計算機硬件組裝虛擬實驗系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

陳 耀

（茂名職業(yè)技術學院，廣東 茂名 525000）

1. 引言

在計算機硬件組裝與維護教學過程中，由于高校硬件設施的匱乏或者更新速度難以與計算機硬件發(fā)展速度接軌，難以滿足學生實際操作需要，由此設計一套計算機硬件組裝虛擬實驗系統(tǒng)輔助學生進行操作演示，提高學生的實際操作能力。本文以高校計算機硬件組裝教材內容為藍本，利用網(wǎng)絡技術、3D技術等搭建計算機硬件組裝虛擬實驗平臺，充分考慮系統(tǒng)的實用性，簡單易懂便于操作，在計算機硬件組裝教學中具有良好的輔助作用。

2. 設計構思

2.1 功能介紹

本文所設計的計算機硬件組裝虛擬實驗系統(tǒng)是根據(jù)教學課程內容建立循序漸進、由淺入深的虛擬學習環(huán)境，其主要功能是根據(jù)教材內容逐步進行虛擬實踐，在操作過程中利用3D技術學生可以從多角度瀏覽硬件模型，并且通過對硬件的性能和參數(shù)進行最優(yōu)匹配，虛擬動手操作計算機硬件各部件的拆卸等。在遇到計算機硬件組裝常見故障時，系統(tǒng)會給出問題指向，幫助學生快速判斷出錯誤位置。

2.2 設計原則

計算機硬件組裝虛擬實驗系統(tǒng)設計要以實用性為原則，充分考慮系統(tǒng)的易用性、逼真性、安全性、交互性、共享性和可擴展性。易用性是考慮學生操作系統(tǒng)的簡便性和易懂性，根據(jù)教材可循序漸進引導學生熟練使用該系統(tǒng)；逼真性是指虛擬實驗與實際操作的相似性，在虛擬環(huán)境下利用3D技術虛擬構建計算機各硬件模型，通過場景的優(yōu)化、渲染使學生能夠沉浸在實驗中；安全性是考慮系統(tǒng)用戶操作數(shù)據(jù)的權限控制，增加數(shù)據(jù)備份功能，防止用戶數(shù)據(jù)丟失；交互性是指提高用戶與系統(tǒng)之間的交互功能，不僅可以通過鼠標、鍵盤等傳統(tǒng)輸入設備進行操作，還可以增加手柄、觸摸屏等實現(xiàn)人機和諧交流；共享性是學生與學生之間、學生與教師之間可以通過網(wǎng)絡進行信息共享，并且可以實現(xiàn)遠程指導和交流；可擴展性是指在計算機硬件技術不斷更新的環(huán)境下可以不斷地增加各種類型的硬件模型到系統(tǒng)中，增加系統(tǒng)的動態(tài)擴展性，使學生及時掌握最新的計算機硬件技術。

2.3 運行環(huán)境搭建

本文所設計的計算機硬件組裝虛擬實驗系統(tǒng)采用Quest 3D為開發(fā)工具，利用3D MAX軟件和Sketchup軟件進行建模，數(shù)據(jù)存儲采用MySql數(shù)據(jù)庫。

3. 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)結構

本文所設計的計算機硬件組裝虛擬實驗系統(tǒng)采用C/S架構，系統(tǒng)結構如圖1所示：

圖1 計算機硬件組裝虛擬實驗系統(tǒng)結構

在服務器端利用Quest3D封裝的交互模型建立虛擬實驗系統(tǒng)，并對用戶的操作數(shù)據(jù)進行存儲；共享網(wǎng)絡可以是建立在機房的局域網(wǎng)絡也可以應用互聯(lián)網(wǎng)絡；用戶在客戶端通過Quest Viewer執(zhí)行硬件組裝虛擬應用程序完成計算機硬件組裝的三維模擬瀏覽、虛擬演示、模擬操作等，系統(tǒng)還具有更新功能，通過下載數(shù)據(jù)庫的最新數(shù)據(jù)，完成虛擬硬件的型號、參數(shù)更新。

3.2 設計流程

根據(jù)計算機硬件學習資料內容進行需求分析、虛擬硬件模型設計與動畫制作、人機交互設計和性能測試、系統(tǒng)流程設計，在需求分析中結合學生學習特點和教學大綱，確定系統(tǒng)功能模塊，對系統(tǒng)的角色、權限、數(shù)據(jù)庫、界面等進行規(guī)劃；通過對計算機硬件的外形、接口、參數(shù)等進行硬件模型設計，應用部分現(xiàn)有3D Warehouse等模型庫中的硬件模型提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，對一些需要進行精細設計的模型可采用Sketchup工具對現(xiàn)有模型進行修改或者是應用3D MAX軟件進行制作，再通過Deep exploration軟件對模型優(yōu)化使其達到與現(xiàn)實硬件產(chǎn)品精度、參數(shù)的統(tǒng)一；人機交互建立硬件組裝場景，利用Quest 3D軟件進行虛擬實現(xiàn)，完成人與系統(tǒng)的交互功能；最后對系統(tǒng)進行測試，如發(fā)現(xiàn)問題進行逐步改進。

3.3 模塊設計

根據(jù)系統(tǒng)架構和功能分析，系統(tǒng)模塊主要分為計算機硬件理論知識學習模塊、硬件組裝技能練習模塊和系統(tǒng)管理模塊。

計算機硬件理論知識學習模塊是呈現(xiàn)計算機硬件圖片和文字說明的理論型模塊，該模塊主要以理論知識學習和計算機模型瀏覽為主，學生可以通過客戶端從任意角度瀏覽硬件模型，當鼠標置于模型既定位置時提示硬件信息參數(shù)及文字說明。

硬件組裝技能練習模塊是由部分圖片、視頻等組合而成的人機互動模塊，該模塊可由學生虛擬實驗計算機硬件的組裝與匹配，并且能夠給出匹配結果和最優(yōu)選擇。

系統(tǒng)管理模塊是對系統(tǒng)的功能、用戶及安全進行管理，系統(tǒng)管理員可增加和刪除系統(tǒng)的登錄用戶，能夠對硬件模型進行更新，并且能夠對系統(tǒng)應用的各項數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)備份，保護系統(tǒng)的安全。

4. 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 交互界面實現(xiàn)

計算機組裝虛擬實驗系統(tǒng)交互界面采用導航欄形式方便用戶快速熟悉系統(tǒng)菜單中的各項功能，快捷菜單設計在系統(tǒng)界面的頂部，以隱性樹形結構顯示，將一級分類顯示在主界面頂部，當鼠標點擊一級分類下拉出二級分類，當鼠標置于二級分類時標有◢符號的分類顯示三級分類，便于用戶依照順序定位系統(tǒng)功能，在主畫面區(qū)可顯示硬件3D圖像，并可用鼠標、鍵盤、觸摸屏等對虛擬硬件進行移動、旋轉、放大、縮小，便于用戶詳細觀察硬件的各個細節(jié)，同時主顯示界面可以播放RMVB、AVI、3GP等格式的視頻文件，學生可以選擇計算機組裝的細節(jié)教學視頻進行學習。

4.2 主要功能實現(xiàn)

用戶與系統(tǒng)進行交互首先登錄系統(tǒng)進入用戶登錄模塊，該模塊利用Quest 3D中的DBDriverMysql、DBinfo、DBQuery、DBValue等連接信道與數(shù)據(jù)庫進行連接，確認用戶身份進入系統(tǒng)；其次系統(tǒng)視頻演示實驗與動畫實驗功能實現(xiàn)操作界面與人的交互，視頻演示是教學模型，教師可以將硬件組裝實際操作視頻播放給學生觀看，動畫實驗功能是學生通過系統(tǒng)可以在虛擬環(huán)境下以動畫形式操作計算機各硬件的組裝，通過調用Quest 3D中的Media Texture、MediaTexture Command、Trigger、UserInput等信道完成該功能；用戶在進行硬件組裝虛擬練習時，通過鼠標、鍵盤、觸摸屏等對虛擬環(huán)境下的CPU、顯卡、內存、電源、主板等進行組裝，系統(tǒng)可正確判斷各虛擬硬件放置位置是否正確，通過Quset 3D中userinput、expression value、set value等節(jié)點進行實現(xiàn)；在遇到新型硬件時，系統(tǒng)可擴展添加新型硬件的圖片、參數(shù)，建立虛擬模型，并保存在MySQL模型數(shù)據(jù)庫中。

4.3 故障排除交互實現(xiàn)

學生在進行計算機硬件組裝虛擬實驗系統(tǒng)操作時，操作錯誤系統(tǒng)會彈出錯誤提示，譬如：在完成計算機硬件組裝虛擬實驗進行模擬開機時，提示開機錯誤，并顯示顯卡錯誤、聲卡錯誤或者是內存條錯誤等信息的提示，該功能的實現(xiàn)可采用模擬樹的方式進行設計，在模擬樹下增加判斷型節(jié)點，節(jié)點內容包括：主板、CPU、顯卡、硬盤、內存、光驅、電源、鼠標、鍵盤、顯示器，當任一節(jié)點未正確安裝，則無法完成計算機虛擬開機，彈出提示框輔助學生找到故障所在，并對故障原因加以解釋說明。

5. 結束語

將計算機硬件組裝實驗以虛擬的形式提供給學生進行學習，不僅能夠降低高校經(jīng)營成本，而且可降低學生的操作風險，提高學生的學習興趣。本文所采用的Quest 3D、3DMAX、Sketchup、Mysql等軟件，結合教學教材內容將計算機硬件實體3D建模，并建立計算機硬件組裝虛擬環(huán)境，有效提高了學生實際操作能力，同時也降低了教師教學的壓力，在高校計算機硬件課程教學中具有非常重要的現(xiàn)實意義。

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