能具有重要意义。因此，VR实验不仅能加深学生对实验原理及操作步骤的理解，还可节省大量时间进行综合性、设计性、探究性的实验，不仅高效、安全、经济，还为学生综合能力、创新能力的培养提供了保障。VR实验不仅可以开拓法医物证实验教学的深度和广度，还可以节约实验成本并实现资源共享。学生在虚拟实验环境中使用虚拟的实验设备操作实验，可有效弥补现有教学体系的缺陷，增加教学案例多样性、提高师生互动性、增强学生的操控性，继而提高教学效果[10]。

5 VR技术在法医物证实验教学的展望与前景

VR技术运用于法医物证实验教学，主要借助计算机及传感器技术构建虚拟实验环境。学生在虚拟实验环境中使用虚拟的实验设备操作实验，不仅可以拓展实验范围，丰富教学内容，破解传统法医物证实验室受时间、空间限制的难题，还可以激发学生的实验兴趣并提高其实验技能，对提升教学效率、扩展教学手段、加强教学改革意义重大。因此，VR技术应用于法医的教学改革符合当今法医学专业发展的方向，有巨大的发展潜力和广阔的应用前景[11]，有望成为法医物证实验教学改革的新方向。VR实验教学虽然解决了传统教学方式难以解决的问题，但只是起到辅助教学的作用，并不能完全取代真实的实验操作，如果想让学生真正掌握实验技术与技能，还需要在真实的环境中进行实验。因此，在法医物证实验教学中应以“虚实结合，能实不虚”为原则，注意“虚实”结合，既要让VR实验能成为传统实验的有效补充，又要避免对虚拟实验系统产生依赖性，不盲目开设虚拟仿真实验项目。此外，VR技术作为一种新型技术应用于法庭科学和教育领域尚处于初级阶段，还需要加强对其相关的装备、终端、应用系统、平台以及内容的研发。