基于Virtools的虛擬現(xiàn)實技術在計算機組裝與維護課程中的應用研究

浦慧忠

摘 要：以真實的計算機課程學習的改造需求為研發(fā)背景，根據(jù)自身特點和項目的總體開發(fā)要求和建設目標，結合課題“組裝與維修課程虛擬三維學習平臺的實踐研究”，提出了一種基于Virtools結合3DMAX等其他技術的虛擬仿真學習系統(tǒng)的開發(fā)，對相關主要環(huán)節(jié)進行優(yōu)化處理，為課程學習平臺的搭建提供有力支持。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；Virtools；計算機組裝與維護；建模；交互

中圖分類號： TP399 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2163（2015）06-

Abstract： In view of real reform demand of computer courses as research and development background ， meanwhile according to their own characteristics， overall development requirements and construction goal of the project， the paper combines with the subject "virtual 3 D assembly and maintenance course learning platform practice research"， puts forward a kind of virtual simulation study system development based on Virtools coordinating with other production software technologies such as 3DMAX ， also optimizes the processing of major link， which could provide strong support for the curriculum learning platform construction.

Key words： Virtual Reality；Virtools；Computer Assembly and Maintenance；Modeling； Alternately

0 引 言

如何提升學生的學習效率始終是研究學界探討熱議的中心問題?，F(xiàn)在比較流行體驗式學習即“做中學”（learn by doing）。舉個例子，一個小孩想探究海底動物之間的關系，可以通過在虛擬現(xiàn)實世界里的一片海洋的海底中去暢游，并探索海底動物之間關系及海流變化。上述這種類似學習體驗都是極為豐富、又頗為有趣的。所以將虛擬現(xiàn)實技術應用于教育教學將是教育技術發(fā)展的一個全新飛躍，因其營造了這樣一個“自主學習”的環(huán)境：由學生通過自身與周圍相關信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式取代曾經(jīng)的“以教促學”的傳統(tǒng)學習方式 [1]，也就成功在即，現(xiàn)實可期了。本文將對這一課題內容展開研究論述。

《計算機組裝與維護》課程是計算機類專業(yè)高職學生必修的一門專業(yè)基礎課，動手實踐性很強。課程內容主要涉及計算機硬件的選擇、安裝與調試、操作系統(tǒng)的安裝與調試、驅動程序的安裝、常用軟件的安裝等。在目前現(xiàn)有的實際環(huán)境中，由于學校經(jīng)費的限制，很多實驗室的計算機硬件更新遲緩，設備落后、老化且數(shù)量匱乏，不能滿足體驗式教學的需要，往往是教師示范多，學生動手少，無法保證每個學生都得到親自動手的機會。而如果能成功構建一個虛擬的仿真實訓系統(tǒng)，就可以很好地解決上述問題，這一方面有利于教師課堂教學的展開，另一方面也有利于學生進行體驗式學習，迅捷掌握技能，達到事半功倍、現(xiàn)實理想的教學效果。

1 國內外研究現(xiàn)狀及趨勢

虛擬現(xiàn)實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，可以利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，并可使用戶沉浸到該環(huán)境中。上個世紀 90 年代，國外就已經(jīng)開啟了虛擬現(xiàn)實這方面的研究，時至今日，虛擬現(xiàn)實技術的研究在歐美發(fā)達國家已經(jīng)堪稱普及。其中，美國更是已將虛擬現(xiàn)實列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃中。

與國外相比，國內虛擬現(xiàn)實技術的研究起步較晚，但卻受到特別重視。國內的部分重點高校，如清華大學、華中理工大學、四川大學、復旦大學、上海交通大學等，都已經(jīng)展開虛擬現(xiàn)實的研究并取得了一定的研究成果。

具體到基于計算機硬件的虛擬現(xiàn)實的研究和應用方面，國內在理論研究中進行了較多探索，而基于特定實訓項目的研究卻因受到眾多條件的限制，開發(fā)出的成果還比較少。一些早期的虛擬實驗中主要用到的都是二維單機版，只適合課堂教學的輔助演示，并且在這類虛擬實訓系統(tǒng)中學生操作的實驗儀器就是一些圖案和符號，枯燥抽象，不利于學生的理解和掌握。雖然近幾年也有一些三維的虛擬實訓設計，對相關器件提供了寫實模擬，但大多交互功能都不強，更大程度上只適用于課堂教學演示，沒有設計針對學生的操作技能進行演練和提升的環(huán)節(jié)，不利于學生開展和實現(xiàn)探究性學習[2]。而現(xiàn)階段對于計算機組裝與維護的實訓要求已日趨高端精細，也更加注重計算機與人的交互體驗，在實現(xiàn)上大多都采用 Java 3D、VRML 等語言研制開發(fā)，并且還要能實現(xiàn)3D效果。

總的來說，虛擬現(xiàn)實技術的研究正處于起步與發(fā)展狀態(tài)，并沒有形成完整的技術體系，還有許多關鍵技術尚需研究探索，獲得全面解決。

2 理論依據(jù)

虛擬現(xiàn)實技術主要有以下四種基本應用類型：（1）桌面虛擬現(xiàn)實。其最大特點是缺乏真實的現(xiàn)實體驗，但是成本也相對較低，因而，應用比較廣泛。（2）沉浸的虛擬現(xiàn)實。（3）增強現(xiàn)實的虛擬現(xiàn)實。（4）分布式虛擬現(xiàn)實[3]。

一個虛擬仿真實訓系統(tǒng)的構建過程一般分為三維場景、實物的建模和交互兩個步驟。通過前期的網(wǎng)上調查研究、各種技術分析比對，最終選用3DS Max 軟件來進行三維場景以及實物的建模，選用 Virtools 軟件來進行各類模型之間的交互。

Virtools軟件具有強大的3D互動展示功能[4][5]。具體包含了創(chuàng)作應用程序、動作引擎、渲染引擎、Web播放器、軟件開發(fā)工具包（SDK）等幾個部分。采用Virtools開發(fā)項目還具有開發(fā)難度低、開發(fā)周期短、真實性好、交互性強等特點[6]。因此，本項目開發(fā)采用Virtools 技術，Virtools軟件操作平臺如圖1所示。

3 具體實施

該虛擬仿真實訓系統(tǒng)采用基于Virtools技術再結合3DMAX或Maya、sketchup、VRML、Java等其他技術[7]，來模擬計算機組裝與維護課程中的計算機硬件部分，諸如中央處理器CPU、主板、內存條、風扇、顯卡、硬盤、光驅、機箱等安裝及調試；計算機軟件部分則可描述為Windows操作系統(tǒng)的安裝、驅動程序的安裝、應用軟件的安裝等。在此基礎上，即能進行動態(tài)的仿真實驗并實現(xiàn)交互，從而達到虛擬現(xiàn)實所要求的沉浸感、真實感和交互性。該系統(tǒng)的實現(xiàn)步驟可分述如下。

3.1 建模

采用3D模型建立實訓平臺及計算機硬件模型，畫面要求真實，動態(tài)仿真實驗交互過程和實驗現(xiàn)象。sketchup軟件可以非常方便地建立計算機硬件的3D模型，同時可以利用goole3D模型庫里的現(xiàn)有模型，再利用3DMAX建立各種復雜計算機硬件（如CPU、主板等）三維物體，并將這些物體導出為VRML文件，導入VRML文件中進行二次開發(fā)，從而形成豐富多彩的虛擬現(xiàn)實世界，構建完成三維場景設計。圖2和圖3分別為3DMAX導出文件和Virtools導入文件的過程。

計算機硬件實物模型包括：中央處理器CPU、主板、內存條、硬盤、顯卡、風扇、機箱、電源、光驅、音箱、顯示器、鼠標、鍵盤等。由于這些實物器件是主要的交互對象，而且還將涉及到后期計算機硬件三維模型的展示，因此要求這部分模型制作要具有較高精細程度。

以主板為例，其上有內存插槽、硬盤和光驅接口、中央處理器CPU底座、中央處理器、中央處理器風扇及安裝架、散熱器、電容器、鍵盤、顯示等外設接口及各種電子元件等。為此，首先分開依次建模，然后組合成整體的方法來創(chuàng)建主板上眾多的元件。在3DS Max中具體實現(xiàn)是通過擠出修改器、旋轉、布爾運算等功能，再進行 Group（組合），調整確定了各元件在主板上面的相應位置，最后渲染輸出。

3.2 交互

由于交互是整個虛擬仿真系統(tǒng)的核心，Virtools將結合使用Java和VRML技術實現(xiàn)組裝過程的交互，如圖4所示。利用Java編程語言進行二次開發(fā)，使整個場景具有交互性，利于教學對象、即學習者可以隨意的漫游在虛擬的實驗場景中了解組裝維護的全過程，而免除了因多次實驗、可能損壞實際計算機硬件設備的顧慮及風險。

計算機硬件的組裝分為演示和手動兩部分.演示部分以視頻播放為主，包括實物演示和三維虛擬演示。由于該環(huán)節(jié)主要是自動演示設計，交互功能不多，易于實現(xiàn)，此處不過多表述。

手動組裝部分是學生自主進行探究性的實訓部分，交互要求很高。以中央處理器CPU的安裝為例，系統(tǒng)并未給出正確位置的提示，而是事先設定一個位置熱區(qū)，學生在學習了相關硬件知識后通過鼠標移動來找尋CPU安裝的正確位置，當CPU移動到系統(tǒng)事先設置的熱區(qū)附近時，CPU會自動擺放在正確的位置上，整個過程即視為成功。如果CPU沒有正確擺放，在學生提交實驗后，系統(tǒng)會自行判斷并指出錯誤之處，要求重新返回并加以改正，直至安裝正確為止。在整個過程中，系統(tǒng)還會設置一些常見的錯誤障礙，如內存條的安裝正反面，硬盤接線的顏色等，讓學生找錯并自行更正。CPU正確位置熱區(qū)的設置程序可以描述為：Key Waiter實現(xiàn) CPU 的移動方式，CPU m 實現(xiàn) CPU 正確位置的計算，Set Position、Get Position 確定 CPU 在主板上的正確位置并和主板建立連接，具體如圖5所示。CPU m為 VSL 腳本語言自行編寫的 BB，程序代碼略。最后還有結果評價程序及其代碼。

3.3 其他功能

系統(tǒng)實現(xiàn)中，還包括有共享、糾錯、自學、測驗等功能。其中，共享提供計算機組裝與維護過程中的視頻和學習資料，供學生進行自主學習，以便熟悉整個組裝與維護的過程，從而提高自己動手操作實踐的能力，高效掌握技能。糾錯則定制了錯誤提示功能，可以針對學生在實訓過程中的錯誤操作給予適時的提示，并對出現(xiàn)錯誤的地方提供相關學習資料，使學生掌握相關知識，避免重復出現(xiàn)類似錯誤。自學就是提供所有硬件設備庫，通過軟件做好的模型導入到硬件設備庫，實訓時可以對硬件進行選擇，庫中不僅保存設備的3D模型數(shù)據(jù)，還保存各個部件的相關技術參數(shù)資料，學生可以通過虛擬仿真系統(tǒng)了解各個部件的種類，特性和功能。最后，測驗將能夠提供一種類似于比賽的模式進行組裝與維護的測試，通過計時，打分等環(huán)節(jié)實現(xiàn)對課程學習的綜合評價總結。

4 結束語

通過研究發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真實訓系統(tǒng)在計算機實踐教學中具有至關重要的意義，既可以達到節(jié)約經(jīng)費，縮短時間，豐富資源的目的，又可以獲得直觀、真實的效果，使教師的實驗教學手段更趨多樣化、數(shù)字化，從而有利于培養(yǎng)學生對這門課程的學習興趣，增強動手能力，乃至在學生科學意識和創(chuàng)新精神的綜合培養(yǎng)上，發(fā)揮其積極且關鍵的現(xiàn)實作用。

參考文獻：

[1]D·A·庫伯著 .體驗學習—讓學習成為學習和發(fā)展的源泉[M].王燦明，朱水萍，等譯.上海：華東師范大學出版社，2008.

[2]瞿曌.網(wǎng)上虛擬實驗的研究與教學[J].開放教育研究，2004（4）：62-64.

[3]申蔚.虛擬現(xiàn)實技術[M].北京：北京希望電子出版社，2002.

[4]劉明昆.三維游戲設計師寶典-Virtools 開發(fā)工具篇[M].成都：四川電子音像出版中心，2005.

[5]劉明昆.三維游戲設計師寶典-Virtools 技術實戰(zhàn)篇[M]. 汕頭：汕頭大學出版社，2006.

[6]王樂，陳定方，尹念東.基于Virtools的分布式虛擬現(xiàn)實技術研究[J].湖北工業(yè)大學學報，2005，20（3）：22-24.

[7]崔光佐，程旭，楊芙清.基于WWW的網(wǎng)上虛擬實驗室設計與實現(xiàn)[J].北京大學學報，2004，（6）：43-46.