虛擬現(xiàn)實(shí)在《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用探索

劉躍華　何靜

摘 要

新工科背景下對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)提出了新的要求，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為信息技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)熱門技術(shù)已廣泛運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)生活中，特別是在教育方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入將推動(dòng)了課程教學(xué)模式的改革。本文基于對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，以計(jì)算機(jī)組成原理課程為例來探討虛擬現(xiàn)實(shí)在課程教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞

虛擬現(xiàn)實(shí);計(jì)算機(jī)組成原理;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)： G642;TP3-4 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.20

1 計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程之一，也是全國(guó)研究生招生的統(tǒng)考課程，該課程在計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才的培養(yǎng)體系中起著重承上啟下的作用，是深化計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的重要環(huán)節(jié)。該課程的教學(xué)目的是使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的工作原理，建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念，從而具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整機(jī)和部件的分析和設(shè)計(jì)能力。通過本課程的學(xué)習(xí)能為后續(xù)課程如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微機(jī)原理與匯編語(yǔ)言、操作系統(tǒng)原理、編譯原理等奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

因本課程介紹的是現(xiàn)代普通計(jì)算機(jī)的組成與運(yùn)行機(jī)制而不涉及具體的機(jī)型（如Intel x86系列機(jī)器），其教學(xué)內(nèi)容和原理比較抽象，加之由于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生普遍存在電子電路知識(shí)基礎(chǔ)較為薄弱的問題，而計(jì)算機(jī)組成原理程中很多內(nèi)容是講解芯片內(nèi)部工作過程的，因此必須輔之以實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來提升學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成相關(guān)原理的感性認(rèn)識(shí)。近年來，計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究現(xiàn)狀主要集中在以下兩個(gè)方面：一是關(guān)于應(yīng)用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列）和 EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)組成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。例如應(yīng)用FPGA和EDA技術(shù)設(shè)計(jì)運(yùn)算器和微控制器、簡(jiǎn)單ALU（算術(shù)邏輯運(yùn)算）設(shè)計(jì)、組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)、以及FPGA結(jié)合外圍接口芯片來實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于MIPS處理器的計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)等;二是應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)仿真計(jì)算機(jī)的工作原理，例如算術(shù)/邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)的仿真，基于客戶端技術(shù)的計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，指令級(jí)、微體系級(jí)仿真系統(tǒng)等。

本校開設(shè)的計(jì)算機(jī)組成原理課程共安排了78個(gè)課時(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、軟件工程專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)和智慧管理班的必修專業(yè)課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境采用愛迪克（AEDK-CPT）計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)箱），該實(shí)驗(yàn)箱提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1，雖然在實(shí)驗(yàn)箱上可以完成組成原理的大部分實(shí)驗(yàn)，但存在如下問題：一是實(shí)驗(yàn)箱中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能“與時(shí)俱進(jìn)”、升級(jí)換代;二是不能在課堂教學(xué)上使用以實(shí)現(xiàn)互動(dòng)教學(xué);三是不能實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)以提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的能力。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等前沿科技的快速發(fā)展，新工科的教學(xué)理念應(yīng)運(yùn)而生，如何培養(yǎng)更多高質(zhì)量的計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才，以適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命對(duì)計(jì)算機(jī)類工程人才的需求，是計(jì)算機(jī)類專業(yè)在新一輪高等教育變革中需要解決的關(guān)鍵問題，在新工科背景下，計(jì)算機(jī)類專業(yè)核心課程的MOOC（慕課）建設(shè)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)越發(fā)被重視。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用

早在20世紀(jì)60年代，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）就已產(chǎn)生，局限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的性能VR 技術(shù)的發(fā)展相對(duì)緩慢。直到20世紀(jì)80年代才開始進(jìn)入人們的生活。近年來隨著信息技術(shù)的發(fā)展，把VR技術(shù)引入課程教學(xué)中已成為未來教學(xué)模式的發(fā)展趨勢(shì)。VR技術(shù)有三大基本特征：沉浸性、交互性和多感知性。沉浸性指使用者置身于計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的虛擬環(huán)境中，成為環(huán)境中的一員，與環(huán)境之間產(chǎn)生相互作用，如同在現(xiàn)實(shí)世界中一般;交互性指使用者可以通過身體的運(yùn)動(dòng)和語(yǔ)言對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交流;多感知性指使用者在虛擬環(huán)境中可獲得觸覺、視覺、聽覺等多種感知，從而獲得身臨其境的感覺。目前虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)可以分硬件和軟件兩大方面。圖1給出了虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)的基本構(gòu)架。

虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備包括頭盔、數(shù)據(jù)手套輸入設(shè)備、數(shù)據(jù)衣，甚至氣味發(fā)生器、味覺發(fā)生器等。“頭盔”則由顯示器、光學(xué)系統(tǒng)、立體聲音箱和運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)一般由發(fā)射器、接收器等電子部件組成。目前的跟蹤系統(tǒng)有電磁、機(jī)械、光學(xué)、超聲等。數(shù)據(jù)手套通過手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關(guān)節(jié)的位置和方向。通過它可測(cè)量出手的位置和形狀，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的虛擬手及其對(duì)虛擬物體的操縱。而借助嗅覺傳播技術(shù)，可以使用戶獲得身臨其境的感受。對(duì)氣味進(jìn)行數(shù)字化，而且還可以借助網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)端重新組合成氣味。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)，它可以提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中存在一定局限性的情境和對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，例如，時(shí)間段限制、身體不可接近性或者對(duì)訪問具有高度危險(xiǎn)性等情況，可以在一個(gè)安全的環(huán)境中提供實(shí)踐和培訓(xùn)，提升學(xué)習(xí)者的參與度和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。目前，兩種主要的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)類型是CAVE（洞穴自動(dòng)虛擬環(huán)境）和HMD（頭盔顯示器）系統(tǒng)，參與者戴著一副特殊的3D眼鏡，以獲得虛擬環(huán)境的立體視圖。因大多數(shù)學(xué)校計(jì)算機(jī)的配置不滿足的要求，高昂的價(jià)格一直是HMD在教育環(huán)境中使用的最大障礙之一，至今HMD在教育環(huán)境中還沒有真正的大規(guī)模應(yīng)用。因此，我們?cè)跇?gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)時(shí)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（VRML）與建模工具（如Unity、Vizard）來實(shí)現(xiàn)。

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言的應(yīng)用

VRML是描述虛擬場(chǎng)景的一種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，它可以創(chuàng)建場(chǎng)景和三維造型，具有良好的交互功能，且支持C、C++、數(shù)據(jù)庫(kù)、Java等語(yǔ)言的接口，其強(qiáng)大編程能力使圖形、動(dòng)畫的制作與控制更加方便。在運(yùn)用VRML制作本課程的教學(xué)課件中，可以將文本、多維動(dòng)畫、小視頻等多種媒體信息整合起來，再造真實(shí)場(chǎng)景。用VRML制作的課件具有多媒體集成、3D渲染和場(chǎng)景逼真等特點(diǎn)，會(huì)激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)欲望，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。在課堂教學(xué)中用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)造型語(yǔ)言來制作課件，就可以把教學(xué)中能應(yīng)用到的各種元素（文字、圖片、動(dòng)畫、視頻）做成三維交互的形式，讓課件“飛起來”，還可以跟學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，學(xué)生不僅可以很好掌握課件中的知識(shí)，也有身臨其境的體驗(yàn)。

2.2 Vizard開發(fā)工具的應(yīng)用

在Vizard軟件中用戶能夠快速創(chuàng)建交互漫游的虛擬場(chǎng)景、能夠?qū)崿F(xiàn)具有沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目、能夠在虛擬場(chǎng)景中應(yīng)用各種多媒體資源、能夠在虛擬場(chǎng)景中添加各種角色并控制其動(dòng)作行為、用戶在Vizard平臺(tái)中采用Python語(yǔ)言進(jìn)行程序開發(fā)。下面是在一個(gè)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬場(chǎng)景的一段Python代碼：

Import viz#引入viz庫(kù)

viz.go（）#初始化繪圖環(huán)境，構(gòu)建虛擬的三維場(chǎng)景

object=viz.addChild（'ALU.ive'）#為虛擬場(chǎng)景添加模型文件

object.alpha（.5）#設(shè)置模型的透明度

viz.MainView.setPosition（[0，0，-2]）#設(shè)置主視點(diǎn)的位置

2.3 Unity開發(fā)工具的應(yīng)用

Unity擁有強(qiáng)大的跨平臺(tái)能力和快速上手的特性，被廣泛應(yīng)用到虛擬仿真、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等方面，是全球應(yīng)用較為廣泛的VR開發(fā)平臺(tái)，如騰訊公司出品的王者榮耀、暴雪娛樂出品的爐石傳說等作品均使用Unity 3D開發(fā)。Unity工具中的VRTK（Virtual Reality Toolkit）提供了一系列實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的腳本和插件，可以在Unity5.0以上版本中借用該插件快速構(gòu)建VR解決方案，如：虛擬空間內(nèi)的多種運(yùn)動(dòng)方式、互動(dòng)性、通過射線或觸摸與Unity 3D中的目標(biāo)互動(dòng)、虛擬空間內(nèi)對(duì)象的物理特性（光照、紋理等）、二維三維的控制等。如在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)過程中，要實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中一個(gè)對(duì)象的旋，在Unity 3D中，用transform組件來獲取一個(gè)物體的位置，用transform的RotateAround方法可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景旋轉(zhuǎn)，其腳本中關(guān)鍵代碼如下：

if（fmodelStartRotate && isFmodelClick）{fmodel.transform.RotateAround（RoateGameObject.transform.pos1， fmodel.transform.transform.up，Time.deltaTime *5f）;}

利用以上技術(shù)和開發(fā)工具，我們初步構(gòu)建了一個(gè)“基于虛擬現(xiàn)實(shí)的計(jì)算機(jī)組成課程教學(xué)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)包含有：基于VRML的教學(xué)課件、基于VR的算術(shù)邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、基于VR的指令解釋實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、基于VR的存儲(chǔ)器擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、基于VR的微命令發(fā)生系統(tǒng)等構(gòu)件。該系統(tǒng)在本校2017級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、軟件工程專業(yè)的7個(gè)班教學(xué)中得到了嘗試應(yīng)用。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，本教學(xué)系統(tǒng)可以發(fā)布于本課程的精品課程教學(xué)網(wǎng)站上，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)學(xué)生可以提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、步驟及流程，通過自主學(xué)習(xí)形成一套實(shí)驗(yàn)方法。在課堂教學(xué)上也可以應(yīng)用該仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，教師與學(xué)生互動(dòng)環(huán)節(jié)增加，可以大幅提升學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，其操作能力明顯增強(qiáng)，從而加深了學(xué)生對(duì)本課程理論知識(shí)的理解。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)對(duì)未來計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)帶來新的變革，把VR運(yùn)用到課程教學(xué)中，可以營(yíng)造一個(gè)有較強(qiáng)真實(shí)感的仿真教學(xué)環(huán)境，有效地拓展教學(xué)的時(shí)空范圍，有助于學(xué)生更好地理解各單元的知識(shí)點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的積極性。隨著我國(guó)新工科背景下課程教學(xué)改革的推進(jìn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境將廣泛應(yīng)用于課程的教學(xué)中。虛擬現(xiàn)實(shí)在我校本課程的教學(xué)應(yīng)用還處于起步階段，通過后期運(yùn)行及實(shí)踐，將不斷完善教學(xué)系統(tǒng)，不能讓教學(xué)改革流于形式，使學(xué)生更有興趣參與進(jìn)來，以提高課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]Kim MJ. Research trends in rehabilitation program for disabled applying virtual reality technology in Korea[J].Journal of Digital Convergence，2015， 13（2）：381-391.

[2]錢鋒，陳學(xué)亮.虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)狀綜述和關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2016（08）：40-45.

[3] 工業(yè)和信息化部中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書[DB/OL].http：//www.cbdio.com/BigData/2016-09/18/content_52665，2016，4.

[4]李玲，王非.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2014，12（3）：38-40.

[5]劉祖珉.虛擬現(xiàn)實(shí)在大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].2017.（03）：62-65.

[18]董春華，趙昆明.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑類課程教學(xué)中的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)輕工教育，2015（4）：93-96.

[6] 周其樓，孫漢群.基于虛擬旅游的旅游管理專業(yè)本科教學(xué)探討[J].江蘇第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2016，33（6）：64-66.

[7]安維華，李曉鷗，徐巖.Vizard虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.