基于增強現實技術的現場勘查實訓教學研究

張振清 沈鄭燕 廖 鷹 李 偉

（1.鄭州警察學院；2.河南警察學院，河南 鄭州 450000）

我國推進以審判為中心的訴訟制度改革后，全面貫徹證據裁判規則，促使偵查、起訴、審判圍繞證據裁判的要求進行，要求嚴格依法收集、固定、保存、審查、運用證據，非法證據需排除，瑕疵證據需補正[1]?，F場勘查是公安機關偵查破案的源頭，是訴訟活動的起點，是公安機關打擊、防范、控制犯罪的出發點也是落腳點[2]?，F場勘查質量的好壞，決定著刑事案件偵破工作的成敗，也是反映人民警察執法辦案能力以及案件質量高低的一項重要指標。

為進一步加強公安隊伍正規化、專業化、職業化建設，不斷提升公安院?，F場勘查教學水平和公安專業學生現場勘查能力，公安部制定了《關于加強公安院校公安專業人才現場勘查能力建設的意見》（以下簡稱《意見》）及《公安院校公安專業人才現場勘查能力標準》、《公安院校公安專業現場勘查課程體系》?！兑庖姟芬?，公安院校要緊緊圍繞現場勘查能力建設標準要求，積極采取有效措施，切實提高教學水平，不斷加大培養力度，確保公安專業畢業生均具備一定的現場勘查能力[3]。

《意見》還強調，要堅持面向實戰、融入實戰、服務實戰、引領實戰，立足公安實戰與公安隊伍建設需求，結合公安實戰需要和執法規范化要求，立標準、定規范、建機制，嚴把公安院校公安專業學生現場勘查能力質量關，確保公安院校公安專業人才培養與實戰部門崗位需求有效銜接。

一、現場勘查實訓課程的現狀及存在的問題

為了培養學生的實踐動手能力與操作技能，公安院校開展了模擬犯罪現場勘查的實訓教學活動。模擬犯罪現場勘查綜合實訓是以真實案件犯罪現場的原型布置，讓學生模擬勘查，體現出其貼近實站的仿真性和合成性[4]。要求學生通過模擬勘查訓練，從理論和實踐上掌握犯罪現場勘查的基本程序、方法和基本要求[5][6]。

實訓教學多以已有的實驗室、實訓基地為依托開展，傳統的教學模式便于組織管理，教學秩序良好，然而教學效果并不十分理想，主要體現在以下幾個方面。

（一）教學資源方面

1.實驗教學資源不能共享。在傳統教學中，實驗資源很難共享，不同專業、不同學校之間很難形成資源共享的局面，造成很多實驗室重復建設，設備利用率低。

2.傳統現場勘查實訓教學資源短缺。由于刑事案件的發案時間、空間位置具有很大的不確定性，致使部分現場勘查實訓教學無法在真實案件環境中進行，加之外部執法環境以及公安機關執法規范化的要求，致使現場勘查實訓教學工作受到了一定的限制。

3.部分實驗設備價格高昂，購置難度大?，F場勘查實訓教學需要大量的昂貴設備和耗材，實驗成本高，加之不同學校之間的資源難以共享，造成很多實訓無法開設，或者只開設一些簡單的演示性實訓，學生的參與度低。

4.院校對于實驗室或實訓基地的投入經費有限，信息化程度不高，實驗室或實訓基地的更新升級往往較慢，這也不利于實踐教學的開展，難免造成教學與實戰脫節的現象。

（二）實訓場景布置方面

1.傳統實驗存在“破壞性、污染性、不可擬”的問題?，F場勘查實訓教學需涉及殺人、爆炸、大型事故案件，特別涉及鐵路上的重特大案件現場中的物證勘驗，在傳統實驗中無法完成。而且，在真實案件中，物證的發現、提取、檢驗、鑒定需要按一定的程序規范完成，不可逆轉，初學者在操作過程中可能因技術不熟練而產生誤操作，從而對真實案件的訴訟造成不良影響，造成傳統的實驗實訓只能在模擬場景中進行，真實體驗感差[7][8]。

2.在學校實訓環境中，一個高標準現場勘查實訓環境的搭建和設計需要的周期較長，且實體場景一旦搭建完成后不容易更換，在現場勘查實訓時也無法有效設置題庫障礙。實訓后，對物證的還原布景的還原都操作不易，有較大的局限性。

（三）實訓操作過程方面

1.傳統的現場勘查實驗可能存在操作不規范的現象。犯罪現場勘查實訓的綜合性和操作性強，多是一名老師輔導幾十名同學，可能因操作個體不同而出現不同結果。另外，現場勘查工作重在強調操作的規范化和標準化，只有規范操作，才能全面提升核心職業能力。

2.教學活動的開展多以教師為主，學生跟著教師的思路走、學生依賴性強、自主探索能力弱、學生自主探案機會少等問題，不利于學生主觀能動性的調動及創新型思維的培養，極大地影響了教學效果。

3.實訓課堂受時間、空間的限制，即任何類型的實驗和實踐教學活動，都要在規定的時間、規定的實驗場所或實訓基地進行。

（四）教學評價方面

1.傳統的實驗教學評價存在不足。傳統的教學評價往往偏重于知識性的考察，而缺乏相應的實踐能力檢驗標準。一方面，增加了教師的工作量；另一方面，評價方法單一，老師不能及時、全面了解教學效果，進而影響教學質量。

2.實訓后的考評和考核，主要也是依靠攝像頭的實時錄制和教師的關注進行評分，耗費較多的人力和物力，且很難有效地生成數據報告。

綜上所述，傳統的現場勘查實訓教學模式已嚴重阻礙了實驗教學的效果[9]。如果能將增強現實技術有機地與現場勘查實訓教學相結合，上述的難題將迎刃而解。

二、增強現實技術及其特點

（一）增強現實技術

增強現實技術（Augmented Reality，AR），是一種將虛擬的信息疊加到真實世界的新技術，使真實的物質環境和虛擬的物體存在于同一時、空，兩者相互補充、疊加。通過該技術可以感知到在現實世界中難以感觸到的實體信息，從而達到超越現實的感官體驗[10]。AR 技術包含了諸如多媒體、3D 建模、實時視頻顯示及控制、場景融合等新技術與新手段[11]。

圖1 增強現實技術原理

（二）AR 全息技術的特點

1.延時低。AR 全息技術的延時低于20 毫秒，并且可以支持通過無線網絡將AR 眼鏡中的畫面實時投屏到大屏幕，方便學生和教師同步觀看。

2.虛實結合。AR 展示真實場景，使用者佩戴眼鏡后，不會出現任何的不適感。生成的虛擬模型、動畫，可以通過技術手段，與真實場景無縫貼合，以假亂真。

3.酷炫科技感。AR 可以呈現包括3D 模型、3D 動畫、粒子特效、光子特效等多種效果在內的呈現方式，效果酷炫，科技感強。

4.靈活多變。AR 全息成像，基于實景，但不局限于實景。同樣一個實景場景，通過不同的AR 素材，可以達到完全不同的實訓目的[12]。

5.重復使用。真實場景和虛擬模型不會被損壞，擺放順序可以隨意打亂，實訓結束后又可以恢復原樣，降低使用成本。

6.擴展性和延續性?？稍谝呀ê玫目辈閷嵱栒n程基礎上，根據要求，再次進行開發，為以后的實訓課程鋪好道路。

三、基于AR 的現場勘查實訓教學系統

2016 年國務院印發的《“十三五”國家信息化規劃》中把AR 產業視為新興前沿創新的六大領域而大力推進。隨后，工信部電子技術標準化研究院呼吁國家盡快啟動增強現實研究，建立標準體系，規范行業發展。2018，教育部在《教育信息化2.0 行動計劃》中要求，通過實施教育信息化2.0 行動計劃，到2022 年基本實現“三全兩高一大”的發展目標，其中心目標之一就是全面普及數字校園建設，推動高等學校虛擬仿真實訓教學環境建設。在信息技術高速發展的時代潮流中，各種新型的人工智能技術不斷涌現，從虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術發展而來的AR 技術，利用其虛實結合、實時交互、相互疊加的優越特性，在實驗教學中的應用日益廣泛。

AR 全息技術的特點使其在現場勘查實訓教學中具有一定的應用前景。通過AR 全息眼鏡+5G、云計算、大數據等技術構建了一個基于AR 的現場勘查實訓教學系統，圖2 為系統的整體框架圖。

圖2 系統的整體框架圖

（一）系統介紹

系統分為教師管控平臺和學員實訓平臺。一是教師管控平臺，該平臺向教師開放。教師通過本平臺，可以在實景中設定虛擬的實訓場景，也可以在實景中放置虛擬物件。并且可以設定教學目標，編輯正確的操作流程，并對學員是否進行了有效、順序的操作進行判斷。二是學員實訓平臺，該平臺面向學員及教師開放。學員可以通過本平臺，扮演現場勘查員的角色，進行實訓操作。學員可以利用該平臺與場景中的虛擬物件進行交互，以完成教學目標。學員是否按照正確的流程完成了勘查作業，是否發現了所有的證物，都能被列入教學目標的考核項中。

基于AR 的現場勘查實訓教學系統搭建完成后，不需要耗費大量的精力去布置實景。通過AR 全息成像，教師可以將預先制作好的勘查目標，如受害者尸體、兇器、甚至血跡、足跡等傳統實景平臺很難搭建完善的物證，通過虛實結合的方式，布置到實訓環境中（如圖3）。開始實訓前，教師將加載預先設定好的題庫。學員帶上AR 全息頭盔，進入實訓房間。AR 全息頭盔佩戴更為輕便，方便學員隨時取用。學員可以透過AR 全息頭盔的玻璃看到真實場景，也可以透過投射顯示器，看到虛擬的物件。學員隨后通過手勢操作和手柄操作結合的方式，在房間中勘查和收集證物。

圖3 學生利用AR 全息眼鏡進行實訓

圖4 與公安部現勘系統平臺聯通示意圖

（二）系統的功效

1.系統具備先進的視覺圖像處理能力，可以實時追蹤場景中的位置，將虛擬的模型、3D 物件、2D 貼圖賦予真實的場景中，能夠實現虛擬與實景較好的貼合，虛實合一。

2.系統充分利用了先進的AR 仿真技術營造出實戰化環境，利用該技術的逼真性、互動性和對抗性，最大限度模擬犯罪現場實戰環境（包含各類物證、工具）和真實案例，將一線辦案民警和真實的犯罪現場搬到學生面前。

3.系統能夠將傳統的課堂教學中難以實現的案件教學過程、現場操作規范、業務流程展現出來，讓學生體驗到真實的現場勘查過程，使其能夠全身心投入到實戰化環境中進行學習與訓練，從而解決了實戰化、智能化和情境化在傳統教學受限的短板。

4.系統可以根據用戶所處位置的不同，從不同的角度呈現出虛擬的物品。系統還可以對使用者的手勢進行識別，進行交互行為的判定，同時可擴展支持使用手柄交互，讓學生能夠進行帶入式的AR 仿真操作和實踐。

5.系統可以實現對所有教學、實踐、考核進行管理和評估。

（三）系統的拓展

系統可以實現與公安部現勘系統的對接，AR 勘查過程中的數據可直接上傳至公安部現場勘查系統，形成數據的無縫對接，方便學生在真實模擬環境中進行訓練。

（四）系統的創新之處

本成果以學生發展為中心，以實踐應用為目標，在教學理念、教學設計、教學模式、教學評價等方面具有一定的創新之處。

1.提升了現場勘查的效率和復雜程度，節省了布置現場勘查實體場景的成本，避免了重復搭建實景實訓場所。實現了在短時間內重構虛擬勘查的場景，使得多人連續實訓而無需增加額外的搭建成本。

2.增加了現場勘查場景的數量，根據虛擬勘查場景中的可勘查物的數量，由教師自行組合和創建勘查場景，可支持100 個以上不同布置的虛擬場景，而無需增加額外的實體場景的成本。

3.提升了學生現場勘查考試效率。通過大數據和人工智能實時進行數據統計和評分，教師無需一對一盯住學生和打分，減少了師資成本。

4.提升了實戰中的現場勘查效果。系統可以有效提示隱藏的、難尋找、難辨識的證物，并通過5G 的低延時大帶寬連接，實時地對接后臺專家，減少重復勘查，檢查勘查中的錯誤、疏忽。

5.優化教學資源，創新教學理念。實訓教學系統構建基于真實案例的場景，解決了學生不能在實際案例中反復訓練的問題，解決了傳統教學資源短缺的問題，實現教學資源共享，實現線上開展實驗教學，突破了實驗教學在實驗室中進行的傳統教學理念。

6.創新教學設計，培養學習興趣。本成果強調“學生中心、產出導向、持續改進”的目標導向，面向實戰應用，基于真實案件基本操作規程進行教學設計，以逼真的體驗感激發學習興趣，使學生在“真實+虛擬”場景中綜合運用所學知識和技能來發現問題、分析問題、解決問題，符合能力培養的認知規律，有利于激發學生學習主動性和探索精神。

7.創新教學模式，改進教學方法?，F場勘查實訓教學系統“以應用需求為引領、以自主學習為主導、以能力培養為落腳點”，采用互動式、研討式教學，倡導自主式、探究式學習，由學生主導實驗過程，操作實驗設備。教師課前講解物證的發現、提取、包裝、檢驗的操作步驟和操作技巧，并對整個實驗前、中、后全過程加以引導和指導，讓學生直觀感受刑事科學技術工作流程、鞏固證據意識、科學意識、法律意識，明確技術人員的角色分工，規范基本操作。

8.創新教學評價，完善管理平臺?，F場勘查實訓教學系統能夠對參加實驗學生的全過程進行記錄，對于學生預習效果、實驗步驟以及實驗成績評價都具備完善的評價體系，提高評價的公正性。通過建立多維度評價體系，準確反映了學生操作技能準確性，真實反映學生全過程的學習成效，全方位多層面評價和考核學生能力，提高了實驗成績的科學性和公正性，為教學反思和個性化教學提供了真實可靠的依據，為指導教師改進和完善實驗教學提供參考，提高教學效果。

四、實訓教學成果的實施價值

基于AR 的現場勘查實訓教學系統，應用現代信息技術和人工智能的方法來解決犯罪現場勘查實訓教學中存在的實驗教學資源短缺、教學資源不能共享、實驗成本高、實驗中“破壞性、污染性、不可逆”、實驗操作不規范、教學評價不合理等方面的問題。同時在鄭州警察學院、河南警察學院、河南科技大學法醫學院等院校以及鄭州鐵路公安處、洛陽鐵路公安處等公安機關推廣應用，對于提高學生的物證應用技能具有重要的意義，切實有效地提高了學生的學習效果，起到了推動增強現實技術在實驗教學改革工作方面的應用。因此，該研究內容切合實際，具有重要的推廣應用價值。

五、結論

傳統的犯罪現場勘查實訓課程教學便于組織管理，教學秩序好，然而卻面臨著一些問題，如教學模式受時間、空間的限制，學生自主探索能力弱，復雜案件現場場景極難再現，教學實效性較差等，使得教學與實戰脫節，導致教學效果并不十分理想。

基于AR 全息技術并結合AR 全息眼鏡+5G、云計算、大數據等技術構建了現場勘查實訓教學系統。此系統不但可以最大限度地模擬犯罪現場實戰環境和真實案例，而且還可以將傳統實訓教學中難以實現的教學過程、案件現場操作規范與操作流程，真實地實現出來。使學生能夠全身心投入到實戰化環境中進行學習與訓練，讓學生體驗到真實的現場勘查過程，從而解決了實戰化、智能化和情境化在傳統教學受限的短板。系統還可以實現與公安部實戰現勘系統對接，形成數據的無縫對接，方便學生在真實的模擬環境中進行訓練，深入地促進了實訓教學與實戰相結合。系統在部分院校以及公安機關實戰部門得到了推廣應用，對于提高學生的物證應用技能具有重要的意義。