虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在《計(jì)算機(jī)組裝與維修》課程教學(xué)中的研究

傳統(tǒng)的《計(jì)算機(jī)組裝與維修》課程實(shí)踐環(huán)節(jié)存在設(shè)備不足，教學(xué)與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)等情況，以3ds Max、Unity 3D等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支撐，創(chuàng)建計(jì)算機(jī)硬件的三維模型，模擬虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，開(kāi)發(fā)三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，使教學(xué)達(dá)到良好效果。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)；計(jì)算機(jī)組裝與維修；學(xué)習(xí)平臺(tái)；Unity 3D

《計(jì)算機(jī)組裝與維修》是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)課程，在教學(xué)計(jì)劃中必不可缺。該課程內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)的硬件性能指標(biāo)、選購(gòu)策略、硬件組裝、故障排除、系統(tǒng)優(yōu)化和日常維護(hù)等，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力為主，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐。但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程，經(jīng)常面臨教學(xué)設(shè)備缺乏，教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)等問(wèn)題； 實(shí)踐操作時(shí)，頻繁的拆裝練習(xí)更容易對(duì)計(jì)算機(jī)部件造成損壞，導(dǎo)致學(xué)生只能“觀看”實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手實(shí)踐能力受到限制。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽(tīng)、嗅覺(jué)等感覺(jué)，使人作為參與者通過(guò)適當(dāng)裝置，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。

歐美國(guó)家在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用方面較為領(lǐng)先，特別是在工業(yè)、商業(yè)、教育等領(lǐng)域的發(fā)展較快。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用于產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)、虛擬裝配、產(chǎn)品仿真、設(shè)備管理等。在商業(yè)領(lǐng)域，則主要應(yīng)用于產(chǎn)品的展示與推銷(xiāo)。

在教育領(lǐng)域，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能構(gòu)建逼真的虛擬環(huán)境，能解決學(xué)習(xí)中的情景化及交互性的問(wèn)題，因此虛擬實(shí)驗(yàn)室、遠(yuǎn)程教育、虛擬教學(xué)等作為一種新興的教學(xué)模式正逐漸展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力。但是，這些虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬教學(xué)等主要應(yīng)用于大學(xué)，在高職院校的學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用研究則比較少，而在高職院?！队?jì)算機(jī)組裝與維修》課程中能將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)的研究更是稀少。

因此本課題將研究如何利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)高職課程《計(jì)算機(jī)組裝與維修》中的硬件三維模型，并通過(guò)計(jì)算機(jī)生成虛擬環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)具體的虛擬三維學(xué)習(xí)平臺(tái)。

2 采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的組裝與維修課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生在實(shí)踐課程初始階段操作時(shí)發(fā)生硬件損壞的情況較易出現(xiàn)。由于操作不熟練，導(dǎo)致CPU損壞、內(nèi)存條損壞、電源報(bào)廢等情況都會(huì)發(fā)生，直接損失可達(dá)到上千元。通過(guò)三維虛擬工作平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以避免這些損失，而學(xué)生又實(shí)際掌握了相關(guān)的實(shí)踐技術(shù)。

在傳統(tǒng)的組裝與維修課程教學(xué)中，由于受到教學(xué)條件的影響和硬件設(shè)備的限制，教學(xué)環(huán)節(jié)通常是先介紹主要硬件設(shè)備的型號(hào)品牌、技術(shù)指標(biāo)、組裝方法等，而這些設(shè)備的展示往往滯后于當(dāng)前市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，再利用學(xué)校已有的落后的甚至接近淘汰的設(shè)備讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)際組裝練習(xí)。在這樣的教學(xué)環(huán)節(jié)下，學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的訓(xùn)練大大受到限制。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展方便地進(jìn)行擴(kuò)充和刪減相關(guān)硬件設(shè)備，保持課程的先進(jìn)性。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于《計(jì)算機(jī)組裝與維修》課程教學(xué)，從3D交互的角度進(jìn)行教學(xué)，能突破學(xué)校教學(xué)中組裝與維修實(shí)驗(yàn)室資源的瓶頸，使每個(gè)學(xué)生都參與實(shí)踐動(dòng)手，使知識(shí)更形象化、直觀化、易于理解。學(xué)習(xí)者在虛擬場(chǎng)景中的進(jìn)行交互學(xué)習(xí)，具有一定的沉浸感和實(shí)時(shí)交互性，學(xué)生可以投入到由計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的虛擬場(chǎng)景中，身臨其境，與真實(shí)環(huán)境感受相同，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)的教學(xué)環(huán)境相較其它教學(xué)媒體創(chuàng)建的學(xué)習(xí)情境更有真實(shí)性、獨(dú)特性、和優(yōu)越性。

3 三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)時(shí)，要遵循一定的教育教學(xué)理論規(guī)律，以及學(xué)生職業(yè)技能形成的規(guī)律進(jìn)行，內(nèi)容設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是《計(jì)算機(jī)組裝與維修》課程的教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容。

3.1 科學(xué)性

科學(xué)性是設(shè)計(jì)虛擬三維學(xué)習(xí)平臺(tái)的最基本原則。設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程，不僅要運(yùn)用科學(xué)的教育教學(xué)原理，還要根據(jù)高職院?！队?jì)算機(jī)組裝與維修》課程標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中涉及的計(jì)算機(jī)零件都要遵循真實(shí)的實(shí)物屬性，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)還應(yīng)符合學(xué)生職業(yè)技能形成規(guī)律。

3.2 趣味性

“興趣是最好的老師！”利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)是一種新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，具有較高的仿真特性，學(xué)生能很快地融入虛擬的實(shí)驗(yàn)情境，快速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。但進(jìn)行平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí)，仍要考慮三維學(xué)習(xí)平臺(tái)在界面設(shè)計(jì)、內(nèi)容設(shè)計(jì)及交互方式等方面的趣味性，比如將每一個(gè)計(jì)算機(jī)部件的組裝實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成進(jìn)階游戲形式，充分激發(fā)學(xué)習(xí)者的好奇心和成就感，引發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

3.3 開(kāi)放性

開(kāi)放性是一方面指設(shè)計(jì)的三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)能讓計(jì)算機(jī)組裝與維修實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和空間的限制，能讓學(xué)生有充足的時(shí)間和靈活的空間進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)；另一方面是指對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇設(shè)置開(kāi)放性，能讓學(xué)習(xí)者按其所需自主安排、自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.4 可擴(kuò)展性

可擴(kuò)展性是指設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)要保持實(shí)驗(yàn)中計(jì)算機(jī)零件的不斷更新，可以根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展方便地進(jìn)行擴(kuò)充和刪減計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備，從而保持《計(jì)算機(jī)組裝與維修》課程的先進(jìn)性。

4 三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

4.1 整體架構(gòu)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于《計(jì)算機(jī)組裝與維修》課程，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)，具有硬件組裝演示、實(shí)踐組裝練習(xí)、幫助文檔、平臺(tái)更新等功能，幫助學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件組裝技能，并了解最新的硬件發(fā)展技術(shù)，通過(guò)虛擬情境的設(shè)置使學(xué)習(xí)過(guò)程變得直觀生動(dòng)。三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。

4.2 平臺(tái)具體實(shí)現(xiàn)

在整合高職《計(jì)算機(jī)組裝與維修》課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)交互界面，創(chuàng)建課程所需的硬件設(shè)備三維模型庫(kù)，再采用Unity 3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬平臺(tái)的交互，最后進(jìn)行測(cè)試、打包，形成完善的三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)。并在此基礎(chǔ)上，不斷更新模型庫(kù)，保持課程先進(jìn)性。

4.2.1 三維建模

三維模型創(chuàng)建的逼真與否是三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的前提和基礎(chǔ)，將影響到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的顯示質(zhì)量。如果模型創(chuàng)建不完好，將影響到學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的感知狀態(tài)。

創(chuàng)建三維模型，主要可以采用3ds Max軟件。使用3ds Max 建模的一般流程為創(chuàng)建模型、設(shè)置材質(zhì)與燈光、進(jìn)行場(chǎng)景渲染等。建模時(shí)，要考慮到系統(tǒng)資源的分配，對(duì)于細(xì)小的但看不見(jiàn)的面可以利用重復(fù)貼圖等方法，降低系統(tǒng)資源的占用，進(jìn)而提高三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)的運(yùn)行效率。

4.2.2 交互設(shè)計(jì)

交互設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。目前，對(duì)三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)主要是基于桌面的應(yīng)用系統(tǒng)，交互方式通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)，Unity 3D技術(shù)是比較理想的實(shí)現(xiàn)方式。Unity3D多應(yīng)用于創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑漫游、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)演示等綜合型互動(dòng)設(shè)計(jì)。 Unity3D支持主流的三維建模軟件，其貼圖技術(shù)、渲染系統(tǒng)符合《計(jì)算機(jī)組裝與維修》課程中對(duì)模型仿真性的要求；用其開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可以發(fā)布在Windows平臺(tái)，也可以支持Windows網(wǎng)頁(yè)瀏覽。

《計(jì)算機(jī)組裝與維修》課程的三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)需要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的交互功能主要包括：

（1）實(shí)驗(yàn)入口的交互：三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)提供教師登錄或?qū)W生登錄兩種方式，學(xué)生登錄后可以進(jìn)行計(jì)算機(jī)配置和計(jì)算機(jī)組裝功能的學(xué)習(xí)，教師登錄后則可以設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境及根據(jù)當(dāng)前實(shí)際對(duì)計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行擴(kuò)充和刪減等。

（2）實(shí)驗(yàn)工具選擇的交互：計(jì)算機(jī)的組裝與維修時(shí)涉及很多拆卸及安裝工具的選擇，完成虛擬組裝及維修功能主要是能實(shí)現(xiàn)三大操作：拾取模型、操作模型和釋放模型，而具體操作的細(xì)節(jié)則是對(duì)模型進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放，這些功能主要是利用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)的工具交互功能。

（3）實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)幫助的交互：學(xué)生可以查找相關(guān)的幫助文檔，以便實(shí)驗(yàn)時(shí)操作方便，并能快速響應(yīng)操作，返回操作結(jié)果；學(xué)生還可以根據(jù)各部件視頻演示教學(xué)，方便地學(xué)習(xí)配置組裝。

（4）實(shí)驗(yàn)正確性檢測(cè)的交互：能對(duì)學(xué)生組裝實(shí)驗(yàn)中計(jì)算機(jī)各部件間連接的正確性進(jìn)行檢測(cè)，讓學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終得到正確的引導(dǎo)。能對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供連通性檢驗(yàn)功能，使學(xué)生對(duì)最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。

4.2.3 碰撞檢測(cè)

使用Unity 3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)還需要注意碰撞檢測(cè)。現(xiàn)實(shí)中計(jì)算機(jī)的零件與拆裝工具均為實(shí)體部件，在組裝與維修中會(huì)遇到各種碰撞，如果不加以檢測(cè)，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的零件、工具之間相互穿透，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程失去逼真性。要避免這種情況，可以利用Unity 3D的兩種碰撞檢測(cè)方式：碰撞器檢測(cè)和觸發(fā)器檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)功能，使計(jì)算機(jī)零件、工具之間不能相互穿透。

4.2.4 平臺(tái)的發(fā)布

應(yīng)用Unity 3D技術(shù)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可以發(fā)布在Windows平臺(tái)，也可以支持Windows網(wǎng)頁(yè)瀏覽，因此在三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)發(fā)布可以考慮其使用范圍來(lái)設(shè)置發(fā)布方式。學(xué)習(xí)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的初級(jí)階段可以僅發(fā)布成Windows平臺(tái)，在學(xué)校機(jī)房中提供虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，一方面操控快捷方便，一方面便于對(duì)學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試與改進(jìn)。當(dāng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的使用趨于成熟時(shí)，可以發(fā)布成網(wǎng)頁(yè)瀏覽方式，不再受限于學(xué)校這單一的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，脫離時(shí)間與空間的限制，從而達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，開(kāi)發(fā)《計(jì)算機(jī)組裝與維修》課程的三維虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)，能打破學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組裝與維修的時(shí)間與空間的限制；減少計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的損耗，為學(xué)校節(jié)約了教育成本；這一新的學(xué)習(xí)模式，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，利于他們自主學(xué)習(xí)，快速提高職業(yè)技能。但時(shí)，虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)不能完全替代實(shí)踐操作，兩者需要相輔相成，起到合力作用。

參考文獻(xiàn)

[1]華艷.基于Virtools的虛擬仿真客戶培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].電腦與電信，2014，12：61-63.

[2]李曉靜，成艷真.三維虛擬工作平臺(tái)應(yīng)用于高職組裝與維護(hù)課程教學(xué)的研究[J]. 電腦學(xué)習(xí)，2011，02：65-66.

[3]柴群，梁劍波.基于Virtools的虛擬裝配實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)——以計(jì)算機(jī)組裝為例[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，18：4522-4524.

[4]百度百科. Unity3D. http：//baike.baidu.com/view/2299410.htm？fr=aladdin，2014.

作者簡(jiǎn)介

華艷（1976-），女，江蘇省無(wú)錫市人。碩士學(xué)位?，F(xiàn)為無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。研究方向?yàn)楦呗毥逃?、多媒體計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

作者單位

無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省無(wú)錫市 214153