虚拟仿真技术在公安教育中的应用与探索

付文波 班智慧 侯英奇 李雨聪

（中央司法警官学院，河北 保定 071000）

2019 年，习近平总书记在全国公安工作会议上强调坚持“政治建警、改革强警、科技兴警、从严治警”，当前科学技术的快速迭代给公安教育工作带来了机遇与挑战。伴随着虚拟现实技术的发展，虚拟仿真技术近几年逐渐在公安教育中展开应用并取得丰硕的成果。其与公安院校实验教学相结合，对于教学手段的创新、教学模式的改革和教育资源的丰富层面意义重大。通过与公安干警实战化训练深度融合，能够充分凸显虚拟仿真技术在减少训练成本、降低训练风险、提升训练效能方面的优势，进一步推动科技兴警战略目标，实现公安教育与先进科学技术同频共振。

一、虚拟仿真技术与公安教育

（一）虚拟仿真技术

虚拟仿真技术是以仿真技术和增强现实技术为基础，融合了计算机技术、多媒体技术、人机交互技术、可视化技术、模式识别技术等信息科技的产物，是一种更高级的仿真技术，可以为用户提供一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化。1973 年Myron Krurger 提出了“Artificial Reality”的概念，这是最早出现的有关虚拟现实的词[1]，随着计算机科学、模式识别、人机交互等先进科学技术的快速发展，丰富了虚拟仿真理论和技术，在航空航天、国防军事、机械制造、教育教学、工业生产、医疗卫生、建筑行业等众多领域得到了越来越广泛的应用。

（二）虚拟仿真技术的特征

1.沉浸感。仿真技术和现实增强技术是虚拟仿真技术的重要技术支撑，使用仿真技术可建立近似仿真模型，通过相关硬件或软件产生视觉、声音、触觉、气味或其他感官刺激辅助用户创建和平时一样的真实感知，从而提供令人陶醉的总体环境，用户可以在虚拟现实世界体验到最真实的感受，获得身临其境的感觉，即沉浸感。这给某些特殊行业或职业群体带来了革命性的变革，例如培训飞行员、士兵或执法人员在过于危险而无法使用现场实际训练装备的情况下，使用虚拟仿真技术可以获得相似的训练效果。另外，虚拟仿真技术所带来的独特的沉浸感体验也正在逐渐改变人们的学习方式，甚至改变学习意愿，杨兵等人研究认为高校学生参加虚拟仿真综合实训“学习行为意向”受到其临场感的显著正向影响[2]。

2.交互性。沉浸感的获得与虚拟环境中的交互特性有关，虚拟仿真技术受到了越来越多使用者的青睐，其中一个重要的原因就是它真正实现了人机交互。为了能够获得与真实环境中相同的体验必须要借助人机交互技术作支撑，虚拟仿真系统中人是主动的参与者，依靠语音识别、图像识别等交互装置获得各种信息，同时计算机系统对人的操作给予实时反应，实现与计算机系统的三维交互，三维交互与二维交互不同，它能够增强使用者对系统产生的虚拟环境的感知，提供更为自然的交互，充分发挥人类固有的技能，使虚拟现实人机交互更为自然和谐、为使用者所理解，提升使用者的操作体验，可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。

3.想象性。虚拟仿真技术最基础的功能就是利用虚拟现实或实物仿真技术创建、重塑或还原某些场景，在此基础之上根据使用者的需求构建完整的虚拟世界。在设计者搭建的很多虚拟场景中，可以粗略的分为两大类，其中一类是设计者根据现实际场景所设计的，比如模拟法庭、模拟机场等等，甚至达到1∶1 的比例进行模拟；另外一类是依靠个人的感知和认知能力全方位地获取知识，发挥主观能动性所想象出来的，比如模拟的宇宙、游戏场景等，其中的某些场景现实中并不存在，只是合理想象，所以虚拟仿真技术同时也具备想象性的特点，这也为虚拟仿真产品多样化奠定了基础。

（三）虚拟仿真技术与公安教育

教育兴则国家兴，教育强则国家强。当前，科学技术飞速发展，传统的教育理念正在随着教育现代化的发展不断改变，虚拟仿真实验教学作为实验教学现代化的重要成果已成为高等教育的重要实践手段之一。公安教育是为公安系统培养应用创新型高级公安专业人才的重要途经，因此更应该与时俱进，深度创新办学理念、培养模式、教学手段、训练方法，全面提升公安教育现代化水平。虚拟仿真实验教学符合现代公安院校人才培养的基本规律，以学生需求为出发，注重学生实践动手操作能力的提升，突破了传统实验教学的客观条件局限性，内容和形式上与公安实务密切联系，其沉浸性、互动性、想象性的特点能够充分调动学生参与实验的积极性，同时兼具趣味性，真正做到了知识、能力、素质的有机融合。另外，以民警自我学习为中心、以执法实战案例为基础、以虚拟结合现实为引领的虚拟仿真技术运用在公安实战化训练中有更为突出的优势，对于公安实战化训练的发展具有深刻的现实意义和实际应用价值。

二、虚拟仿真技术在公安教育中的应用与探索

（一）虚拟仿真技术在公安院校实验教学中的应用

混合现实、虚拟现实、增强现实以及人工智能、大数据和物联网等技术的高速发展促进了教育信息化改革,给教学手段的创新、教学模式的改革和教育资源的丰富带来了诸多的便利和机遇[3]。公安院校作为专业人才的培养高地也正在逐渐建成覆盖全警的教育信息化体系，促进教育教学内容、方式、方法的现代化、规范化、科学化。实验教学是现代教学的重要手段，实践操作能力是公安院校学生专业核心能力的重要组成部分，在公安院校教学中一直处于重要地位，是公安院校人才培养的重点。随着教育信息化建设，传统实验教学弊端逐渐凸显出来，院校的部分实验教学与公安一线实战的标准和要求相比，还存在结合不紧密、方法上学生参与互动不深、条件保障上与实战要求匹配度不高等问题，比如在一些危险程度高、有毒或极端环境的实验难以开展，还有些因为实验成本、场地要求等各方面原因使学校的实验教学难以与一线基层实战需求相匹配。

虚拟仿真技术能够有效解决实验教学、实践教学、实训教学的难题，相对于传统实验教学方法上有本质上的改变，可以缓解实验教学在经费、场地、器材等方面的困难和压力，弥补实验室仪器设备落后、配置不足、耗材浪费、学生安全隐患等传统实验教学的不足。这为发展公安虚拟仿真实验教学提供了需求和空间，为实验教学提供了有力的支持。

1.虚拟仿真技术应用于公安院校实验教学优势。首先，虚拟仿真技术可以突破现有实验教学条件的限制。高校的部分实验课程往往由于场地限制、硬件设置等客观原因难以开展，即便开展了也难以达到理想的效果。以一些大型综合实验来说，现场勘查课程中杀人案件现场勘查实验实训课程，实验的开展过程中基本都是设定固定情景，使用“假人”扮作尸体，并在现场摆设“作案工具”等，并且设计的实验环境大都不会变动，每一届同学基本都在相同的实验场景展开实验，这就造成实验逼真度差、环境过于单一、吸引力不够等问题；再比如一些不可还原类的实验课程，比如火灾案件现场勘查、爆炸案件现场勘查，在实际的课程中无法开展，即使有相应的实验环境进行，也只能小范围展开实验，并且是无法重复进行的；还有一些危险系数比较高的实验也无法开展，比如爆炸装置分析与拆除实验、毒物毒品相关实验，在实际的实验条件下安全性无法保证，根本无法开展。

上述的这些实验课程对于实验器材、实验场地、实验经费、安全性等都有比较高的要求，不是所有学校都能够有条件开设，这在一定程度上大大削弱了课程的教学效果，而这些实践操作能力往往是一线民警最需要学习和掌握的。虚拟仿真技术可以突破现有实验教学条件的限制，虚拟仿真实验教学可以以任意案例和现场为模板，使用计算机建立一个多样化的实验场景，比如设计不同死亡原因的尸体、不同类型的火灾现场、不同类型的爆炸现场、各种各样的爆炸装置，在实验中还可以根据不同专业设计不同的实验操作流程和侧重点，这样就可以缓解实验教学在经费、场地等方面的困难和限制，在一定程度上既能保证学生的安全性又能达到真实实验不具备或难以实现的教学效果。

其次，虚拟仿真技术可以突破学生学习时间空间的限制。新冠疫情的出现加速了线上课程的发展，而虚拟仿真课程作为在线学习的工具之一可以打破时空条件的限制，避免由于实验资源紧张、人数多导致缩减实验实践课程的弊端。通过互联网可以建立一个“云”上虚拟实验环境，利用虚拟仿真搭建综合性、设计性实验或案例，促进综合性、设计性、创新性实验的开设，同学们可以通过“云”教育实现在线模拟实验教学。不但解决了实验资源不足等问题，节约实验教学成本，降低器材损耗率，还能够有效激发同学们的学习意愿，活跃学生思维，增强学生动手能力，锻炼学生独立思考和设计能力。

第三，虚拟仿真实验教学可以直观展示抽象的教学内容。虚拟仿真实验教学体系强调综合素质培养，有些专业课程课堂教学偏重于基本概念、基本理论和基础知识的理论讲授，教学内容过于抽象，学生理解困难，缺乏学习热情。比如法医学中尸体解剖的实验课程，实际的实验课程中由于实验成本比较高，无法保证提供尸体进行解剖，大都以动物代替，甚至直接取消实验安排，以理论课程代替。虚拟仿真实验教学可以弥补教学中过分偏重理论讲授的教学缺陷，形式上更加重视可视化和视觉体验，给实验的参与者更强的沉浸感，提升教学的直观性，对于抽象的理论可以通过图形图像演示快速理解，并且记忆深刻。iLab 实验空间中，华中科技大学的“法医病理学脑解剖及检查虚拟仿真实验教学”项目中已经可以实现部分功能。

2.虚拟仿真实验教学的开展情况。教育部在“十二五”期间实施本科教学工程，继续支持开展实验教学示范中心建设，并于2013 年首次组织开展国家级虚拟仿真实验教学中心申报与建设工作[4]。经过近几年的申报和建设，虚拟仿真实验教学项目已经初具规模，建成了一批示范性虚拟仿真实验教学项目，众多知名高校已经开展相关实验教学项目的使用并获得了较高的评价。公安院校在教育信息化背景下，也正在借助于虚拟仿真技术摸索公安教育的多元创新路径，虚拟仿真实验教学在公安和政法类院校也已经逐步开展并初具规模。2014 年，中国人民公安大学的公安执法虚拟仿真实验教学中心和中国人民武装警察部队学院（现中国人民警察大学）的消防虚拟仿真实验教学中心成功入选[5]，体现了公安高等教育在虚拟仿真实验教学领域的重要探索成果；2016 年9 月，西北政法大学公安学院建设完成的“刑事案件虚拟仿真实验中心“成为全国第一个公安类虚拟仿真实验中心；2019 年，在虚拟仿真实验教学创新联盟领导下，信息学科领域委员会成立了公安技术类专业工作组，设置了刑事科学技术、火灾勘查、大数据警务技术10 个专业共计70 项；2020 年8 月，公安技术类专业虚拟仿真实验项目建设与申报研讨会在南京森林警察学院顺利召开，共有来自全国20 多所公安院校及政法院校教师代表参加了此次研讨会，为后续各院校的虚拟仿真实验项目体系的建设提供了极大的支撑和参考。

（二）虚拟仿真技术在公安干警实战化训练中的应用

公安队伍实战化训练是新时代公安队伍建设的重要保障，是培养和提高公安队伍实战能力、应对和处置突发事件的重要途径。在实战训练的具体实施过程中，公安干警的实战化训练往往都在固定时间并设置在比较复杂的环境场景下进行，由于具体的执法或处置情景在训练中很难完全复制，特别是涉及较大规模、对抗性强的战术对抗训练，比如处置突发事件，设卡拦截、人质劫持、暴力袭警、现场警务指挥、应急突发事件处置等事件中，往往面临训练硬件资源保障要求高、训练时空条件受限、现场教学安全隐患多等问题，在一定程度上大大降低了实战训练效果。

1.提高实战执法水平。公安干警的执法水平、执法质量一直是公安工作的生命线，如何最大限度地提升执法水平、保证执法质量从而实现执法价值最大化一直是公安干警实战化训练的核心科目。使用虚拟仿真技术可以结合一线真实执法案例和执法场景，搭建多功能模块，在此基础上还可以增加可能出现的违法行为，设置阻碍执法的处置流程，植入多种虚拟元素，对公安干警进行执法培训，让参训民警完全融入模拟的执法场景中。另外，为量化公安干警执法水平情况，还可以将民警在处置中应当使用的规范化的执法语言和执法动作嵌入系统，设定相应的考评分值，实现系统对参训民警执法过程中的动作和语言进行自动评判[6]。对公安干警而言，通过大量经典案例的模拟训练和考核，既能够锻炼提升公安干警的执法水平，又可以对个人执法质量进行反馈，针对性更强，找到执法薄弱点，迅速提高公安干警的执法水平业务素质；另一方面，解除了训练时间、场地及师资力量等资源对公安干警执法训练的限制，增强了培训的真实感和科学性、趣味性、对抗性。

2.处置应急突发事件。应急突发事件处置是公安机关面临的重要任务，应急突发事件决策与指挥能力、公安干警个体应急处置能力是公安机关整体应急能力的基本且核心的要素之一。每年各地公安机关都会组织应急处突实战化训练，在实际操作中，为了保证达到最理想的模拟场景通常需要周期较长的时间准备，个别场景还需要专门器械设备和人员，组织难度比较大，特别是针对有害有毒环境、暴力暴恐行为、搜救营救等特殊情景难以达到理想效果，同时具备一定的危险性。虚拟仿真技术可以弥补传统实战化训练方式的局限性，真实模拟出一些突发事件场景模块，比如劫持人质、突发重大群体性事件、突发自然灾害、事故灾难、公共卫生事件等场景，还可以将犯罪现场进行三维立体展示，逼真还原爆炸等惊险场面，可以自主设置不同的训练场景，变换极端天气，实现车辆晃动、翻滚等高难度动作……[7]在搭建的系统中可以对公安干警进行知识理论训练，同时模拟制作先进通信技术装备以及救援工具、个人安全防护设备、防暴装备等，加强操作技能的训练，通过模拟训练提高其参与应急处置的能力，以满足公安实际工作的需求。特警队员在办公室使用一台电脑就可以进行模拟训练，而且场景多样，不管在任何情况下，都能模拟出遇到警情时要怎么去处置，大大提高了现场处置能力。一方面突破了时空条件的限制，另一方面可以节约大量经费，提高快速反应能力、提高现场指挥能力、人质解救能力。

三、展望

虚拟仿真技术在公安教育现代化建设中正在发挥着重要作用，优势明显，是“科技兴警”战略目标实现的重要技术支撑。继续加快虚拟仿真技术同公安院校实验教学深度融合，因地制宜地开发虚拟仿真实验教学项目，促进虚拟仿真示范项目共享平台建设是当前公安院校实验实训教学改革的重要任务。公安实战化培训工作也应当结合公安干警一线实战需求，充分发挥虚拟仿真技术的优势，深入挖掘虚拟仿真技术在公安干警实战化训练中的潜力，推动公安教育实现智能化、科技化、现代化发展。