開放式計算機基礎(chǔ)虛擬仿真實驗室研究

詹春娥

摘? ?要：傳統(tǒng)的實驗教學(xué)為高校計算機基礎(chǔ)教學(xué)帶來了諸多壓力，隨著虛擬實驗技術(shù)的成熟，虛擬實驗室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價值顯而易見。它既能保障實驗教學(xué)的質(zhì)量，又能加強學(xué)生的實驗?zāi)芰吞岣呔C合素質(zhì)。文章基于虛擬現(xiàn)實軟件VRP，結(jié)合3Dmax建模工具以及Javascript，ASP.NET與數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，對構(gòu)建開放式網(wǎng)絡(luò)計算機基礎(chǔ)虛擬仿真實驗室系統(tǒng)進行探討。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實驗;教學(xué)

1? ? 高校虛擬仿真實驗系統(tǒng)簡介

為貫徹落實總書記對強化實踐教育工作的重要指示精神和全國高校思想政治工作大會精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》以及《2017年教育信息化工作要點》等相關(guān)要求，教育部決定進一步將虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作開展到本科高等學(xué)校的實驗教學(xué)當(dāng)中。

虛擬仿真實驗室是一種在開放式網(wǎng)絡(luò)化下，運用Web技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）構(gòu)建的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，將現(xiàn)實的教學(xué)實驗室進一步升級為數(shù)字化和虛擬化。它以計算機為控制中心，利用軟件技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)模型;同時，使用模塊化和層次化的設(shè)計思想將硬件與軟件相結(jié)合，形成虛擬仿真實驗系統(tǒng)。它借助多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將遠程教育推向了一個新高度，教學(xué)用虛擬仿真實驗系統(tǒng)一般由虛擬仿真實驗臺和虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)組成，開放式虛擬仿真實驗教學(xué)的開展可減少實驗設(shè)備的投入，也可降低實驗設(shè)備的維護強度。虛擬實驗臺供學(xué)生動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實驗儀器設(shè)備，有利于提高的動手操作能力、分析診斷能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。同時，實驗結(jié)果的自動批改功能也減輕教師的工作量[1]。

2? ? 系統(tǒng)的設(shè)計理念與模塊設(shè)計

2.1? 設(shè)計理念

計算機應(yīng)用能力是高等院校學(xué)生的必備技能之一，計算機基礎(chǔ)教育成為多數(shù)高等院校教學(xué)體系必不可缺的組成部分;在教學(xué)過程中通常會受到教學(xué)課時和教學(xué)條件的限制，在硬件的組裝與維護方面使學(xué)生特別是文科專業(yè)的學(xué)生缺乏實踐的動手能力;建立基于網(wǎng)絡(luò)的計算機基礎(chǔ)虛擬仿真實驗室能夠打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性，提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)更多的應(yīng)用型人才。

計算機基礎(chǔ)虛擬仿真實驗室采用異步教學(xué)中的多種Web瀏覽，通過互聯(lián)網(wǎng)與學(xué)生用戶進行連接實現(xiàn)遠程教學(xué)?；赪eb的可視化三維環(huán)境功能設(shè)計出常見的計算機硬件三維模型，設(shè)置對應(yīng)的參數(shù);同時，將每一類三維模型適當(dāng)?shù)慕M合構(gòu)成一個可視化的實驗項目。網(wǎng)絡(luò)上采用客戶機/服務(wù)器的模式，服務(wù)器負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、維護與處理;客戶機負責(zé)人機界面操作，傳遞用戶的需求和顯示返回的數(shù)據(jù)結(jié)果;教師或者學(xué)生通過準入許可證登錄進入虛擬仿真實驗室中，教師進行實驗的布置，學(xué)生通過鍵盤與鼠標的操作進行虛擬實驗，從而完成實驗的教學(xué)[2]。

2.2? 主要模塊設(shè)計

虛擬仿真實驗中虛擬的儀器設(shè)備能夠呈現(xiàn)出真實設(shè)備難以體現(xiàn)的實驗現(xiàn)象，既鍛煉了學(xué)生的獨立思考與實際能力，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以此培養(yǎng)出更具創(chuàng)新精神與高實踐能力的人才。為了開放式計算機基礎(chǔ)虛擬仿真實驗系統(tǒng)能夠?qū)⒅R學(xué)習(xí)和實驗動手能力的培養(yǎng)有機融合，形成完整的實驗教學(xué)體系，整個體系包含計算機基礎(chǔ)課程資料、計算機硬件的外形展示與文字說明、臺式機與筆記本的組裝實驗、故障的診斷實驗、小型網(wǎng)絡(luò)的組建實驗、教師管理模塊[3]。

（1）課程資料：該模塊以網(wǎng)頁或電子文檔的形式將計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)大綱、教學(xué)課件、電子教案與視頻教學(xué)等進行制作與整理。

（2）硬件展示與說明：該模塊以三維立體的方式展示計算機的各硬件部件，同時，配以文字的介紹說明。

（3）組裝實驗：該模塊包括臺式機與筆記本的組裝與拆卸虛擬仿真實驗。

（4）故障的診斷實驗：該模塊描述了微機故障的特征，要求做故障排除的虛擬仿真實驗。

（5）組建小型網(wǎng)絡(luò)實驗：該模塊可以二維網(wǎng)頁的形式來進行網(wǎng)線的制作、路由器的配置、ADSL連接配置，從而進一步組建局域網(wǎng)的虛擬仿真實驗。

（6）管理模塊：角色可以有系統(tǒng)管理員、教師和學(xué)生，由系統(tǒng)管理員做用戶與權(quán)限的管理，教師用戶來進行實驗的布置、成績的收集管理，學(xué)生則完成實驗操作。

3? ? 實驗?zāi)K的創(chuàng)建

系統(tǒng)創(chuàng)建過程中，各模塊既可采用HTML網(wǎng)頁或電子文檔的形式展現(xiàn)，也可采用FLASH來演示微機各部件的工作原理，同時，采用基于虛擬現(xiàn)實軟件VRP，結(jié)合專業(yè)的三維建模軟件3DMAX以及Javascript，ASP.NET與數(shù)據(jù)庫等技術(shù)之上來完成整個系統(tǒng)建立。創(chuàng)建虛擬仿真的實驗室分為模型建立、制作交互文檔、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布3個階段。

3.1? 數(shù)字模型的建立

微機的各部件采用3DMAX進行建模。建模時應(yīng)遵循以下3點：（1）收集相對準確的模型數(shù)據(jù)，以保證模型的形象與逼真。（2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單個硬件應(yīng)予三維模型的層次結(jié)構(gòu)分別建模，并將所有模型整合起來。（3）建模過程中，不僅要刪除冗余分段，而且面片數(shù)要盡可能少，降低整個模型的復(fù)雜度以優(yōu)化模型。

由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)對顯示速度的要求，3DMAX建模后還需進行材質(zhì)編輯和燈光效果的設(shè)置，最好利用烘焙貼圖技術(shù)來對模型的紋理進行優(yōu)化，以提高渲染速度。烘焙貼圖就是把MAX中物體的光影以貼圖形式帶到VRP中來，以此更具真實感，烘焙方式有LightingMap，Completemap。不同類型的材質(zhì)采取不同的烘焙方式，材質(zhì)貼圖僅支持jpg，bmp，dds的圖片格式;燈光按照3DSmax的標準設(shè)置。模型烘焙時需要注意以下3點：（1）選擇恰當(dāng)?shù)暮姹悍绞?，Completemap光感好但烘焙效果相對模糊，Lightmap貼圖較清晰但光感弱。（2）按照模型材質(zhì)與大小設(shè)置貼圖尺寸參數(shù)，一般小模型、玻璃與金屬材質(zhì)不必烘焙。（3）為了方便管理，按照模型烘焙的類型與貼圖尺寸將模型分類并存放在同一個圖層中。

利用VRP編輯器進一步導(dǎo)出場景：（1）通過VRP-for-Max插件導(dǎo)入3DMAX的建模文件。（2）選取導(dǎo)出類型（靜態(tài)模型，剛體、柔體動畫、相機等）。（3）確定模型命名。（4）導(dǎo)出VRP格式文件。導(dǎo)出的文件通過后期編輯進行優(yōu)化[4]。

3.2? 交互式虛擬仿真實驗的實現(xiàn)

VRP的設(shè)置對象主要包括動作、事件與場景3類要素，VRP交互設(shè)計是在腳本編輯器里建立事件、動作和場景的相互關(guān)系。其中，動作包括對物體移動、旋轉(zhuǎn)、平動、縮放等，選擇攝像機做視角切換、著色、顯示/隱藏物體、交互控制和粒子特效等。事件包括場景開始事件、鼠標和鍵盤事件、計時器和自定義事件等。場景包括文件中后期加入的界面、聲音、材質(zhì)等交互現(xiàn)象。交互操作主要是基于事件驅(qū)動，在用戶觸發(fā)事件或事件自發(fā)（如鼠標或鍵盤操作等）時，該事件對應(yīng)的場景則做出相應(yīng)的動作。

3.3? 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

用支持網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的vrpie格式將VRP對象導(dǎo)出，并將它存放在Web服務(wù)器上，也可網(wǎng)上其他媒體素材進行合成，形成界面友好直觀、真實感強的虛擬實驗環(huán)境，用戶通過網(wǎng)絡(luò)或本地機對虛擬仿真實驗室進行使用。學(xué)生通過鼠標對實驗設(shè)備模型的旋轉(zhuǎn)或移動等多角度地觀察，用遠程瀏覽的方式掌握硬件結(jié)構(gòu)及屬性;通過組裝和拆卸對象等操作，完成老師布置的實驗。虛擬實驗室技術(shù)既能減少實驗室建設(shè)的投入成本，又可應(yīng)用在遠程教學(xué)網(wǎng)站上，以更好地實現(xiàn)金屬焊接等實踐教學(xué)[5]。

4? ? 網(wǎng)絡(luò)測試的技術(shù)實現(xiàn)

實驗管理主要由教師在教師管理模塊中承擔(dān)完成，教師在虛擬實驗室中創(chuàng)建課程或?qū)嶒灒砑訉?yīng)的班級學(xué)生，并將實驗?zāi)康?、實驗任?wù)與實驗要求發(fā)布給學(xué)生。虛擬實驗室中可實現(xiàn)無紙化的網(wǎng)絡(luò)測試功能，考查學(xué)生實驗技能等基礎(chǔ)知識及實驗的操作能力的同時，自動批改功能還可以減輕教師的工作量，測試與成績管理可由數(shù)據(jù)庫管理模塊、組卷與閱卷模塊和信息管理庫等來實現(xiàn)。采用ASP技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫SQL Server，同時，使用Javascript腳本語言，以此來實現(xiàn)頁面上網(wǎng)絡(luò)信息的處理。學(xué)生提交試卷時，系統(tǒng)把答案存入臨時數(shù)據(jù)庫中并與正確答案進行對比，得出學(xué)生成績后將學(xué)生的答案從臨時數(shù)據(jù)庫中刪除，顯示最終成績[6]。

5? ? 結(jié)語

隨著計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代遠程教育成為普及教育的有效手段，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗作為理論研究、實驗研究后的又一種重要的科學(xué)研究方法，它既能更好地提高學(xué)生的動手能力又能降低辦學(xué)成本，在高校學(xué)生規(guī)模不斷擴大的今天，積極地把虛擬化技術(shù)運用到教學(xué)實驗室開發(fā)中，在實驗教學(xué)改革中具有重大的現(xiàn)實意義。

[參考文獻]

[1]周軍.虛擬實驗室在高職院校實踐中的應(yīng)用前景[J].中國教育技術(shù)裝備，2011（8）：123-124.

[2]牛學(xué)真.開放式虛擬實驗教學(xué)平臺集成技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2014.

[3]金魁.開放式虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建[J].黑龍江科技信息，2017（6）：146.

[4]李林，陳宇峰，李鳳霞.開放式虛擬實驗教學(xué)平臺研究與實踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2017（5）：33-34.

[5]杜玉寶，孫淑強，亓文濤.虛擬仿真實驗教學(xué)信息化平臺的建設(shè)與思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（9）：26-28.

[6]武燁.基于虛擬仿真實驗室的創(chuàng)新性實驗教學(xué)改革探索[J].科技資訊，2018（8）：273-274.

Research on virtual simulation laboratory for open computer foundation

Zhan Chune

（Huali College of Guangdong University of Technology， Guangzhou 511325， China）

Abstract：The traditional experimental teaching has brought a lot of pressure to the computer basic teaching in colleges and universities. As virtual experiment technology matures， the value of virtual laboratories in education is evident. It can not only guarantee the quality of experimental teaching， but also strengthen the studentsexperimental ability and improve the comprehensive quality. Based on virtual reality software VRP， combined with 3Dmax， Javascript， ASP and database technologies， this paper discusses the construction of an open network computer based virtual simulation laboratory system.

Key words：virtual simulation; experiment; teaching